Sviluppo e Caratteristiche Tecniche dei Trasformatori a Seco in Diverse Regioni

Prima degli anni '60, i trasformatori a secco utilizzavano principalmente isolanti di Classe B in progetti ad areazione libera, con il modello di prodotto designato come SG. In quel periodo, le bobine a nastro non erano ancora disponibili, quindi le bobine a bassa tensione erano solitamente costruite utilizzando conduttori multi-filari in configurazioni stratificate o a spirale, mentre le bobine ad alta tensione adottavano un design a disco. I conduttori utilizzati erano fili avvolti doppio strato di vetroresina o fili singoli avvolti in vetroresina con rivestimento in resina alchidica.

La maggior parte degli altri componenti isolanti era realizzata in materiali di vetroresina fenolica. Il processo di impregnazione prevedeva l'uso di vernice isolante di Classe B per impregnare le bobine ad alta e bassa tensione a temperatura e pressione ambiente, seguito da un essiccazione a temperatura media (con temperature non superiori a 130°C). Sebbene questo tipo di trasformatore a secco rappresentasse un miglioramento significativo in termini di resistenza al fuoco rispetto ai trasformatori a immersione in olio, le sue prestazioni in termini di resistenza all'umidità e alla contaminazione erano insufficienti.

Di conseguenza, la produzione di questo tipo è stata interrotta. Tuttavia, la progettazione di successo dei calcoli elettrici, magnetici e termici, insieme alla disposizione strutturale, ha gettato le basi solide per lo sviluppo successivo di nuovi trasformatori a secco con isolamento di Classe H ad areazione libera.

Negli Stati Uniti, alcuni produttori, come la FPT Corporation in Virginia, hanno sviluppato trasformatori a secco utilizzando il materiale aramidico NOMEX® di DuPont come principale isolante. La FPT offre due modelli di prodotto: il tipo FB, con un sistema di isolamento classificato a 180°C (Classe H), e il tipo FH, classificato a 220°C (Classe C), con aumenti di temperatura delle bobine di 115K (125K in Cina) e 150K, rispettivamente. Le bobine a bassa tensione utilizzano bobinature a nastro o multi-stratificate, con l'isolamento tra spire e tra strati realizzato in NOMEX®.

Le bobine ad alta tensione sono di tipo a disco, con i conduttori avvolti in carta NOMEX®. Al posto dei blocchi divisori tradizionali tra i dischi delle bobine, vengono utilizzati separatori a forma di pettine, che riducono efficacemente la tensione picco tra i dischi e migliorano significativamente la resistenza alle cortocircuiti assiali delle bobine ad alta tensione, anche se ciò aumenta la complessità dell'avvolgimento e il tempo di fabbricazione. Le bobine ad alta e bassa tensione sono avvolte concentricamente per migliorare la resistenza meccanica. Alcuni progetti incorporano anche pannelli isolanti e blocchi in NOMEX®.

I cilindri isolanti tra le bobine ad alta e bassa tensione sono realizzati in cartone NOMEX® spesso 0,76 mm. Il processo di impregnazione prevede più cicli di impregnazione a vuoto e pressione (VPI) seguiti da essiccazione a alta temperatura (raggiungendo 180-190°C). Presso la FPT, questi trasformatori vengono prodotti con una tensione massima di 34,5 kV e una capacità massima di 10.000 kVA. Questa tecnologia ha ricevuto la certificazione UL negli Stati Uniti.

In Cina, alcuni produttori di trasformatori hanno adottato i materiali isolanti NOMEX® di DuPont e le specifiche di fabbricazione correlate (come HV-1 o HV-2) insieme agli standard tecnici dei trasformatori Reliatran® per produrre trasformatori a secco del tipo SG con isolamento di Classe H, simili al tipo FB della FPT. Tuttavia, diversamente dalla FPT, i produttori locali impregnano solitamente solo le bobine e non l'intero assemblaggio del trasformatore. Sebbene l'impregnazione dell'intero corpo fornisca un sigillaggio complessivo migliore, è meno attraente esteticamente e richiede che tutti i test sul prodotto siano completati prima del trattamento. Inoltre, la vernice impregnante è più soggetta a contaminazione, rendendo l'impregnazione solo delle bobine una scelta più pratica e ragionevole nel contesto cinese.

In Europa, lo sviluppo dei trasformatori a secco ha seguito un percorso più diversificato. Oltre alle tecnologie di colata a vuoto in resina epossidica e di avvolgimento, sono emersi altri tipi, inclusi trasformatori solidi non colati encapsulati di tipo SCR e trasformatori a secco ad areazione libera di tipo SG simili a quelli in Cina. Negli anni '70, un produttore svedese ha sviluppato trasformatori a secco ad areazione libera utilizzando l'isolamento NOMEX®. Successivamente, un altro produttore ha sostituito il NOMEX® con fibra di vetro e DMD, riducendo i costi dei materiali.

La struttura delle bobine ricordava quella dei primi prodotti isolati di Classe B, con bobine a bassa tensione avvolte a nastro o multi-stratificate e bobine ad alta tensione di tipo a disco. L'isolamento tra le spire era realizzato in fibra di vetro, e i separatori erano in ceramica. Altri componenti isolanti utilizzavano laminati di tessuto di vetro in resina etere difenilico modificata (per i cilindri) o lastre di tessuto di vetro laminato in poliammide-imide modificata (per i cilindri), DMD, SMC e materiali simili. Il metodo di elaborazione delle bobine prevedeva l'impregnazione a vuoto (VI) senza applicazione di pressione durante l'impregnazione.

Gli aspetti tecnici chiave di questo processo includono la corretta selezione della vernice impregnante (resina) e dei parametri del processo, nonché la produzione di parti in ceramica. Le ceramiche ordinarie sono fragili, non smaltate, sensibili all'umidità e soggette a crepe in presenza di stress non uniformi o gradienti termici. Pertanto, devono possedere una densità e durezza molto elevate, qualità attualmente ottenibili solo attraverso materiali importati.