SCB & SGB Trasformatori a secco spiegati

1. Introduzione

Un trasformatore funziona in base al principio dell'induzione elettromagnetica. I componenti principali di un trasformatore sono gli avvolgimenti e il nucleo. Durante l'operazione, gli avvolgimenti fungono da percorso per la corrente elettrica, mentre il nucleo serve come percorso per il flusso magnetico. Quando l'energia elettrica viene fornita all'avvolgimento primario, la corrente alternata crea un campo magnetico alternato nel nucleo (cioè, l'energia elettrica viene convertita in energia del campo magnetico). A causa del collegamento magnetico (collegamento del flusso), il flusso magnetico che passa attraverso l'avvolgimento secondario cambia continuamente, inducendo quindi una forza elettromotrice (FEM) nell'avvolgimento secondario. Quando è connesso un circuito esterno, l'energia elettrica viene fornita al carico (cioè, l'energia del campo magnetico viene convertita nuovamente in energia elettrica). Questo processo di conversione "elettricità-magnetismo-elettricità" si realizza in base al principio dell'induzione elettromagnetica, e questo processo di conversione energetica costituisce il principio di funzionamento di un trasformatore.

U1N2 = U2N1

U1: Tensione Primaria；N1: Numero di Spire dell'Avvolgimento Primario；U2: Tensione Secondaria；N2: Numero di Spire dell'Avvolgimento Secondario

Secondo lo standard nazionale cinese GB 1094.16, un trasformatore a secco è chiaramente definito come un trasformatore il cui nucleo e gli avvolgimenti non sono immersi in un liquido isolante. Il suo mezzo isolante e raffreddante è l'aria. In senso lato, i trasformatori a secco possono essere divisi in due tipi principali: incapsulati e a spire scoperte.

• Il tipo "SC(B)" si riferisce a un trasformatore a secco rivestito di resina epossidica (la "B" nella designazione del modello indica che gli avvolgimenti sono fatti di nastro di rame; la "B" in "SG(B)" ha lo stesso significato). L'avvolgimento ad alta tensione è completamente incapsulato con resina epossidica, mentre l'avvolgimento a bassa tensione in genere non è completamente rivestito con resina epossidica - solo le spire terminali sono sigillate con resina epossidica (questo è anche perché il lato a bassa tensione trasporta una corrente più elevata, e un rivestimento completo avrebbe un effetto negativo sulla dissipazione del calore). Attualmente, i trasformatori a secco di tipo SC(B) sono i prodotti di mainstream sul mercato, e questo articolo li utilizza come esempio per l'analisi. La maggior parte dei trasformatori di tipo SC(B) hanno un isolamento di Classe F, con alcuni valutati di Classe H.

• Il tipo "SG(B)" è un trasformatore a secco a spire scoperte che utilizza carta isolante NOMEX di DuPont (USA) per l'isolamento tra spire. L'avvolgimento a bassa tensione è fatto di nastro di rame, e sia gli avvolgimenti ad alta tensione che quelli a bassa tensione subiscono un trattamento di isolamento VPI (Impregnazione sottovuoto a pressione). La superficie è ricoperta con uno strato di vernice isolante epoxidica. La maggior parte dei trasformatori a secco di tipo SG(B) hanno un isolamento di Classe H, con alcuni valutati di Classe C.

• Esiste un altro tipo di trasformatore a secco, designato come "SCR(B)", che è di tipo incapsulato ma non rivestito con resina epossidica. È completamente incapsulato utilizzando carta NOMEX e gel di silicone, basandosi su tecnologia francese. Questo prodotto ha una domanda molto limitata sul mercato. Tutti i trasformatori a secco di tipo SCR(B) hanno un isolamento di Classe H.

2. Vantaggi dei Trasformatori a Secco

• Sicuri, fiammabili, antincendio, antiesplosivi, inquinanti zero, e possono essere installati direttamente nel centro del carico;

• Senza manutenzione, con costi operativi complessivi bassi;

• Ottima resistenza all'umidità - possono funzionare normalmente con un'umidità del 100% e possono essere riattivati senza pre-essiccazione dopo l'arresto;

• Bassi consumi, bassa scarica parziale, basso rumore, forte dissipazione termica, e capaci di funzionare al 150% della portata nominale in condizioni di raffreddamento forzato;

• Dotati di un sistema di protezione e controllo della temperatura completo, fornendo una garanzia affidabile per il funzionamento sicuro;

• Dimensioni compatte, peso leggero, piccola impronta, e costi di installazione ridotti.

