Cabine MT/bt - Trasformatori
Guida ai trasformatori per cabine MT/BT
Pubblicato il
20/10/2008
Aggiornato al:
24/09/2008
di Gianluigi Saveri
Generalità
Il trasformatore è una macchina elettrica statica che per induzione elettromagnetica permette il
trasferimento di energia, solitamente con trasformazione dei valori di tensione e corrente, fra due
circuiti elettricamente separati. Fondamentalmente è costituito da due o più avvolgimenti e da un
nucleo in acciaio che ha il compito di migliorare l’accoppiamento magnetico tra gli avvolgimenti stessi.
L’avvolgimento che riceve l’energia elettrica che deve essere trasformata viene detto primario mentre
quello che la eroga viene detto secondario. Alimentando quindi il primario con una tensione alternata,
nel nucleo si genera un flusso magnetico alternato che
si concatena con il circuito secondario
inducendovi una f.e.m. Agendo opportunamente sul numero di spire dell’avvolgimento primario e
secondario è possibile modificare il valore del rapporto tra la tensione di alimentazione del primario e
la tensione indotta sul secondario. Il trasformatore può essere monofase (figura 1) oppure,
connettendo opportunamente tre avvolgimenti monofasi
primari e tre secondari, alloggiati sulle
colonne di un unico nucleo magnetico, si può realizzare direttamente un sistema di trasformazione
trifase.
1
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Figura 1 – Schematizzazione del principio di funzionamento di un trasformatore monofase
Il trasformatore trifase è una delle parti fondamentali delle cabine di trasformazione degli impianti
utilizzatori alimentati in media tensione. Deve presentare basse perdite, limitate correnti a vuoto,
ridotte vibrazioni e basso livello di rumore. Può avere il nucleo magnetico e gli avvolgimenti immersi in
un liquido isolante (trasformatori in olio) oppure in aria o inglobati in resina (trasformatori a secco).
Sebbene materiali e tecniche costruttive possano in parte essere diverse, un buon trasformatore ha il
nucleo magnetico costituito da un pacco di lamierini in acciaio, a bassa cifra di perdita, laminati a
freddo arricchiti da cristalli di silicio a grani orientati. I lamierini sono fra di loro separati da un sottile
strato di vernice isolante costituito generalmente da carlyte,
un rivestimento inorganico ottenuto
tramite un particolare procedimento termochimico, che ha la proprietà di resistere alle temperature che
si raggiungono in fase di ricottura e di consentire inoltre un buon stipamento dei lamierini. Per sfruttare
appieno le peculiarità magnetiche dei lamierini, la giunzione fra i lamierini è normalmente a giunti
intercalati tra le colonne e i gioghi con taglio a 45°. Per migliorare il coefficiente di riempimento la
sezione delle colonne e dei gioghi sono in genere
a gradini variabili. Un adeguato serraggio,
realizzato tramite nastrature e appositi profilati legati tra loro con adeguati tiranti in acciaio, fornisce la
necessaria compattezza alle colonne e ai gioghi.
2
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Classificazione e identificazione dei trasformatori
I trasformatori si classificano principalmente in relazione al numero delle fasi (monofasi o trifasi), al
tipo di impiego (di misura, per l’alimentazione dei circuiti, di potenza, ecc.) e al tipo di raffreddamento.
In particolare i trasformatori trifase possono essere a secco o in olio, con raffreddamento naturale o
artificiale (tabella 1).
Tipo
Immersi in liquido
isolante
(olio minerale o
siliconico)
Raffreddamento
Naturale
Limiti di potenza
nominale
- da circa 20 a 2000 kVA
favorito dai moti convettivi
dell'aria
riscaldata dal calore
prodotto dalla macchina.
Parti attive
immerse
liquido isolante. Il calore - a cassa liscia
prodotto
dalle parti - con radiatori
attive è trasmesso all'olio
e da questo ai sistemi di
dispersione
del calore
Artificiale
- adottato fino
stesso.
massime potenze.
- con aria mossa da ventilatori;
-
alle
ad acqua con scambiatori di
calore all'esterno della cassa
A secco
Naturale
- trasformatori in aria
fino a circa 1000 kVA
(in aria o in resina)
favorito dai moti convettivi
dell'aria
riscaldata dal calore - trasformatori in resina
prodotto dalla macchina.
fino a circa 3000 kVA.
