I trasformatori a secco sono riempiti d'olio per ridurre il surriscaldamento — Vero o Falso?

Gli autori mettono in discussione le proprie affermazioni. Le loro opinioni sui trasformatori dry non possono essere giustificate. Poiché questi tipi di trasformatori non contengono liquidi, il trasformatore è composto da avvolgimenti e nucleo sostenuti dall'aria ambiente. I materiali isolanti utilizzati nel caso dei trasformatori dry sono solidi, ovvero materiali impregnati di resina epossidica o avvolgimenti impregnati a pressione sotto vuoto. È presente un liquido nei trasformatori immersi nell'olio e pertanto i requisiti di progettazione per i trasformatori dry non possono essere applicati ai trasformatori immersi nell'olio. Di conseguenza, l'affermazione principale del documento è che il processo utilizzato nell'articolo non è adatto al tipo di attrezzatura a cui è applicato.

In conclusione, l'esito è sfavorevole. Pertanto, con l'inclusione di un sistema di raffreddamento a base di olio, un trasformatore di tipo dry si trasforma in uno riempito di liquido. Il raffreddamento avviene tramite aria, sia naturale (cioè atmosferica) che meccanica (cioè forzata). Secondo la IEC 60076-11, ci sono diversi tipi di isolamento termico (Classe A (105 °C), Classe E (120 °C), Classe B (130 °C), Classe F (155 °C), Classe H (180 °C), Classe N (200 °C) e Classe C (220 °C)) con i loro limiti che dipendono dalle caratteristiche ambientali della classe.

L'Affermare, e Perché È Sbagliato

La parola “secco” non ha nulla a che fare con la fraseologia di marketing, ma riguarda i trasformatori con elementi di raffreddamento e isolamento che non sono liquidi. La IEC ha emesso la IEC 60076 -11 relativa ai trasformatori secchi e afferma che le unità sono in grado di lavorare a una potenza di 2500 kVA e a una tensione di 36 kV. Il termine “secco” utilizzato qui implica che non ci sia nulla di liquido.

La confusione in questa materia sorge perché entrambi i tipi di trasformatori possono apparire simili in termini di aspetto, posizione nelle sottostazioni e condividono gli stessi produttori. Entrambi i tipi di trasformatori sono in grado di convertire l'energia elettrica da una forma all'altra attraverso il nucleo in metallo e le bobine di rame. Ciò che distingue i due è il fatto che i trasformatori di potenza utilizzano olio, mentre il trasformatore secco utilizza solo aria come mezzo di isolamento e raffreddamento.

Le due famiglie vengono solitamente confrontate esattamente sui criteri che questo mito capovolge, e dove i trasformatori di tipo dry e quelli immersi nell'olio differiscono genuinamente si riduce al mezzo di raffreddamento, carico di incendio, ingombro, regime di manutenzione e dove l'unità è consentita essere installata — non a quale dei due contenga olio.

Cosa Raffredda Effettivamente un Trasformatore di Tipo Dry

L'aria è principalmente responsabile di rendere i tipi dry inferiori in termini di aumento massimo della temperatura rispetto alle unità riempite d'olio con valutazioni di capacità identiche.

