In sostanza, un trasformatore elevatore è un dispositivo utilizzato per aumentare la tensione da una linea in ingresso a un livello richiesto per ulteriori trasmissioni di energia elettrica. Tuttavia, la stessa definizione include anche sovratensione, cioè una situazione anomala in cui la tensione in uscita supera quella nominale a causa di un cambiamento di derivazione improprio o all'allentamento del neutro del sistema elettrico. Anche se ci sono due situazioni descritte nel paragrafo, la loro natura è piuttosto diversa, e potrebbe portare un tecnico alla soluzione sbagliata del problema, come regolare un cambiavalvole quando un neutro aperto è la causa principale. L'obiettivo di questo manuale è fornire una comprensione approfondita di come un trasformatore funzioni come dispositivo di elevazione della tensione, cosa succede alla corrente elettrica e al carico elettrico mentre si aumenta la tensione della linea e quali effetti vengono prodotti di conseguenza.
In breve: Quando un trasformatore aumenta la tensione, la tensione sul lato secondario diventa più alta della tensione sul lato primario secondo il rapporto del numero di spire — Vs/Vp = Ns/Np — mentre la corrente diventa più bassa dello stesso rapporto. Questo perché il trasformatore trasferisce potenza ma non genera potenza. Questo aspetto è la prima e la più importante conseguenza dei trasformatori. Dopo questa prima conseguenza, ci sono altre quattro conseguenze. L'isolamento deve resistere a stress dielettrici aumentati, il che significa che l'avvolgimento che opera a tensioni più elevate deve avere un isolamento migliore. Le apparecchiature resistive ricevono più energia a causa del quadrato della tensione che cresce, il che significa che se la tensione aumenta di 5%, il riscaldamento nelle apparecchiature resistive aumenta di quasi 10%. Una lampadina a incandescenza smetterà di brillare se la tensione supera il livello di tensione consentito. Il nucleo induttore si satura quando la tensione supera di gran lunga il range di progettazione.
Come un Trasformatore Aumenta la Tensione
I trasformatori sono dispositivi composti interamente da componenti fissi e non hanno alcuna connessione elettrica tra i loro avvolgimenti. Funzionano attraverso induzione elettromagnetica; in altre parole, nell'avvolgimento primario c'è una corrente alternata, e quindi un campo magnetico variabile; poi quel campo magnetico variabile crea una tensione nell'avvolgimento secondario. La tensione generata è uguale alla tensione primaria moltiplicata per il rapporto tra avvolgimenti secondari e primari.
La tensione generata nell'avvolgimento secondario di un trasformatore dipenderà dalla relazione tra il numero di spire dei suoi fili e le spire dell'avvolgimento primario. Ad esempio, se le spire di filo nell'avvolgimento secondario sono il doppio di quelle nel primario, sarà corretto affermare che la tensione nella bobina secondaria è anche il doppio della tensione nella bobina primaria. È questa relazione tra il rapporto di spire che conferisce a un trasformatore la capacità di aumentare o diminuire la tensione e che spiega i benefici che tali trasformatori portano, incluso il loro utilizzo in modo inverso.
L'unica limitazione della dimensione e della capacità del trasformatore è determinata dal design del nucleo. La densità del flusso magnetico all'interno del nucleo cresce proporzionalmente con la tensione applicata alla bobina. Pertanto, maggiore è la tensione, più saturo diventa il nucleo. Così, quando il nucleo raggiunge il punto di saturazione, la linea di flusso non può fluire attraverso di esso. Comprendere la costruzione di base che produce questi limiti è il punto di partenza, ed è esposto nella nostra guida a nozioni di base sui trasformatori di distribuzione.
Dove il rapporto è fisso in fase di fabbricazione, il parametro che governa la reale tensione di uscita è il numero di spire nel circuito sulla bobina tappata — il motivo per cui esistono i cambiatori di tappo. Quelle impostazioni e il resto dei dati della targhetta sono oggetto della nostra spiegazione di specifiche del trasformatore, che è dove un acquirente dovrebbe guardare prima di presumere che un problema di tensione sia un difetto.