Parti attive
non
immerse in liquido isolante. Il calore è asportato Forzata
tramite
circolazione
tramite ventilatore che muove
dell'aria.
forzatamente la circolazione l'aria.
I trasformatori in olio contenenti una quantità d'olio superiore ai 500 chilogrammi
devono essere provvisti di sistemi di raccolta per evitare eventuali contaminazioni
ambientali (CEI 11-1).
Tabella 1 - Classificazione dei trasformatori in base al sistema di raffreddamento
3
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
I trasformatori in olio e i trasformatori a secco muniti di involucro sono individuati mediante una sigla
composta da quattro lettere (tabella 2). La prima lettera identifica il liquido refrigerante a contatto con
gli avvolgimenti, la seconda lettera il tipo di circolazione dell’olio, la terza lettera il mezzo refrigerante
esterno, la quarta lettera il tipo di circolazione del mezzo refrigerante esterno. I trasformatori a secco
privi di involucro sono invece identificati con due lettere, la prima identifica il mezzo refrigerante a
contatto con gli avvolgimenti e la seconda il modo di circolazione del mezzo refrigerante.
Mezzo
Simbolo
a contatto con gli avvolgimenti
esterno all’involucro
refrigerante
circolazione
mezzo refrigerante tipo di circolazione
O
N
A
N
Olio minerale o liquido
isolante sintetico con
punto di infiammabilità
minore o uguale a 300
°C
Naturale
Aria
Naturale
K
F
W
F
Liquido isolante con
punto di infiammabilità
maggiore di 300 °C
Forzata
Acqua
Forzata
L
D
Liquido isolante con
punto di infiammabilità
Forzata e guidata
A
F
non misurabile
O
Esempio
N
Trasformatore con isolamento in olio, raffreddato internamente dall’olio per circolazione
naturale ed esternamente per mezzo di aria forzata
Tabella 2 – Simboli di identificazione del tipo di raffreddamento dei trasformatori (CEI 14/4-2)
4
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Simbolo
Descrizione
AN (AF)
Raffreddamento in aria a circolazione naturale
(o forzata)
ONAN
Raffreddamento per
dell'olio e dell'aria
circolazione
naturale
ONAF
Raffreddamento per
dell'olio e aria forzata
circolazione
naturale
OFAN
Raffreddamento per circolazione forzata dell'olio
e raffreddamento naturale dell'aria
OFAF
Raffreddamento per circolazione forzata dell'olio
e aria forzata
ODAF
Raffreddamento per circolazione forzata e
guidata
dell'olio
e
raffreddamento
per
circolazione forzata dell'aria
Le due prime lettere indicano il mezzo di raffreddamento interno
in contatto con gli avvolgimenti e il tipo di circolazione, mentre
le altre due lettere indicano il mezzo di raffreddamento e il
tipo di circolazione sull’involucro esterno.
Tabella 3 - Principali tipi di raffreddamento per trasformatori
5
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Principali grandezze nominali
Tensione nominale di un avvolgimento ( Ur) – E’ la tensione che può essere applicata o indotta fra i
terminali di collegamento di un avvolgimento con il trasformatore funzionante a vuoto.
Rapporto di trasformazione nominale – E’ il rapporto fra la tensione nominale di un avvolgimento e
quella di un altro avvolgimento.
Frequenza nominale ( fr) – E’ la frequenza in Hz stabilita in sede di progettazione per un corretto
funzionamento.
Corrente nominale ( Ir) – E’ la corrente che passa per un terminale di linea di un avvolgimento.
Rapporto di trasformazione (m) – E’ il rapporto fra la tensione primaria e la tensione secondaria.
Trafo da 20kV → m =
20000V
= 50
400V
Trafo da 15kV → m =
15000V
= 37,5
400V
Potenza nominale ( Sr) – E’ il valore della potenza apparente fornita dal trasformatore, a specificate
condizioni di servizio, convenzionalmente riferita alla tensione nominale e alla corrente nominale del
secondario. Per un trasformatore trifase è data da:
S r = 3 ×U r × I r (kVA)
100
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
Tabella 4 – Potenza nominale normalizzata in kVA di trasformatori a secco (CEI 14-12)
6
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Tensione di corto circuito (uk) –
E’
il valore di tensione di alimentazione del
primario del
trasformatore quando nel secondario cortocircuitato circola la corrente nominale (Ir). La tensione di
cortocircuito viene data in percento della tensione nominale e per i trasformatori normalizzati assume i
valori di tabella 5.