3. Svantaggi dei Trasformatori a Secco

• Per la stessa capacità e classe di tensione, i trasformatori a secco sono più costosi rispetto ai trasformatori a olio;

• La classe di tensione è limitata - solitamente fino a 35 kV, con solo pochi modelli che raggiungono 110 kV;

• Generalmente utilizzati all'interno; quando utilizzati all'esterno, è necessario un involucro protettivo con un alto grado di protezione (IP);

• Per gli avvolgimenti a resina, se danneggiati, spesso devono essere smaltiti interamente, poiché la riparazione è solitamente difficile.

4. Struttura dei Trasformatori a Secco

4.1 Avvolgimenti
(1) Avvolgimento a strati: Realizzato sovrapponendo conduttori piatti o rotondi e avvolgendoli in modo elicoidale per formare più strati. Tra gli strati vengono posizionati isolamenti o canali di ventilazione. L'avvolgimento viene colato e curato sotto vuoto utilizzando un stampo e attrezzature specializzate per il colato. Processo: avvolgimento elicoidale a strati → inserimento nello stampo → colata sotto vuoto.

(2) Avvolgimento a nastro: Realizzato avvolgendo conduttori sottili e larghi, con un giro per strato. L'isolamento interstrato serve anche come isolamento tra spire. Gli avvolgimenti a nastro in genere utilizzano canali di raffreddamento assiali: durante l'avvolgimento, vengono inserite strisce divisorie nelle posizioni designate delle spire e successivamente rimosse per formare canali d'aria assiali. Dopo l'avvolgimento su una macchina per avvolgimenti a nastro, la bobina deve solo essere riscaldata e curata - non è necessario uno stampo o un colato.

Perché l'avvolgimento ad alta tensione è posizionato sullo strato esterno e quello a bassa tensione sullo strato interno?
Perché il lato a bassa tensione funziona a una tensione inferiore e richiede minori spazi di isolamento, posizionandolo più vicino al nucleo si riduce la distanza tra l'avvolgimento e il nucleo, riducendo quindi le dimensioni complessive del trasformatore e i costi. Inoltre, l'avvolgimento ad alta tensione solitamente ha connessioni a tappo; posizionarlo all'esterno rende l'operazione più comoda e sicura.

4.2 Nucleo

• Costruito impilando multiple lamierazioni di acciaio silicio ricoperte di vernice isolante;

• Il nucleo è principalmente bloccato da corniere e bulloni di fissaggio;

• Le corniere superiori e inferiori comprimono il nucleo e gli avvolgimenti tramite tiranti o piastre di collegamento;

• I componenti isolanti del nucleo includono l'isolamento della corniera, dell'isolamento dei bulloni o delle piastre di collegamento.

Perché il nucleo deve essere collegato a terra?
Durante il normale funzionamento, il nucleo del trasformatore deve avere un solo e unico punto di raccordo affidabile. Senza raccordo, si svilupperebbe una tensione galleggiante tra il nucleo e la terra, portando a scariche intermittenti dal nucleo alla terra. Il raccordo del nucleo in un solo punto elimina la possibilità di una potenziale galleggiante. 

Tuttavia, se il nucleo è raccordato in due o più punti, le potenziali differenze tra le sezioni del nucleo causeranno correnti circolari tra i punti di raccordo, determinando guasti di raccordo multipli e surriscaldamenti localizzati. Tali guasti di raccordo del nucleo possono causare un aumento di temperatura locale significativo, potenzialmente innescando il trip di protezione. Nei casi estremi, i punti fusi sul nucleo creano cortocircuiti tra le lamierazioni, aumentando notevolmente le perdite nel nucleo e influendo gravemente sulle prestazioni e sull'operatività del trasformatore—talvolta richiedendo la sostituzione delle lamierazioni di acciaio silicio per la riparazione. Pertanto, ai trasformatori non devono essere presenti punti di raccordo multipli; è consentito un solo e unico punto di raccordo.