La Regola della Conservazione: Tensione in Aumento, Corrente in Diminuzione
Il risultato più significativo dell'aumento della tensione è spesso trascurato: la corrente diminuisce.
Un trasformatore ideale trasmette energia senza perdite e quindi il valore della tensione moltiplicato per la corrente sui due lati deve essere identico. Quando la tensione al secondario aumenta, la corrente secondaria che scorre alla stessa corrente al primario diminuisce di conseguenza. In altre parole, se un trasformatore fornisce una corrente di 100 A a 240 V sul lato secondario mentre consuma 200 A a 120 V sul suo lato primario, la potenza su entrambi i lati è uguale poiché non viene prodotta nuova corrente.
| Quantità | Relazione | Conseguenza dell'aumento della tensione secondaria |
|---|---|---|
| Tensione | Vs/Vp = Ns/Np | Aumenta in proporzione al rapporto di spire |
| Corrente | Is/Ip = Np/Ns | Diminuisce in proporzione inversa |
| Potenza | VpIp ≈ VsIs | Inalterato, a parte le perdite |
| Impedenza vista dalla sorgente | Zp = (Np/Ns)² × Zs | Trasformata dal quadrato del rapporto di spire |
La riga di impedenza è importante da considerare perché è la più controintuitiva. Un carico sul secondario sarà visto dalla sorgente non come tale ma moltiplicato per il quadrato del rapporto di spire. Con un aumento dieci volte della tensione, un carico di 1Ω appare come 0.01Ω dal primario. Questo è come avviene l'adattamento dell'impedenza nei circuiti audio e RF ed è esattamente il motivo del fenomeno di un trasformatore elevatore con un certo carico fisso che assorbe una corrente primaria molto più alta di quanto ci si possa aspettare da semplici calcoli.
Nella vita reale, un vero trasformatore non raggiunge la conservazione 100%. Sia le perdite di rame nelle bobine che le perdite nel materiale del nucleo si dissipano sotto forma di calore, motivo per cui l'efficienza è espressa in percentuale piuttosto che assunta come uno e il motivo per cui i trasformatori diventano caldi sotto carico mentre rimangono freschi in un circuito aperto. Le perdite stesse sono tra i meccanismi che alla fine limitano la vita di un trasformatore, un argomento trattato nel nostro articolo su cosa causa i guasti nei trasformatori.
Cosa Succede all'Impedenza e al Carico
La natura del carico connesso governa completamente come il carico connesso reagisce, e quindi il risultato dell'aumento della tensione si trasforma da una specifica di design a una questione di preoccupazione operativa.
| Tipo di carico | Comportamento quando la tensione aumenta | Risultato |
|---|---|---|
| Resistivo (riscaldatori, lampade a incandescenza, bollitori) | La corrente aumenta proporzionalmente; la potenza aumenta con il quadrato della tensione | Riscaldamento aumentato; la vita della lampada diminuisce drasticamente |
| Motori (induzione) | La coppia aumenta, ma anche la corrente di magnetizzazione e le perdite nel nucleo; il motore può funzionare più fresco in corrente ma più caldo nel nucleo | Riduzione del prelievo di corrente ma aumento delle perdite magnetiche; surriscaldamento se la tensione è ben al di sopra del nominale |
| Alimentatori elettronici | Molti sono regolati e tollerano un intervallo; quelli che non lo sono possono guastarsi | Dipende interamente dall'intervallo di ingresso; le alimentazioni non regolamentate sono vulnerabili |
| Banchi di condensatori | L'uscita reattiva aumenta con il quadrato della tensione | Sovracompensazione e ulteriore aumento della tensione; possibile risonanza |
| Trasformatori | La densità di flusso del nucleo aumenta; saturazione e generazione di armoniche oltre il punto di progetto | Surriscaldamento, distorsione armonica, rumore udibile |
| Elettronica con alimentatori a commutazione | Di solito ampio intervallo di ingresso (100-240 V), quindi tollerante | Poco effetto all'interno dell'intervallo nominale |
La fila resistiva contiene un'osservazione interessante. Nel carico resistivo, la potenza è correlata al quadrato della tensione. Pertanto, qualsiasi sovratensione come 5% corrisponderà a circa 10% di calore prodotto in più. Nel caso di un elemento riscaldante, ciò significa una vita molto più breve dell'elemento e costi energetici più elevati. Tuttavia, riguardo alla lampada a incandescenza, significa una vita ancora più breve a causa della forte dipendenza della vita dalla sovratensione. Questa è anche la ragione dell'importanza della regolazione della tensione per le utility, poiché c'è un costo reale, misurabile e crescente per gli utenti a causa della sovratensione.