Tipo di trasformatore
A secco
In olio
Um
12 kV
Potenza
nominale
uk
Potenza
uk
nominale
(%)
24 kV
(%)
< 630kVA
4%
< 630kVA
4
630kVA
4% - 6%
630kVA
4-6
> 630kVA
6%
> 630kVA
6
Potenza
nominale
Qualsiasi
uk
(%)
6
Tabella 5 – Valori della tensione di cortocircuito percentuale dei trasformatori normalizzati
La tensione di cortocircuito percentuale ci permette
di determinare il valore della corrente di
cortocircuito trifase Ik sul lato bassa tensione (valore efficace della componente simmetrica) che
risulta inversamente proporzionale alla uk% stessa (per semplicità e a favore della sicurezza la Ik è
calcolata, trascurando l’impedenza della rete a monte del trasformatore, quando è limitata dalla sola
impedenza interna del trasformatore):
Sr
Ik =
100
uk
Ik =
100
100
Ir =
I r = 25I r
uk
4
3 ×U r
=
100
Ir
uk
Per uk=4%
Per uk=6%
Ik =
100
100
Ir =
I = 16,66 I r
uk
6
7
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
La corrente di cortocircuito può essere ulteriormente incrementata per la presenza di motori i quali
forniscono un contributo di circa 4-6 volte la loro corrente nominale.
Corrente a vuoto I0 – E’ il valore efficace della corrente che percorre il terminale di linea di un
avvolgimento quando la tensione nominale, alla frequenza nominale, è applicata a questo
avvolgimento, con l’altro o gli altri avvolgimenti aperti.
Perdite a vuoto P0 – Sono perdite di potenza localizzate nel circuito magnetico, per questo dette
anche perdite nel ferro, sia nel funzionamento a carico sia a vuoto (nel funzionamento a carico
rimangono praticamente costanti al
variare della corrente, dipendono invece dalla tensione di
alimentazione della macchina che però generalmente corrisponde a quella nominale). Si chiamano
perdite a vuoto perché vengono misurate applicando la tensione nominale, alla frequenza nominale,
ai terminali di uno degli avvolgimenti, mentre l’altro o gli altri avvolgimenti sono aperti.
Perdite a carico Pk – E’ la potenza attiva dissipata sugli avvolgimenti, primario e secondario, del
trasformatore, per questo dette anche perdite nel rame, alla frequenza nominale e alla temperatura di
riferimento, quando circola la corrente nominale attraverso i terminali di linea di uno dei due
avvolgimenti con i terminali dell’altro avvolgimento chiusi in cortocircuito. Le perdite a carico variano
col quadrato della corrente, ma sono riferite alla corrente nominale.
Perdite totali (P0 + Pk) – Sono date dalla somma delle perdite a vuoto e di quelle dovute al carico. I
trasformatori possono essere a perdite normali o ridotte. In tabella 6 sono riportate a titolo di esempio
le perdite normalizzate di trasformatori a secco a perdite normali. Se la corrente non è sinusoidale, le
perdite aumentano, superando quelle corrispondenti alle correnti sinusoidali col medesimo valore
efficace (di conseguenza aumentano anche le sovratemperature nel trasformatore). In questo caso
occorre determinare la potenza nominale equivalente moltiplicando la potenza nominale del
trasformatore riferita alla corrente sinusoidale per un opportuno coefficiente di riduzione che dipende
dall’ordine e all’ampiezza delle armoniche (CEI 14-22 per i trasformatori a secco e CEI 14-17 per
quelli ad olio).
8
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Um
Sr
Pk
P0
Tensione di cortocircuito uk
(kV)
(kVA)
(W)
(W)
(%)
100
2000
440
160
2700
610
250
3500
820
400
4900
1150
630
7300
1500
630
7600
1370
1000
10000
2000
1600
14000
2800
2500
21000
4300
250
3800
880
400
5500
1200
630
7800
1650
1000
11000
2300
1600
16000
3100
2500
23000
5000
12
4
6
24
6
Tabella 6 – Perdite di trasformatori a secco a perdite normali (CEI 14-12)
Rendimento - E’ dato dal rapporto fra la potenza attiva utile al secondario (P2) e la potenza attiva
assorbita al primario (P2 + perdite totali).
