Guasti esterni e interni nel trasformatore

È essenziale proteggere i trasformatori ad alta capacità contro guasti elettrici esterni e interni.

Guasti esterni nei trasformatori di potenza

Cortocircuito esterno del trasformatore di potenza

Il cortocircuito può verificarsi in due o tre fasi del sistema elettrico di potenza. Il livello di corrente di guasto è sempre abbastanza elevato. Dipende dalla tensione che è stata cortocircuitata e dall'impedenza del circuito fino al punto di guasto. La perdita di rame del trasformatore alimentante il guasto aumenta bruscamente. Questo aumento delle perdite di rame causa un riscaldamento interno del trasformatore. Una corrente di guasto elevata produce anche forti sollecitazioni meccaniche sul trasformatore. Le massime sollecitazioni meccaniche si verificano durante il primo ciclo della corrente di guasto simmetrica.

Perturbazione ad alta tensione nel trasformatore di potenza

Le perturbazioni ad alta tensione nel trasformatore di potenza sono di due tipi,

1. Sovratensione transitoria

2. Sovratensione alla frequenza di rete

Sovratensione transitoria

Una sovratensione ad alta tensione e alta frequenza può verificarsi nel sistema di potenza a causa di uno dei seguenti motivi,

• Arcing ground se il punto neutro è isolato.

• Operazioni di commutazione di diversi apparecchi elettrici.

• Impulso atmosferico da fulmine.

Qualunque sia la causa della sovratensione, essa è comunque un'onda viaggiante con una forma d'onda elevata e ripida e con alta frequenza. Questa onda viaggia nella rete del sistema elettrico di potenza, raggiungendo il trasformatore di potenza, provoca la rottura dell'isolamento tra le spire adiacenti al terminale di linea, che può creare un cortocircuito tra le spire.

Sovratensione alla frequenza di rete

C'è sempre la possibilità di una sovratensione del sistema a causa della disconnessione improvvisa di un carico elevato. Anche se l'ampiezza di questa tensione è superiore al suo livello normale, la frequenza rimane la stessa come in condizioni normali. La sovratensione nel sistema causa un aumento dello stress sull'isolamento del trasformatore. Come sappiamo, la tensione, aumentando, causa un aumento proporzionale del flusso di lavoro. Ciò quindi causa un aumento delle perdite di ferro e un aumento proporzionalmente grande della corrente di magnetizzazione. L'aumento del flusso viene deviato dal nucleo del trasformatore ad altre parti strutturali in acciaio del trasformatore. I bulloni del nucleo, che normalmente portano poco flusso, possono essere sottoposti a una componente importante di flusso deviato dalla regione saturata del nucleo. In tali condizioni, il bullone può riscaldarsi rapidamente e distruggere il proprio isolamento nonché l'isolamento delle spire.

Effetto a bassa frequenza nel trasformatore di potenza

Poiché, la tensione dato che il numero di spire nell'avvolgimento è fisso.
Pertanto,
Da questa equazione è chiaro che se la frequenza diminuisce nel sistema, il flusso nel nucleo aumenta, gli effetti sono più o meno simili a quelli della sovratensione.

Guasti interni nel trasformatore di potenza

I principali guasti che si verificano all'interno di un trasformatore di potenza sono categorizzati come segue,

1. Rottura dell'isolamento tra l'avvolgimento e la terra

2. Rottura dell'isolamento tra fasi diverse

3. Rottura dell'isolamento tra spire adiacenti, ovvero guasto inter-spire

4. Guasto del nucleo del trasformatore

Guasti interni a terra nel trasformatore di potenza

Guasti interni a terra in un avvolgimento a stella con punto neutro collegato a terra attraverso un'impedenza

In questo caso, la corrente di guasto dipende dal valore dell'impedenza di terra e è anche proporzionale alla distanza del punto di guasto dal punto neutro, poiché la tensione in quel punto dipende dal numero di spire che si trovano tra il punto neutro e il punto di guasto. Se la distanza tra il punto di guasto e il punto neutro è maggiore, il numero di spire in tale distanza è anche maggiore, quindi la tensione tra il punto neutro e il punto di guasto è alta, causando una corrente di guasto più elevata. Quindi, in poche parole, si può dire che il valore della corrente di guasto dipende dal valore dell'impedenza di terra nonché dalla distanza tra il punto di guasto e il punto neutro. La corrente di guasto dipende anche dalla reattanza di fuga della porzione dell'avvolgimento tra il punto di guasto e il punto neutro. Tuttavia, rispetto all'impedenza di terra, è molto bassa e viene ovviamente ignorata in quanto in serie con un'impedenza di terra molto più elevata.