La fila dei motori è più sottile di quanto sembri a prima vista. Quando il motore riceve più tensione, consuma meno corrente con la stessa potenza meccanica, il che sembra una cosa positiva, ma rispetto al circuito magnetico la situazione è piuttosto diversa. Il motivo è che l'aumento della tensione fa aumentare le perdite nel nucleo, il motore si surriscalda internamente nonostante la diminuzione della corrente e a tensioni molto elevate inizia la saturazione del ferro.
Gli effetti fisici di tensioni più elevate
Oltre all'effetto sui carichi, gli aumenti di tensione mettono anche sotto stress il trasformatore in quattro modi.
- Stress sull'isolamento. Lo stress sull'isolamento aumenta con l'aumento della tensione e, man mano che lo stress sull'isolamento aumenta, la vita utile dell'isolamento diminuisce. Di conseguenza, un trasformatore con una tensione di avvolgimento più alta deve avere anche un livello di isolamento di base più elevato; inoltre, per lo stesso motivo, la tensione di impulso di fulmine diventa uno degli elementi nella specifica e non un dettaglio.
- Scarica parziale. Quando lo stress è sufficientemente elevato, un vuoto o un difetto all'interno dell'isolamento può iniziare a scaricarsi, portando a un deterioramento graduale di quel materiale. La scarica parziale funge da precursore di un guasto ma non è un guasto in sé, ed è uno degli effetti collaterali dell'overvoltage.
- Saturazione del nucleo e armoniche. Quando un nucleo viene spinto oltre la sua densità di flusso magnetico progettata (il materiale e la configurazione del nucleo determinano il livello di flusso magnetico che il nucleo può sopportare), la corrente di magnetizzazione diventa distorta e inizia a contenere alcune armoniche dispari che portano a perdite aumentate, temperatura aumentata e possono causare risonanze altrove nel sistema.
- Aumento del rumore udibile. La magnetostruzione–il cambiamento dimensionale del nucleo a causa della magnetizzazione–aumenta anche con l'aumento della densità di flusso; quindi, un trasformatore in overvoltage produce un suono udibile significativamente maggiore rispetto allo stesso trasformatore a livelli di tensione normali.
Questi quattro fenomeni hanno la caratteristica comune che rende l'overvoltage pericoloso: sono cumulativi e praticamente invisibili. Accade che un trasformatore in overvoltage non dia segni di problemi, invecchia solo più rapidamente e il guasto si verifica prima del previsto.