η=
P2
P2
=
P2 + perdite totali P2 + P0 + Pk
9
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Il rendimento varia però in relazione al carico, perché cambiano le perdite nel rame, e in relazione al
cosfi, perché cambia la potenza attiva utile. Il massimo rendimento lo si raggiunge con un carico tale
che le perdite nel rame (alla corrente di carico, non di cortocircuito) eguaglino le perdite nel ferro.
Normalmente, in fase di progettazione si fa in modo di suddividere le perdite nel ferro e nel rame per
ottenere il massimo rendimento attorno al 75% della corrente nominale. Per questo è consigliabile
l’acquisto di un trasformatore lievemente sovradimensionato rispetto alle effettive necessità.
Ad esempio, per un trasformatore a secco a perdite normali (tabella 5), Um 12 kV, Sr 400 kVA, uk 4%,
P0 1,15 kW, Pk 4,9 kW funzionante al 75% del carico con un cosfi 0,8, esprimendo il rendimento in
percento, si ha:
η % = 100 ×
P2
P2
= 100 ×
P2 + perdite totali
P2 + P0 + ( Pk × 0,75 2 )
η % = 100 ×
400 × 0,75 × 0,8
= 98,3%
(400 × 0,75 × 0,8) + 1,15 + (4,9 × 0,75 2 )
10
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Descrizione
Unità di misura
Rappresentazione e formule
Tensione primaria
V
U1
Tensione secondaria a vuoto
V
U20
Tensione secondaria a carico
V
U2
Corrente primaria a vuoto
A
I10
Corrente primaria a carico
A
I1
Corrente secondaria
A
I2
Tensione di cortocircuito (a 75°C)
%
Rapporto di trasformazione
---
uk % =
100 × u k
U1
m=
U1
U2
cos ϕ k =
Fattore di potenza in corto circuito
Pk %
u cc %
Potenza nominale apparente
VA
S r = 3 ×U 20 × I 2
Potenza resa
W
P2 = 3 ×U 2 × I 2 × cos ϕ 2
Perdite nel rame
W
Pk = R II eq × I 2 2 = R I eq × I 21
Perdite nel ferro
W
P0 = U 1 × I 1 0 × cos ϕ 0
Potenza assorbita
W
P1 = P2 + Pk + P0
η=
Rendimento
P2
P1
Tabella 7 – Principali grandezze nominali dei trasformatori
11
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Condizioni normali di servizio
Le condizioni ambientali influenzano le prestazioni dei trasformatori. La Norma fornisce quindi
indicazioni sulle condizioni normali di servizio al di fuori delle quali, per situazioni particolari, ci si dovrà
accordare direttamente con il costruttore (CEI14-4/1):
•
Altitudine: fino a 1000 m sul livello del mare.
•
Temperatura ambiente massima: non superiore a + 40 °C in ogni momento (30 °C come
media mensile nel mese più caldo e 20 °C come media annuale);
•
Temperatura ambiente minima:
-
Trasformatori a secco: –25 °C in caso di trasformatori per esterno, –5 °C in caso
di trasformatori per interno;
-
Trasformatori in olio: –25 °C sia per l’esterno sia per l’interno
12
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Trasformatori in liquido isolante
Potenza
a
b
c
Nominale
Altezza
Larghezza
Profondità
(kVA)
(mm)
(mm)
(mm)
50
1500
1200
750
100
1600
1200
750
160
1600
1350
750
250
1750
1400
800
400
1850
1600
1030
13
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
630
1850
1800
1030
1000
2100
2000
1200
1600
2200
2400
1500
2000
2450
2600
1600
2500
2450
2700
1800
Tabella 8 - Dimensioni di ingombro standard dei trasformatori in olio con conservatore
Il tipo di trasformatore più diffuso è sicuramente quello immerso in liquido isolante (tabella 8) anche
perché permette di ottenere tensioni e potenze più elevate. Il liquido isolante più economico, per
questo comunemente utilizzato, è l’olio minerale. A determinate temperature l’olio minerale (tabella 9)
può emettere vapori che possono incendiarsi in presenza di un innesco e se ne sconsiglia quindi
l’impiego in tutti quei luoghi nei quali è maggiore il rischio di incendio. Fino a qualche tempo fa, per
porre rimedio a questo problema, si utilizzava un tipo di olio sintetico non infiammabile (nome
commerciale askarel) contenente policlorobifenili (PCB). La tossicità è la limitata biodegrabilità ne
hanno però consigliato il ritiro dal mercato. Numerosi sono però i trasformatori ancora in servizio
contenenti olio con PCB. Se la concentrazione di PCB nell’olio supera lo 0,005% (o anche 50 ppm,
parti per milione) i trasformatori sono soggetti al DLgs 2009/99 che prevede limitazioni nell’uso e