5.Sistema di controllo della temperatura

L'operazione sicura e la durata di vita di un trasformatore a secco dipendono largamente dalla sicurezza e affidabilità dell'isolamento degli avvolgimenti. Se la temperatura degli avvolgimenti supera il limite termico di resistenza dell'isolamento, l'isolamento sarà danneggiato—questo è uno dei principali motivi di malfunzionamento del trasformatore. Pertanto, monitorare la temperatura di funzionamento e implementare controlli di allarme e trip sono critici.

(1) Controllo automatico dei ventilatori: I segnali di temperatura vengono misurati da rilevatori di temperatura a resistenza Pt100 incorporati nella parte più calda dell'avvolgimento a bassa tensione. Con l'aumento del carico del trasformatore e la conseguente elevazione della temperatura di funzionamento, il sistema avvia automaticamente i ventilatori di raffreddamento quando la temperatura dell'avvolgimento raggiunge 110°C, e li ferma quando la temperatura scende a 90°C.

(2) Allarme di temperatura elevata e trip di sovrascaldamento: I segnali di temperatura dagli avvolgimenti o dal nucleo vengono raccolti da termistori non lineari PTC incorporati nell'avvolgimento a bassa tensione. Se la temperatura dell'avvolgimento continua a salire e raggiunge 155°C, il sistema emette un segnale di allarme di sovrascaldamento. Se la temperatura aumenta ulteriormente fino a 170°C, il trasformatore non può più operare in sicurezza, e deve essere inviato un segnale di trip di sovrascaldamento al circuito di protezione secondario.

(3) Sistema di visualizzazione della temperatura: I valori di temperatura vengono misurati dai termistori Pt100 incorporati nell'avvolgimento a bassa tensione e mostrano direttamente la temperatura di ciascun avvolgimento di fase (con monitoraggio trifase, visualizzazione del valore massimo e registrazione del picco storico di temperatura). Il sistema fornisce un'uscita analogica di 4–20 mA per la temperatura massima. Se è necessaria la trasmissione remota a un computer (fino a 1200 metri), può essere dotato di un'interfaccia per computer e un trasmettitore, abilitando il monitoraggio simultaneo di fino a 31 trasformatori. Il segnale del termistore Pt100 può anche attivare allarmi e trip di sovrascaldamento, ulteriormente migliorando l'affidabilità del sistema di protezione termica.

6. Contenitore dei trasformatori a secco

A seconda delle caratteristiche dell'ambiente di funzionamento e dei requisiti di protezione, i trasformatori a secco possono essere dotati di diversi tipi di contenitori. Tipicamente, viene selezionato un contenitore con classificazione IP20, che impedisce l'ingresso di oggetti solidi di diametro superiore a 12 mm e di piccoli animali come ratti, serpenti, gatti e uccelli, evitando così gravi guasti come cortocircuiti e interruzioni di energia, e fornendo una barriera di sicurezza per le parti sotto tensione.

Se il trasformatore deve essere installato all'esterno, può essere utilizzato un contenitore con classificazione IP23. Oltre alla protezione offerta dall'IP20, impedisce anche la penetrazione di gocce d'acqua cadenti a un angolo fino a 60° dalla verticale. Tuttavia, il contenitore IP23 riduce la capacità di raffreddamento del trasformatore, quindi è necessario prestare attenzione al derating della capacità di funzionamento quando si sceglie questo tipo di contenitore.

7. Metodi di raffreddamento dei trasformatori a secco

I trasformatori a secco utilizzano due metodi di raffreddamento: raffreddamento naturale ad aria (AN) e raffreddamento forzato ad aria (AF).

Con il raffreddamento naturale ad aria, il trasformatore può funzionare in modo continuo alla sua capacità nominale per un periodo prolungato.

Con il raffreddamento forzato ad aria, la capacità di uscita del trasformatore può essere aumentata del 50%, rendendolo adatto per l'operazione sovraccarica intermittente o per condizioni di sovraccarico di emergenza. Tuttavia, durante l'operazione sovraccarica, le perdите продолжить перевод, следуя указанным правилам: ```html perdite di carico e la tensione d'impedenza aumentano significativamente, risultando in un'operazione non economica; pertanto, si dovrebbe evitare una sovraccarica continua protratta.