Aumento di tensione non intenzionale: le cause
Ci sono quattro motivi principali per cui i livelli di tensione saranno eccessivi oltre a essere deliberatamente aumentati.
| Causa | Meccanismo | Come riconoscerlo | Risposta |
|---|---|---|---|
| Impostazione errata del cambiavalute | Il cambiavalute è impostato per una tensione di alimentazione diversa da quella presente | Offset coerente e prevedibile su tutti i carichi; presente in ogni momento | Ripristinare il cambiavalute per corrispondere all'alimentazione effettiva; verificare con una misurazione |
| Neutro perso | Il riferimento neutro fluttua, quindi la tensione si divide tra le fasi in base all'impedenza del carico | Le tensioni su due fasi si sommano alla tensione di linea totale; alcuni carichi vedono alta tensione mentre altri vedono bassa | Emergenza: isolare e trattare come un guasto di alimentazione |
| Effetto Ferranti | Su una linea lunga e leggermente caricata, la corrente di carica capacitiva aumenta la tensione all'estremità ricevente sopra la tensione all'estremità di invio | La tensione aumenta man mano che il carico diminuisce; peggio di notte o in periodi di bassa domanda | Compensazione reattiva, o accettarla se entro i limiti |
| Risonanza della batteria di condensatori | I condensatori di correzione del fattore di potenza risuonano con l'induttanza del sistema, amplificando la tensione a una frequenza armonica | Distorsione e aumento di tensione correlati con l'attivazione dei condensatori | Detune o ritune la batteria; indagare sulle armoniche |
| Ritorno di alimentazione da PV o generazione | La generazione incorporata aumenta la tensione al punto di connessione durante l'esportazione | La tensione aumenta quando la generazione è alta e il carico locale è basso | Regolazione del punto di prelievo del trasformatore, regolazione della tensione o limitazione dell'esportazione |
La causa più semplice è un interruttore di prelievo difettoso. Se l'interruttore di prelievo è impostato in modo errato, il trasformatore fornirà la tensione prevista tutto il tempo, e la soluzione consisterebbe nel reimpostarlo correttamente dopo aver scoperto la vera tensione di ingresso invece di utilizzare il valore nominale della tensione. Nel contesto degli interruttori di prelievo, esistono interruttori di prelievo off-circuit (possono essere impostati solo quando il trasformatore non è energizzato) e interruttori di prelievo on-load che possono consentire di eseguire la loro operazione sotto carico e funzionano tipicamente in conformità con un relè di regolazione della tensione.
L'effetto Ferranti è un'altra causa che presenta una sorpresa. Si basa sul fatto che una linea di trasmissione o di alimentazione a lunga distanza ha una capacità distribuita lungo la sua lunghezza, e quando la linea stessa non è molto caricata, la corrente capacitiva che attraversa l'induttanza della linea farà aumentare la tensione invece di diminuirla. La natura dell'effetto è proporzionale alla lunghezza della linea e inversamente proporzionale alla capacità di carico, il che significa che l'effetto è più severo nel caso di linee lunghe e carichi bassi, ed è per questo che un problema di caduta di tensione può verificarsi di notte piuttosto che quando il consumo è più elevato.
Il caso del neutro perso
Questa mancanza di profondità è la ragione per cui potrebbero non esserci distinzioni generali tra questa causa e altre ragioni simili, poiché la risposta è di natura diversa, ossia una crisi piuttosto che un aggiustamento.
Nel caso di un'alimentazione a fase divisa, il punto centrale del trasformatore fornisce il neutro, che mantiene entrambe le tensioni linea-neutro ai loro livelli normali. Se la connessione neutra è allentata, corrotta o aperta in qualsiasi punto, come al trasformatore, nella caduta di servizio, al weatherhead, alla base del contatore o nel pannello, il riferimento viene perso. I due conduttori di linea più i carichi collegati tra di loro e il neutro sono in serie per l'intera tensione di linea, e la tensione è distribuita a seconda delle impedenze dei carichi su entrambi i lati.
L'effetto risultante è che una tensione aumenta da un lato e diminuisce dall'altro lato. Pertanto, i carichi nel ramo leggermente caricato assorbiranno tensioni quasi uguali alla tensione di linea completa, mentre i dispositivi nel ramo pesantemente caricato noteranno quasi nessuna variazione di tensione. Le differenze di tensione sono dovute alla natura degli apparecchi elettrici, poiché ogni volta che un dispositivo elettrico viene acceso, l'equilibrio viene alterato. Il sintomo chiave è dispositivi bruciati da un lato e dispositivi sottoperformanti sul lato opposto in parallelo.