obblighi particolari per quanto concerne lo smaltimento o la decontaminazione. Al di sotto di tali
concentrazioni non esistono obblighi particolari per l’uso dei trasformatori. Per concentrazioni superiori
a 25 ppm gli oli esausti devono però essere trattati e smaltiti come rifiuti pericolosi (Dlgs 22/97, DLgs
95/92 ). Per migliorare le caratteristiche nei confronti dell’incendio si può utilizzare un tipo di olio
siliconico; più sicuro dell’olio minerale, sempre infiammabile, ma con
una temperatura di
infiammabilità più elevata. I trasformatori in olio, per evitare di sottoporre a pressioni o depressioni non
sostenibili l’involucro, sono dotati di un sistema che permette di controllare le variazioni di volume
dovute alle diverse temperature assunte dal liquido al variare del carico. Il sistema più comune è
quello con vaso di espansione, detto conservatore, collegato al trasformatore e comunicante con
l’atmosfera. mediante un tappo a sifone. Per garantire nel tempo le caratteristiche dielettriche dell’olio,
l'aria che entra nel conservatore deve essere però preventivamente deumidificata. Per impedire
all’umidità presente nell’aria di entrare nell'olio, con conseguente modifica delle proprietà dielettriche,
l’aria viene fatta quindi passare attraverso un apposito filtro contenente un particolare gel, chiamato
silica-gel, in grado di assorbire l’umidità. Il filtro deve essere periodicamente sostituito per evitare
che saturandosi (il livello di saturazione all'umidità è segnalato dal colore assunto dal gel) possa
perdere le sue proprietà. I problemi di manutenzione tipici dei trasformatori in olio con conservatore
sono in parte risolti impiegando trasformatori senza conservatore nei quali il riempimento del liquido
14
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
isolante è eseguito sotto vuoto con estrazione di tutta l'aria interna. Le pressioni e/o le depressioni
interne, causate dalle inevitabili variazioni di volume dell'olio dovute al riscaldamento della macchina,
sono ammortizzate dall’involucro, previsto per sopportare deformazioni elastiche, e/o da un cuscino di
gas interno allo stesso involucro. Un altro tipo di trasformatori a manutenzione ridotta è dotato di con
conservatore con una membrana elastica che separa il liquido dall'aria permettendo le variazioni di
volume dell'olio.
15
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Caratteristiche
isolanti
dei
Esteri
Unità di
misura
Olio minerale
Punto d’infiammabilità
°C
160
300
275
Punto di accensione
°C
170
350
322
°C
280
435
438
MJ/kg
46.0
28,0
31,6
Comportamento all’incendio
--
Infiammabile
Autoestinguente
Infiammabile
Gas fissili
--
Esplosivo
Esplosivo
Esplosivo
Impatto ambientale
--
Contaminante
Neutro
Contaminante
Temperatura
autoaccensione
fluidi
di
Potere calorifico
Olio siliconico
(es. Midel)
Tabella 9 – Caratteristiche indicative di alcuni fra i principali fluidi isolanti impiegati nei trasformatori di
distribuzione
16
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Trasformatori a secco
Quando il circuito magnetico e gli avvolgimenti non sono immersi in un liquido isolante il trasformatore
si dice a secco. I trasformatori a secco possono essere di tipo aperto in aria oppure inglobati in
isolante solido. Quelli di tipo aperto, essendo privi di involucro, sono soggetti all’influenza dell’umidità
e della polvere e quindi devono essere installati e condotti adottando opportune precauzioni. Durante
il funzionamento il movimento ascensionale dell’aria calda evita
il depositarsi della polvere e
l’assorbimento dell’umidità. Se il trasformatore si ferma, raffreddandosi potrebbe assorbire umidità. In
caso di fermate prolungate, prima di rimetterlo in funzione, è bene operare quindi un preriscaldamento
al quale dovrà seguire una indispensabile misura della resistenza d’isolamento. Quelli inglobati in
isolante solido hanno
gli avvolgimenti in media tensione annegati in resina
(l'avvolgimento
secondario non è normalmente inglobato poiché la resina non è sempre in grado di sopportare le
dilatazioni termiche provocate dalle temperature assunte tipicamente dall'avvolgimento secondario).