8. Prove per i trasformatori a secco

• Misurazione della resistenza a corrente continua delle spire:
  Controlla la qualità della saldatura dei conduttori interni, la condizione di contatto tra i cambiatori di presa e i cavi, e se le resistenze di fase sono bilanciate. Generalmente, l'imbalance di resistenza tra linea e linea non dovrebbe superare il 2%, e l'imbalance tra fasi non dovrebbe superare il 4%. Un eccessivo squilibrio di resistenza a corrente continua può causare correnti circolanti tra le tre fasi, aumentando le perdite di corrente circolante e portando a effetti indesiderati come il surriscaldamento del trasformatore.

• Verifica del rapporto di tensione in tutte le posizioni di presa:
  Verifica se il numero di spire è corretto e se tutte le connessioni di presa sono cablate correttamente. Quando si applicano 1000 V al lato ad alta tensione (e alle sue varie prese), si verifica se il trasformatore genera circa 400 V sul lato a bassa tensione.

• Verifica del gruppo di connessione delle spire trifase e della polarità.

• Misurazione della resistenza isolante dei fissaggi isolati del nucleo e del nucleo stesso.

• Misurazione della resistenza isolante delle spire:
  Valuta il livello di isolamento tra le spire ad alta tensione, a bassa tensione e la terra. Di solito, viene utilizzato un megohmetro da 2500 V, e i valori misurati di resistenza isolante (HT–BT, HT–terra, BT–terra) devono superare i valori standard specificati.

• Prova di resistenza a tensione alternata delle spire:
  Valuta la forza principale dell'isolamento tra HT, BT e terra attraverso prove di resistenza dielettrica. Questa prova è decisiva per rilevare difetti localizzati introdotti durante la fabbricazione. Per i trasformatori a secco, le tensioni di prova tipiche sono: 35 kV per la spira a 10 kV e 3 kV per la spira a 0,4 kV, ciascuna applicata per 1 minuto senza rottura per essere considerata accettabile.

• Prove di commutazione e interlock per i disgiuntori su tutti i lati del trasformatore:
  Verificano l'affidabilità delle operazioni dei relais di protezione e confermano che l'attrezzatura di commutazione sia intatta e priva di difetti.

9. Prova di commutazione impulso (Inrush)

(1) Quando si disconnette un trasformatore scarico, può verificarsi una sovratensione di commutazione. Nei sistemi elettrici con neutro non collegato o neutro collegato attraverso una bobina di soppressione dell'arco, l'entità della sovratensione può raggiungere 4-4,5 volte la tensione di fase; nei sistemi con neutro collegato direttamente, può raggiungere fino a 3 volte la tensione di fase. Per verificare se l'isolamento del trasformatore può sopportare la tensione piena o la sovratensione di commutazione, è necessaria una prova impulso.

(2) L'alimentazione di un trasformatore scarico produce una corrente di eccitazione, che può raggiungere 6-8 volte la corrente nominale. La corrente di eccitazione decresce rapidamente inizialmente - generalmente riducendosi a 0,25-0,5 volte la corrente nominale entro 0,5-1 secondo - ma il decadimento completo può richiedere molto più tempo, fino a decine di secondi per i trasformatori di grande capacità. A causa delle forti forze elettromagnetiche generate dalla corrente di eccitazione, la prova impulso viene eseguita per valutare la resistenza meccanica del trasformatore e per valutare se i relais di protezione potrebbero malfunzionare nella fase iniziale di decadimento della corrente di eccitazione.
Generalmente, i trasformatori nuovi sottoposti a installazione subiscono 5 prove impulso, mentre i trasformatori sottoposti a revisione subiscono 3 prove impulso.

10. Prova a vuoto

Lo scopo della prova a vuoto è:

• Misurare la perdita a vuoto e la corrente a vuoto del trasformatore;

• Verificare se la realizzazione e la costruzione del nucleo soddisfano le specifiche tecniche e gli standard;

• Rilevare difetti del nucleo come sovraccarichi termici locali o isolamenti locali insufficienti.

Durante la prova, il lato ad alta tensione è in cortocircuito, e la tensione nominale viene applicata al lato a bassa tensione. La perdita a vuoto è principalmente la perdita del nucleo (ferro).