È per questo che un neutro perso dovrebbe essere considerato un'emergenza dell'alimentazione e non un problema di regolazione. Le disposizioni protettive che limitano i danni in tali eventi e il ruolo del neutro nello schema di messa a terra sono trattati nella nostra guida a basi della messa a terra dei trasformatori.
Come viene controllata la tensione
Il controllo della tensione è integrato nel sistema in più fasi poiché sia le variazioni di tensione previste che quelle impreviste sono importanti.
- Cambiatori di derivazione. I cambiatori di derivazione fuori circuito impostano il rapporto di tensione e i cambiatori di derivazione sotto carico cambiano il rapporto senza interrompere il circuito elettrico sotto la supervisione del regolatore automatico di tensione.
- Regolatori automatici di tensione e compensatori. Misurano la tensione nel sistema e cambiano la derivazione per mantenere la tensione nell'intervallo con zona morta per evitare il hunting.
- Compensazione reattiva. I condensatori e i reattori regolano l'energia reattiva che causa variazioni di tensione a causa del carico, la batteria detuned elimina il problema della risonanza.
- Voltage measurements and protection. The overvoltage relay breaks the circuit or indicates the occurrence of the voltage level outside the acceptable range—last opportunity for voltage protection.
- Surge arrestors. They eliminate overvoltage coming from lightning and switching action and do not allow the insulation to operate beyond its impulse level.
- Proper calculation in the beginning. Choosing the transformer of the needed insulation class and impedance as well as the tap changing range for real supply conditions prevents most of the issues described in this article because this is the reason why the specification is the most important step.
For a site installing or replacing a distribution transformer, the practical step is to specify against the measured supply voltage and the expected load profile rather than against nominal figures. Our gamma di trasformatori di distribuzione illustrates the parameters that should be pinned down — rated voltages, tap range, impedance, insulation level and cooling class — because each of them determines how the unit behaves when the supply is not exactly nominal.
Voltage Limits and Standards
Utilities don’t attempt to keep voltage consistent; instead, they keep it within a band and the extent of that band defines what kind of variations equipment can withstand.
In North America, the main specification used is ANSI C84.1, which specifies for example the so-called Range A utilities (roughly ±5% of nominal) as a range within which equipment is expected to work and which is referred to as Range B or (approximately ±5.5%) range that is expected to be tolerated but not sustained. If we take 120 V service we get roughly 114-126 V for Range A and if we take 240 V services we get roughly 228-252 V.
In Europe, EN 50160 specifies the voltage characteristics of voltage in use and which states nominal voltage of 230 V and allowed variations in the surrounding space about ±10% during most of the time and also with the restrictions on harmonics, flicker and unbalance. Able equipment in the circuits designed for the European market will be able to work with these band characteristics of the voltage.
Practically this means that nominal voltage is probably a more exactly defined mean of the voltage which is required from the transformer. The transformer should be chosen in such a way that it provides correct voltage (nominal voltage) at some point in the band of available supply voltage and for the insulation to work normally at the top level of this band and for the load to be compatible with calculating this variation. In case something is happening in the supply and if some company’s supply has always been near a band edge, it would be better to adjust tap.
FAQ
How does a transformer increase the voltage?
Utilizing electromagnetic induction and turns ratio for an electric transformer. It generates a magnetic field in the magnetic core through the process of inducing current. In case the secondary winding of the transformer has more turns than the primary winding, the voltage induced is proportionately high, meaning that the ratio Vs/Vp = Ns/Np applies. There is no logical connection between the branches and energy is not produced and thus the transformer performs the transfer of electrical power in a different circuit with an alteration of voltage – current ratio at the same time.