• Prestazioni termiche. La conducibilità termica dell'aria è stimata essere approssimativamente 0,026 W/m·K. D'altra parte, la conducibilità termica dell'olio per trasformatori è di circa 0,12 W/m·K, il che significa che l'olio ha prestazioni termiche quattro o cinque volte superiori rispetto all'aria. Questo singolo dato illumina le differenze tra i gruppi di specie.
• Metodi di raffreddamento. L'aria naturale (AN) esegue il raffreddamento solo attraverso convezione, mentre l'aria forzata (AF) richiede l'installazione di ventilatori che producono un aumento delle prestazioni di raffreddamento a breve termine. Un'altra alternativa, che è un tipo ibrido, è conosciuta come ANAF e significa raffreddamento ad aria naturale a carico normale e raffreddamento attraverso l'uso di ventilatori a carico massimo. Si noti che l'installazione di set di ventilatori rende tale tipo più rumoroso e aumenta la manutenzione, il che deve essere evidenziato quando qualcuno afferma di puntare solo su AF a causa dei suoi presunti vantaggi.
• Spazio libero e circolazione dell'aria. La maggior parte dei produttori raccomanda di garantire almeno 300 mm di spazio libero dalle pareti per il raffreddamento ad aria naturale o di ridurre lo spazio libero minimo a circa 150 mm quando si utilizza il raffreddamento ad aria forzata. Il dato sopra deve essere considerato quando si pianifica l'installazione dell'attrezzatura, poiché le raccomandazioni di fabbricazione formulano limiti chiari.
• La pulizia è cruciale per l'efficacia del raffreddamento poiché la presenza di polvere sugli avvolgimenti e nei passaggi di raffreddamento può portare a perdite di efficacia che raggiungono il 15-30%. È per questo che i programmi di manutenzione periodica dei tipi asciutti prevedono una pulizia regolare, mentre i corrispondenti a olio non forniscono né raccomandazioni né requisiti.
• L'altitudine e i parametri ambientali hanno effetti negativi sul funzionamento del raffreddamento.

Il metodo di raffreddamento diventa anche la convenzione di denominazione nel datasheet, e le unità a tipo umido utilizzano le stesse lettere in modo diverso — il confronto della tecnologia di raffreddamento tra i tipi di trasformatori, inclusi i varianti a olio forzato, è esposto in questa panoramica di metodi di raffreddamento dei trasformatori, che è un riferimento utile quando una specifica cita ONAN, ONAF o OFAF e hai bisogno di sapere a cosa si impegnano le lettere per il fornitore.

Classi di isolamento e limiti di aumento della temperatura

Qui è dove la classificazione di un trasformatore a secco diventa rilevante, quindi la precisione è cruciale. Non c'è olio che possa aiutare a dissipare il calore, quindi il sistema di isolamento solido deve resistere alle temperature per cui è progettato; la IEC 60076-11 delinea sia la classe di isolamento che l'aumento massimo di temperatura consentito in relazione alla temperatura ambiente.

• Classe A (105 °C) — aumento della temperatura degli avvolgimenti di 60 K. Attrezzature più vecchie.
• Classe E (120 °C) — 75 K. Questo non è molto comune oggi.
• Classe B (130 °C) — 80 K. Spesso utilizzato in applicazioni generali.
• Classe F (155 °C) — 100 K. Questo è ciò che viene tipicamente utilizzato per applicazioni di distribuzione.
• Classe H (180 °C) — 125 K. Utilizzato in condizioni operative più impegnative con carichi più elevati.
• Classe N (200 °C) — 135 K. Questa classe è utilizzata in applicazioni speciali.
• Classe C (220 °C) — 150 K. Ampiamente utilizzato in Nord America in installazioni VPI di tipo secco; a 150 K, la temperatura del punto caldo a carico nominale supera i 210 °C.

In confronto, un trasformatore immerso in olio conforme agli standard IEC 60076-2 e ANSI con un aumento massimo della temperatura di 65 K e un aumento medio dell'olio superiore ritenuto non superiore a 55 K mantiene una temperatura del punto caldo di 78 °C sopra il livello ambientale. L'olio non è presente per raffreddare il trasformatore, ma piuttosto per raggiungere un'efficienza sufficientemente alta nel processo di rimozione del calore e fornire isolamento dielettrico tra i turni conduttori e gli avvolgimenti successivi.

Questo è importante per gli affari nel contesto dell'invecchiamento termico. L'equazione di Arrhenius afferma che la vita dell'isolamento si dimezza ogni aumento di temperatura di 10 °C mantenuto. Pertanto, un trasformatore di tipo secco che supera il punto caldo di 20 °C perderebbe non solo una frazione della sua vita utile, ma la maggior parte di essa, con il suo malfunzionamento che si manifesta nell'insuccesso dell'isolamento molto dopo il guasto, piuttosto che dare indicazioni in anticipo. È anche per questo che la costruzione degli avvolgimenti e il sistema di isolamento, non l'involucro, decidono cosa un trasformatore di tipo secco può effettivamente sopportare, e il dettaglio a livello di componente dietro a ciò è esplorato in cosa si trova all'interno di un trasformatore di tipo secco e perché ogni parte è importante.