La resina utilizzata è del tipo epossidico, composto caratterizzato da ottime proprietà dielettriche e
meccaniche, trattata in autoclave sotto vuoto spinto per garantire una perfetta estrazione dell’aria o di
altri eventuali gas. I trasformatori a secco sono in genere installati all’interno di locali, in impianti
utilizzatori interni ai fabbricati dove è necessario abbassare il rischio d'incendio, e funzionano quindi in
condizioni ambientali di servizio ben definite e controllate. E’ comunque possibile installarli anche
all’esterno purché i trasformatori siano adeguatamente protetti mediante involucro nei confronti delle
condizioni climatiche o siano realizzati in base ad uno specifico progetto.
I trasformatori a secco si classificano, in base alle caratteristiche ambientali di installazione, in (tabella
10):
•
classe ambientale - presenza o meno di condensa nell'ambiente;
•
classe climatica - temperatura ambiente;
•
classe di comportamento al fuoco - comportamento nei confronti del fuoco.
17
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Classe
Ambientale
Luogo e caratteristiche di installazione
EO
Assenza di condense e inquinamento trascurabile sul trasformatore
E1
Presenza occasionale di condense (ad es.quando non è alimentato) e di modesto
inquinamento sul trasformatore
E2
Presenza consistente di condense e/o inquinamento intenso sul trasformatore.
C1
All'interno, funzionamento a temperatura ambiente non inferiore a -5 °C, trasporto e
immagazzinamento fino a -25 °C.
C2
All'esterno, trasporto, immagazzinamento
ambiente fino a -25 °C.
Climatica
e funzionamento con temperatura
Rischio d'incendio assente
F0
Ai materiali non è richiesta alcuna particolare limitazione dell’infiammabilità.
Rischio d'incendio presente.
Comporta
mento al
fuoco
F1
Ai materiali si richiede autoestinguenza e limitata emissione di sostanze tossiche e
formazione di fumi opachi.
Rischio d'incendio presente
F2
Ai materiali si richiede autoestinguenza, limitata emissione di sostanze tossiche e
formazione di fumi opachi e capacità del trasformatore di funzionare per un
determinato tempo anche se sottoposto agli effetti di un incendio esterno.
E2
C2
F1
Adatto per essere
installato in ambienti con
formazione di condensa
e/o intenso inquinamento
Adatto per funzionare,
essere trasportato e
immagazzinato con
temperatura ambiente
fino a -25 °C.
Adatto per essere
installato in ambienti a
rischio d’incendio
Esempio (foto
Zucchi
ni)
Tabella 10 – Classe di comportamento ambientale e in caso d’incendio dei trasformatori a secco
18
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Le dimensioni standard dei trasformatori a secco senza involucro sono riportate in tabella 11 (CEI 1412).
Potenza
a
b
c
Nominale
Altezza
Larghezza
Profondità
(kVA)
(mm)
(mm)
(mm)
100
1300
1450
760
160
1400
1550
810
250
1500
1600
850
400
1700
1650
870
630
1850
1850
1000
19
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
1000
2150
2000
1090
1600
2450
2250
1250
2500
2650
2550
1400
Tabella 11 - Dimensioni di ingombro standard dei trasformatori a secco senza involucro
20
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Collegamenti e indice orario del gruppo
I trasformatori possono avere gli avvolgimenti collegati a triangolo, a stella oppure a zig-zag (figura 2)
Figura 2 - Gli avvolgimenti possono essere collegati a triangolo, a stella oppure a zig-zag
Con le lettere dell’alfabeto maiuscole D, Y, Z si indica il tipo di collegamento al primario mentre con le
lettere minuscole d, y, z il tipo di collegamento al secondario. Se al secondario è accessibile il neutro
si aggiunge la lettera minuscola n. Le tensioni primarie sono sfasate in anticipo rispetto alle tensioni
secondarie di un angolo di 30° moltiplicato per l’indicatore del gruppo (indice orario). Così,
esempio, con la sigla Dyn11 (figura 3,
ad
tipo di collegamento più diffuso in Italia) si identifica un
trasformatore con gli avvolgimenti primari a triangolo (D), gli avvolgimenti secondari a stella (y), il
centro stella accessibile (n) e con uno sfasamento angolare in anticipo fra i vettori delle tensioni
primarie e quelli delle tensioni secondarie di 330° (30°x11).