What would cause a transformer to have high voltage?
There are four main reasons. A tap changer that is incorrectly adjusted will give rise to a constant voltage shift regardless of the situation and can be corrected by resetting the tap based on the supply voltage measured. An interrupted neutral will cause the floating of the reference neutral thus resulting in a rise of voltage in one phase but a fall in another, meaning it is a supply emergency instead of adjustment. Ferranti effect will result in an increase of the receiving end voltage due to capacitive charging in long unloaded lines, reaching the peak in minimal loading. The resonance of the capacitor bank and the inductiveness of the system will boost the voltage. The embedded generator project will export power in unloaded systems as well making it a more frequent cause of voltage rise nowadays.
What happens if the voltage increases?
The scenario can be described as follows: In the case of a transformer operating under a constant load under which the current rises, the current will be inversely proportional for this load as a transformer can provide power without generating it. Constant loads will consume power as resistive load obtaining approximately 10 percent more heat under 5 percent overvoltage. Power varies in direct proportion to voltage in the power square; therefore, resistive load will make heating element life less. Core losses in motors and magnetising current increase while running current smay decrease, therefore motor will be hotter centrally. Insulation will be under greater electric voltage and will undergo wear faster, therefore with prolonged overloading there are chances of getting through the discharges. Saturation takes place in transformers and motors, so they generate harmonics as well as heat. And in any case, the transformer behind the affected one will have louder humming at high flux density.
How does a transformer affect voltage?
The electrical transformer manages the proportion of voltages in the primary and secondary circuits through the turns ratio, and in this mechanism, it performs three major functions. First, the transformer steps up or steps down the voltage, depending on which circuit has a bigger number of turns. Next, it performs voltage regulation not too well, because when the load increases, the output voltage decreases due to the drop in impendant voltage in relation to current value, which is expressed in the percentage of impedance on the nameplate. Finally, the transformer has taps to regulate voltage either off the circuit during installation or when the relay comes to operate. The voltage at the output of the transformer will depend not only on its operation but also on the load profile and state of supply network.
Does raising the voltage reduce losses?
The answer depends on where the losses are taken into account, either in the transmission line or at the receiving end. For any fixed amount of power, increasing the voltage lowers the current, and the resistive losses in a conductor depend on the square of the current, thus leading to significant decrease in the transmission losses. However, this effect takes place only in the transmission part of the line. Once the voltage is increased when the power is being consumed, the resistive load will be consuming more power and increasing the losses in the load. It is important to distinguish between these two conditions; therefore, high voltage can be regarded as efficient in transmitting the power and at the same time overvoltage leads to energy losses and even shorter service lifetime of the equipment used.
Riferimenti
- IEEE — Transformer Loading and Insulation Coordination Standards
- International Electrotechnical Commission — IEC 60076 Power Transformers and IEC 60038 Standard Voltages
- ANSI — ANSI C84.1 Electric Power Systems and Equipment Voltage Ratings
- CENELEC — EN 50160 Voltage Characteristics of Electricity Supplied by Public Networks
- U.S. Department of Energy — Power Quality and Distribution System Guidance
Conclusione
When it comes to increasing the voltage in a transformer, it is evident that the output voltage will be dependent on the winding ratio. The output current will also decrease at the same ratio as the voltage increase due to the fact that transformers transfer power instead of generating it. After encountering the higher output voltage, the next step is to consider what effect it will make in the equipment operated with it. Resistive installations will require more power with voltage squared and produce more heat. Motors will operate with less current and increased core losses. Higher voltage will result in more quick ageing of insulation, more noise, and excessive harmonics if the voltage exceeds its threshold value. When it comes to the increase generation of this high voltage, the whole system is designed according to these pack of parameters like insulation, winding ratio, and tap. When the generation of high voltage is unintentional, its root cause determines what solution to apply. For instance, switching the faulty tap back to default or compensating for Ferranti effect.