Tre Costruzioni, Tre Prodotti Diversi

Con “tipo secco” che non è una distinzione autonoma ma più un concetto ombrello, possiamo vedere che le tre varietà principali si comportano in modo sufficientemente diverso da non poter essere utilizzate in modo intercambiabile.

• Resina di colata. In termini di base, incapsuliamo gli avvolgimenti in resina sotto vuoto, formando un corpo solido di isolamento, con buone proprietà meccaniche e una grande resistenza all'acqua, alla polvere e all'aggressione chimica. La scarica parziale diventa un problema importante qui poiché il guasto in genere inizia nei solidi a causa di vuoti, ed è per questo che l'organizzazione IEC 60076-11 rende obbligatoria la prova di scarica parziale. Questo è tipico per la rete di distribuzione interna.
• Metodo di resina incapsulata e VPI. In questa tecnica, invece di realizzare un avvolgimento utilizzando il metodo di colata, lo impregniamo prima con resina in una camera a vuoto ad alta pressione, ottenendo un sistema di isolamento robusto di classe H o classe C con una buona tolleranza ai sovraccarichi. Questo metodo è diventato abbastanza comune negli Stati Uniti, specialmente nei lavori di retrofitting.
• Tipo aperto o ventilato. Qui l'avvolgimento è semplicemente racchiuso in una copertura mentre si affida al flusso d'aria e di solito a una classe di isolamento più alta in generale. Questo metodo di solito non è così costoso e i livelli di protezione raggiungono IP20 o IP23.

La classificazione dell'involucro non dipende dalle preferenze dei proprietari, ma dal tipo di ambiente in cui l'unità è utilizzata: ad esempio, la classificazione IP00 sarebbe utilizzata nel caso di avvolgimenti aperti collocati in una stanza appositamente designata, IP20 sarebbe nel caso di installazione all'interno di una stanza chiusa. Un prodotto rappresentativo in questo spazio è il Trasformatore di distribuzione a secco della serie SCB in resina colata per sistemi 6–10 kV, dove l'avvolgimento incapsulato in epossidica, la classe di isolamento specificata e il nucleo a bassa perdita sono i parametri che decidono l'idoneità piuttosto che il solo valore kVA.

Dove vengono utilizzati i trasformatori a secco e perché il mito persiste

Il motivo per cui vengono utilizzati i trasformatori a secco è la sicurezza. L'assenza di liquido implica che non ci saranno perdite d'olio, nessun contenimento bunded, nessuna vasca di contenimento dell'olio, nessun carico di incendio di centinaia di litri di liquido in fiamme all'interno dell'edificio e nessun requisito per test periodici dell'olio. Questo rende possibile utilizzarli all'interno, vicino alle aree di lavoro, nei tunnel, su piattaforme offshore, così come all'interno dei data center.

Gli esempi di applicazione includono:

• Data center e strutture IT, comprese le sale a media tensione, gli isolatori UPS e i riduttori PDU, luoghi in cui non c'è possibilità di recupero da un incidente di perdita d'olio.
• Ospedali, aeroporti, centri commerciali, grattacieli, ecc. dove, a causa delle restrizioni sulla strategia antincendio, non è possibile utilizzare trasformatori riempiti d'olio vicino alle persone.
• Settore delle energie rinnovabili dove le applicazioni di nacelle, torre o inverter step-up potrebbero essere giustificate a causa dell'accesso costoso alla manutenzione e del volume di contenimento limitato.
• Impianti industriali e utility dove le conseguenze di una perdita d'olio potrebbero essere considerate pericolose e dove sarebbero necessarie misure di sicurezza.
• Sottostazioni urbane e sotterranee dove l'impronta e il rischio di incendio sono questioni essenziali e il trasformatore a secco può essere utilizzato dove un trasformatore a olio necessiterebbe di una stanza protettiva antincendio specificamente attrezzata con classificazione antincendio.