21
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Figura 3 – Sigla identificativa del tipo di collegamento
22
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Variazione del rapporto di trasformazione
Per permettere la regolazione della tensione secondaria in funzione delle eventuali variazioni della
tensione di alimentazione primaria (indicativamente ± 10%), sul primario i trasformatori sono
generalmente muniti di prese che permettono, inserendo o disinserendo spire, una regolazione del
rapporto di trasformazione. A parità di tensione primaria, se si inseriscono spire, aumenta il rapporto di
trasformazione e si riduce la tensione sul secondario, viceversa, se si disinseriscono spire, diminuisce
il rapporto di trasformazione e si eleva la tensione sul secondario. Le prese devono essere specificate
dall’acquirente o, per casi particolari, accordandosi direttamente col costruttore. La Norma 14-34,
riguardante i trasformatori immersi in olio, indica per l’avvolgimento in alta tensione un campo
preferenziale delle prese di ± 2,5 % o ± 2 x 2,5 % (con un massimo di 7 posizioni) e un campo di
regolazione massimo del 15 %. Nei trasformatori in olio le prese sono collegate ad un commutatore
manovrabile solo fuori tensione. Per i trasformatori a secco le Norme (CEI 14-12) specificano che
l’avvolgimento ad alta tensione è normalmente munito di prese, collegate mediante piastrine di
connessione, con un campo di regolazione di ± 2,5 %, oppure ± 2 x 2,5 %, oppure +2x 2,5 % / – 3x
2,5 %. I valori percentuali, in più o in meno, sono relativi al numero di spire primarie inserite o
disinserite. Il segno più indica che si inseriscono spire il segno meno che si disinseriscono spire.
Rumore
I lamierini del trasformatore sono sottoposti ad un campo magnetico che durante un periodo, pari a
20 ms, cambia polarità due volte. Ad ogni periodo, la forza di repulsione che si genera tra i lamierini,
raggiunge il suo massimo due volte facendoli quindi vibrare con una frequenza di 100 Hz. La potenza
sonora che ne consegue, misurata in dB, deve essere contenuta al di sotto di determinati valori. Le
norme (CEI 14-12 e CEI 14-34) stabiliscono, in funzione della potenza nominale, i livelli di potenza
sonora massimi rilevati in assenza di carico, alla frequenza e tensione nominale.
23
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
Cabine MT/bt - Trasformatori
Campi elettromagnetici
Il campo magnetico in prossimità dei trasformatori fornisce usualmente dei valori elevati, soprattutto
nel caso di trasformatori a secco (in resina), meno nei trasformatori isolati in olio nei quali il cassone
funge da schermo. Il campo magnetico causato dal nucleo e dagli avvolgimenti diminuisce
rapidamente con la distanza (con un andamento 1/d3 dove d è la distanza), ma spesso i valori più
elevati sono causati da connessioni mal eseguite sui conduttori del lato BT che non consentono una
cancellazione reciproca delle componenti del campo magnetico (schema a).
Infatti una soluzione che prevede l’intrecciamento delle fasi (schema b), ottiene una ragionevole
attenuazione (17-18 dB consistente in una riduzione del campo magnetico di circa 8 volte). È possibile
attenuare ulteriormente il campo, ad esempio la schermatura del trasformatore tramite un involucro di
alluminio rappresenta una valida misura complementare.
Il rapporto tecnico CEI CLC/TR 50453 (CEI 14-35), pubblicato dal CEI nel febbraio 2008, fornisce una
guida di valutazione dei campi elettromagnetici attorno a trasformatori di potenza aventi una potenza
compresa fra 5 kVA e 1000 kVA.
Mitigazione del campo generato dai trasformatori tramite modifica delle uscite sul lato
secondario; (a) fasi prima dell’intervento, (b) fasi intrecciate
(Rapporto CESI A4523732)
24
Le informazioni contenute nel presente documento sono tutelate dal diritto d’autore e possono essere usate solo in conformità alle norme vigenti. In particolare Voltimum Italia
s.r.l. a socio Unico si riserva tutti i diritti sulla scheda e su tutti i relativi contenuti.
Il materiale e i contenuti presentati nel documento sono stati attentamente vagliati e analizzati, e sono stati elaborati con la massima cura. In ogni caso errori, inesattezze e
omissioni sono possibili. Voltimum Italia s.r.l. a socio Unico declina qualsiasi responsabilità per errori ed omissioni eventualmente presenti nel sito.