I difetti rilevabili tramite la prova a vuoto includono:

• Isolamento insufficiente tra le lamelle di silicio;

• Cortocircuiti locali o danni da bruciatura tra le lamelle del nucleo;

• Guasti all'isolamento nelle viti passanti, fasce di acciaio, piastre di serraggio, yokes superiori, ecc., causando cortocircuiti;

• Lamelle di silicio allentate, mal allineate o eccessivi spazi d'aria nel circuito magnetico;

• Collegamento a multipunto del nucleo;

• Cortocircuiti tra spire o strati, o giri disuguali in rami paralleli causando uno squilibrio di ampere-giri;

• Uso di lamelle di silicio a perdita elevata e di qualità inferiore o errori nei calcoli di progettazione.

11. Prova a cortocircuito

Il test di cortocircuito misura principalmente le perdite da cortocircuito e l'impedenza. Viene eseguito durante la messa in servizio per verificare la correttezza della struttura degli avvolgimenti, e dopo il rimpiazzo degli avvolgimenti per controllare eventuali deviazioni significative dai risultati dei test precedenti.

L'alimentazione del test può essere trifase o monofase, applicata al lato ad alta tensione mentre il lato a bassa tensione è in cortocircuito. Durante il test, la corrente sul lato ad alta tensione viene portata al suo valore nominale, e la corrente sul lato a bassa tensione viene controllata per rimanere alla corrente nominale.

12.Gestione delle condizioni anomale dei trasformatori a secco

12.1 Rumore anomalo del trasformatore

• Rumore meccanico causato da:

• Viti di fissaggio del nucleo allentate;

• Deformazione degli angoli del nucleo a causa di un maneggio scorretto durante il trasporto o l'installazione;

• Oggetti estranei che collegano parti del nucleo;

• Viti di fissaggio del ventilatore allentate o detriti interni al ventilatore;

• Viti di fissaggio dell'involucro allentate che causano vibrazioni e rumore del pannello;

• Viti di fissaggio della barra a bassa tensione allentate o mancanza di connessioni flessibili, che porta a vibrazioni e rumore.

• Tensione d'ingresso eccessivamente alta che causa sovraeccitazione e un rumore di ronzio più forte.

• Rumore armonico di ordine superiore: irregolare nel pattern—varia in volume e presente intermittente. Principalmente causato da apparecchiature generatrici di armoniche (ad esempio, fornaci elettriche, rettificatori a tiristori) sul lato di alimentazione o di carico che restituiscono armoniche al trasformatore.

• Fattori ambientali: una piccola stanza del trasformatore con pareti lisce crea un effetto "box acustico" che amplifica il rumore percepito.

12.2 Visualizzazione anomala della temperatura

• Sensore non inserito nella presa sul retro dell'unità di visualizzazione della temperatura—si accende la spia di errore;

• Connessione allentata sulla presa del sensore aumenta la resistenza, causando letture di temperatura falsamente elevate;

• Letture di temperatura infinite su una fase indicano un circuito aperto nel filo di resistenza di platino del sensore;

• Lettura anormalmente elevata su una fase suggerisce che il resistore di platino si trova in uno stato parzialmente interrotto (intermittente).

Un trasformatore opera in base al principio dell'induzione elettromagnetica. I componenti principali di un trasformatore sono gli avvolgimenti e il nucleo. Durante l'operazione, gli avvolgimenti fungono da percorso per la corrente elettrica, mentre il nucleo funge da percorso per il flusso magnetico. Quando l'energia elettrica viene immessa nell'avvolgimento primario, la corrente alternata crea un campo magnetico alternato nel nucleo (cioè, l'energia elettrica viene convertita in energia del campo magnetico). A causa del legame magnetico (collegamento del flusso), il flusso magnetico che passa attraverso l'avvolgimento secondario cambia continuamente, inducendo così una forza elettromotrice (fem) nell'avvolgimento secondario. Quando un circuito esterno è connesso, l'energia elettrica viene consegnata al carico (cioè, l'energia del campo magnetico viene convertita nuovamente in energia elettrica). Questo processo di conversione "elettricità–magnetismo–elettricità" è realizzato in base al principio dell'induzione elettromagnetica, e questo processo di conversione energetica costituisce il principio di funzionamento di un trasformatore.