I progetti reali in questo ambito sono solitamente specificati sulla stessa logica, e un'installazione consegnata offre una migliore percezione rispetto a una scheda dati — per esempio, i trasformatori a secco forniti per un progetto di alimentazione duale in Pakistan mostrano il modello: alimentazioni duali, installazione interna, nessun contenimento dell'olio e uno schema di protezione costruito attorno al trasformatore piuttosto che attorno al rischio del trasformatore stesso.

Il mito deriva da tre fonti.

• Prodotti sinonimi. Quasi tutti i produttori commercializzano entrambi i tipi, e i prodotti raffreddati ad olio spesso occupano il primo posto nel catalogo poiché si dimostrano meno costosi in utilizzo. Pertanto, la persona che sfoglia il catalogo vedrebbe il termine olio e presumerebbe che tutti i prodotti presentati insieme ad esso siano quelli raffreddati ad olio.
• Confusione dei termini veri. Parole come ONAN e ONAF descrivono i tipi di raffreddamento, e le stesse lettere sono presenti nei trasformatori di tipo secco con un significato diverso. Ad esempio, “AN” significa aria naturale nel caso dei trasformatori di tipo secco.
• La confusione è funzionale e non cosmetica. I trasformatori raffreddati ad olio effettivamente performano meglio in termini di prevenzione del surriscaldamento, il che rende vera la frase “l'olio previene il surriscaldamento” se applicata all'altra famiglia di trasformatori. L'errore qui è il fatto che questa affermazione è attribuita al tipo di trasformatore sbagliato.

Cosa controllare prima di acquistare

Cinque fattori contribuiscono in modo significativo e tutti dovrebbero essere presenti nella scheda dati piuttosto che discussi in dettaglio durante le trattative di vendita.

• Classificazione dell'isolamento e aumento della temperatura. La Classe F con 100 K e la Classe H con 125 K sono due prodotti diversi pur possedendo la stessa kVA. Assicurati dell'esistenza sia della classe che del livello di aumento della temperatura, e assicurati delle condizioni di temperatura ambiente.
• Condizioni di raffreddamento e presenza di ventilatori. AN, AF o ANAF sono inclusi, così come il livello di rumore per un dispositivo situato vicino all'area occupata.
• Classificazione IP dell'involucro e il suo effetto sulla valutazione continua presso le strutture del sito.
• Perdite e valutazione dell'efficienza. Le perdite a vuoto e le perdite a carico formano il costo operativo durante l'intero periodo di funzionamento. Sono inoltre soggette a regolamenti in alcuni paesi, poiché ad esempio, la GB/T 10228-2023 prevede le definizioni delle classi di efficienza in Cina, mentre i regolamenti ErP Tier 2 controllano la qualità del prodotto nel mercato europeo.
• Requisiti di certificazione. La IEC 60076-11 è uno standard accettato a livello internazionale e la UL 1562 è uno standard per trasformatori di tipo secco a uso generale e di potenza utilizzati in Nord America.

Una parola importante sul prezzo: i trasformatori di tipo secco sono solitamente più costosi dei trasformatori a olio dello stesso tipo e il motivo è che non utilizzano olio. In generale, sono molto più economici per l'intero periodo di installazione e più costosi nella fase iniziale.

Domande frequenti

I trasformatori di tipo secco sono riempiti di olio?

No. Non ci sono mezzi liquidi nei trasformatori di tipo secco per scopi di raffreddamento o isolamento. Invece, i trasformatori di tipo secco si affidano all'aria per il raffreddamento, sia attraverso il raffreddamento naturale come nei trasformatori di tipo AN, sia attraverso il raffreddamento artificiale come nei trasformatori di tipo AF. Utilizzano anche materiali di isolamento solidi come l'isolamento in resina epossidica colata o avvolgimenti impregnati di resina. La norma IEC 60076-11 tratta dei trasformatori di tipo secco, valida per trasformatori con potenza nominale di 2500 kVA e tensione nominale di 36 kV.

Perché i trasformatori di tipo secco hanno limiti di aumento di temperatura inferiori rispetto a quelli immersi nell'olio?