Guasti interni a terra in un avvolgimento a stella con punto neutro solidamente collegato a terra

In questo caso, l'impedenza di terra è idealmente zero. La corrente di guasto dipende dalla reattanza di fuga della porzione dell'avvolgimento tra il punto di guasto e il punto neutro del trasformatore. La corrente di guasto dipende anche dalla distanza tra il punto neutro e il punto di guasto nel trasformatore. Come detto nel caso precedente, la tensione tra questi due punti dipende dal numero di spire che si trovano tra il punto di guasto e il punto neutro. Quindi, in un avvolgimento a stella con punto neutro solidamente collegato a terra, la corrente di guasto dipende da due fattori principali: prima, la reattanza di fuga dell'avvolgimento tra il punto di guasto e il punto neutro, e secondariamente, la distanza tra il punto di guasto e il punto neutro. Tuttavia, la reattanza di fuga dell'avvolgimento varia in modo complesso con la posizione del guasto nell'avvolgimento. Si osserva che la reattanza diminuisce molto rapidamente per il punto di guasto che si avvicina al punto neutro e, quindi, la corrente di guasto è la più elevata per il guasto vicino al punto neutro. Quindi, in questo punto, la tensione disponibile per la corrente di guasto è bassa e, allo stesso tempo, la reattanza che oppone la corrente di guasto è anche bassa, pertanto il valore della corrente di guasto è sufficientemente elevato. Ancora, per un punto di guasto lontano dal punto neutro, la tensione disponibile per la corrente di guasto è elevata, ma allo stesso tempo la reattanza offerta dalla porzione dell'avvolgimento tra il punto di guasto e il punto neutro è elevata. Si può notare che la corrente di guasto mantiene un livello molto elevato lungo tutto l'avvolgimento. In altre parole, la corrente di guasto mantiene una magnitudine molto elevata indipendentemente dalla posizione del guasto sull'avvolgimento.

Guasti interni tra fasi nel trasformatore di potenza

I guasti tra fasi nel trasformatore sono rari. Se un tale guasto si verifica, darà luogo a una corrente sostanziale per attivare il relè di corrente eccessiva istantanea sul lato primario, nonché il relè differenziale.

Guasto inter-spire nel trasformatore di potenza

Il trasformatore di potenza connesso a un sistema di trasmissione ad extra alta tensione elettrica, è molto probabile che sia soggetto a impulsi di tensione ad alta ampiezza, fronte ripido e alta frequenza a causa di surriscaldamenti dovuti a fulmini sulla linea di trasmissione. Gli stress di tensione tra le spire diventano così elevati che non possono sostenere lo stress, causando la rottura dell'isolamento tra le spire interne in alcuni punti. Anche l'avvolgimento ad alta tensione è sotto stress a causa della tensione di impulso trasferita. Un numero molto elevato di guasti ai trasformatori di potenza deriva da guasti tra spire. I guasti inter-spire possono anche verificarsi a causa di forze meccaniche tra le spire generate da cortocircuiti esterni.

Guasto del nucleo nel trasformatore di potenza

Se una qualsiasi parte delle lamelle del nucleo è danneggiata, o se le lamelle del nucleo sono ponteggiate da un materiale conduttivo, ciò causa il flusso di una corrente di induzione sufficiente, quindi, questa parte del nucleo si surriscalda. A volte, l'isolamento dei bulloni (utilizzati per stringere insieme le lamelle del nucleo) cede, permettendo il flusso di una corrente di induzione sufficiente attraverso il bullone, causando un