È noto che l'aria è un conduttore di calore molto peggiore rispetto all'olio. Con una conducibilità termica di 0,026 W/m·K per l'aria rispetto a circa 0,12 W/m·K per l'olio isolante, il trasformatore secco non è in grado di dissipare rapidamente il calore in eccesso dalle bobine. Affinché l'isolamento rimanga sufficientemente buono durante l'intero periodo di utilizzo di 30 anni, è necessario che la temperatura delle bobine non aumenti troppo rapidamente: 60 K nel caso dell'isolamento di classe A e 150 K dell'isolamento di classe C, specificati nella norma IEC 60076-11. Con il trasformatore a olio, è stato osservato che la temperatura delle bobine aumentava di 65 K mentre la temperatura dell'olio aumentava di 55 K.

Come fa un trasformatore di tipo secco a raffreddarsi senza olio?

Il trasferimento di potenza avviene attraverso tre forme. La trasmissione dalla bobina all'isolamento solido può avvenire attraverso conduzione, dal contenitore all'aria ambiente attraverso convezione e attraverso radiazione dal contenitore. La convezione naturale (AN) è sufficiente per quasi tutte le applicazioni in cui c'è spazio sufficiente affinché questo processo avvenga a circa 300 mm da qualsiasi parete o 150 mm quando viene utilizzato il raffreddamento forzato. Per soddisfare i requisiti di capacità aumentati mantenendo le stesse dimensioni di base dell'unità, vengono installati ventilatori (AF) o installati con la condizione che funzionino solo quando necessario (ANAF). In termini di manutenzione, la copertura di polvere delle bobine e dei canali di raffreddamento ridurrebbe l'efficienza dei sistemi del 15-30%.

Qual è migliore, un trasformatore di tipo secco o un trasformatore immerso nell'olio?

Nessun tipo di trasformatore è generalmente preferito; invece, sono realizzati per diverse applicazioni. Se la sicurezza antincendio, l'installazione al chiuso, la prossimità alle persone, la sicurezza ecologica e la difficile manutenzione ne impediscono l'uso (come nel caso di centri dati, ospedali, edifici alti, tunnel, sottostazioni offshore e urbane), dovrebbe essere utilizzato il trasformatore di tipo secco. Il trasformatore riempito d'olio deve essere selezionato se è necessario un basso costo per kVA, un funzionamento ad alta temperatura, un'installazione all'aperto in un'area contenuta, o una facile manutenzione dell'olio, che è solitamente richiesta per grandi impieghi di distribuzione e trasmissione all'aperto. I tipi di trasformatori non sono mutuamente esclusivi; infatti, è comune che un sito utilizzi trasformatori ad olio nelle sottostazioni in ingresso e trasformatori di tipo secco nelle sue stazioni di distribuzione.

Riferimenti

1. Commissione Elettrotecnica Internazionale — IEC 60076-11, trasformatori di potenza di tipo secco
2. UL Standards & Engagement — UL 1562, Trasformatori, Distribuzione, Tipo Secco
3. NFPA 70, Codice Elettrico Nazionale — Articolo 450, trasformatori e vani per trasformatori
4. Schneider Electric — documentazione sull'applicazione e selezione dei trasformatori di tipo secco
5. Siemens — materiale di riferimento sulla tecnologia dei trasformatori e metodo di raffreddamento

Conclusione

I trasformatori di tipo secco hanno principi di costruzione diversi rispetto ai trasformatori tradizionali perché operano senza olio come isolamento. Nonostante il fatto che i trasformatori di tipo secco perdano parte della resistenza termica e non utilizzino fluidi combustibili come materiali isolanti, questi trasformatori possono essere installati in luoghi come centri dati, ospedali, tunnel e seminterrati senza necessità di gestione delle fuoriuscite, servizi antincendio o monitoraggio dell'olio. Il problema nella comprensione del trasformatore di tipo secco è dovuto al principio di funzionamento simile per entrambi i trasformatori riempiti d'olio e di tipo secco e all'esistenza del medesimo vocabolario per entrambi. Le istruzioni relative a questo tipo di trasformatore forniscono informazioni sufficienti sul sistema di isolamento, l'aumento di temperatura e vari metodi di raffreddamento.