ILaumento della temperatura di un trasformatore di tipo-a seccoè uno di quei dettagli tecnici che possono sembrare semplici su una scheda tecnica ma che in realtà dicono molto su come funzionerà il trasformatore nel funzionamento reale.

Ogni volta che un trasformatore è alimentato, produce calore. Una parte proviene dal nucleo magnetico, mentre solitamente viene generato più calore negli avvolgimenti all'aumentare del carico. Quel calore deve uscire. Se rimane intrappolato all'interno del trasformatore, la temperatura aumenta, l'isolamento invecchia più velocemente e l'affidabilità può risentirne nel tempo.

In termini basilari:

Aumento della temperatura=Temperatura del trasformatore − Temperatura ambiente

Quindi, se l'aria circostante è a 40 gradi e la temperatura media dell'avvolgimento raggiunge i 140 gradi, l'aumento della temperatura dell'avvolgimento sarà di 100 K.

I trasformatori di tipo-a secco vengono raffreddati daaria piuttostorispetto all'olio isolante. Ciò rende particolarmente importanti il ​​flusso d’aria, la ventilazione, la struttura degli avvolgimenti, i materiali isolanti e i condotti di raffreddamento. In pratica il trasformatore stesso e l'ambiente in cui è installato devono essere considerati come un unico sistema termico.

Quali sono le cause dell'aumento di temperatura in un trasformatore di tipo-a secco?

Esistono diverse fonti di calore, maperdita del nucleo e perdita dell'avvolgimentosono quelli grandi.

La perdita del nucleo si verifica ogni volta che il trasformatore viene alimentato. Deriva principalmente dall'isteresi e dalle correnti parassite nel nucleo magnetico. A differenza delle perdite nell'avvolgimento, queste non scompaiono quando il trasformatore è leggermente caricato.

La perdita dell'avvolgimento è più strettamente legata alla corrente di carico. La componente resistiva è comunemente espressa come:

P = I²R

Vale la pena prestare attenzione perché la corrente è al quadrato. Se la corrente aumenta, il riscaldamento degli avvolgimenti può aumentare molto più velocemente di quanto ci si potrebbe aspettare.All'80% della corrente nominale, ad esempio, la componente I²R della perdita dell'avvolgimento è circa il 64% del valore della corrente nominale, presupponendo che le altre condizioni rimangano simili.

Ci sono ancheperdite vaganti e aggiuntive. Il flusso di dispersione può indurre correnti nelle parti strutturali metalliche, creando un riscaldamento localizzato. Anche le correnti armoniche possono rendere la situazione più complicata. Apparecchiature come sistemi UPS, convertitori di frequenza-variabili, inverter solari, caricabatterie per veicoli elettrici e altri carichi-elettronici possono introdurre armoniche e aumentare il riscaldamento del trasformatore.

Quindi, la temperatura finale è fondamentalmente un equilibrio:quanto calore produce il trasformatore rispetto a quanto calore può eliminare.

Anche la temperatura ambiente è importante. Un trasformatore che funziona in una sala elettrica calda ha un margine termico inferiore rispetto allo stesso trasformatore installato in uno spazio più fresco e ben-ventilato.

Aumento della temperatura dei trasformatori di tipo non-a secco in resina-

I trasformatori di tipo secco non-resina-utilizzano sistemi di isolamento che non dipendono dall'incapsulamento completo con resina epossidica. A seconda del modello, gli avvolgimenti possono utilizzare vernice, fibra di vetro, Nomex, isolamento in aria o altri materiali isolanti solidi.

Poiché non è presente uno spesso strato di resina-colata attorno agli avvolgimenti, il flusso d'aria può svolgere un ruolo particolarmente importante. Il progetto deve fornire spazio sufficiente affinché il calore si allontani dalle parti attive senza creare inutili colli di bottiglia termici.

Superficie di dissipazione del calore dei trasformatori di tipo non-resina a secco-

ILsuperficie di dissipazione del calore dei trasformatori di tipo secco non-in resina-è essenzialmente l'area disponibile per trasferire calore all'aria circostante.

Il calore generato nel nucleo e negli avvolgimenti deve attraversare l'isolamento e i componenti strutturali prima di raggiungere l'aria. Una buona progettazione termica fornisce a questo calore un percorso ragionevolmente diretto fuori dal trasformatore.

Geometria dell'avvolgimentoconta qui. I canali dell'aria radiali e assiali possono aiutare l'aria più fredda a entrare nelle sezioni inferiori del trasformatore mentre l'aria più calda sale ed esce attraverso le sezioni superiori. Nei trasformatori a raffreddamento naturale questa circolazione avviene principalmente in modo passanteconvezione.

Sembra semplice, ma l'installazione può facilmente intralciarsi.

Se un trasformatore è installato troppo vicino a una parete, le aperture di ventilazione sono bloccate o la sala elettrica ha una scarsa circolazione dell'aria, la temperatura operativa effettiva potrebbe essere molto più alta del previsto.

Per le unità più grandi, è possibile utilizzare il raffreddamento ad aria forzata-per aumentare il flusso d'aria e fornire capacità aggiuntiva. Ma mettere semplicemente un ventilatore accanto al trasformatore non è sufficiente. L'aria deve raggiungere i percorsi di raffreddamento previsti all'interno del trasformatore.

Carico termico di trasformatori di tipo non-a secco in resina-

ILcarico termico di trasformatori di tipo secco non-in resina-è principalmente legato alle loro perdite totali in condizioni operative effettive.

La perdita del nucleo è presente ogni volta che il trasformatore viene alimentato, mentre la perdita dell'avvolgimento cambia con il carico. Quando la corrente si avvicina al valore nominale, il riscaldamento dell'avvolgimento aumenta considerevolmente a causa del rapporto I²R.

Anche il carico collegato stesso merita attenzione. Un trasformatore che fornisce un carico lineare semplice può avere un profilo termico abbastanza prevedibile. Un trasformatore che alimenta apparecchiature UPS, azionamenti-a velocità variabile, raddrizzatori o altri carichi non lineari può essere una storia diversa.

Le correnti armoniche possono aumentare le perdite aggiuntive e causare un riscaldamento supplementare negli avvolgimenti e nelle parti metalliche. Ciò è particolarmente rilevante nei data center, negli impianti industriali, nei progetti di energia rinnovabile e negli impianti di ricarica di veicoli elettrici.

Per queste applicazioni, la scelta del trasformatore non dovrebbe basarsi solo sui kVA di targa. Potrebbe essere necessario prendere in considerazione il contenuto armonico, il profilo di carico, le ore di funzionamento previste e la futura crescita del carico.

Aumento della temperatura dei trasformatori di tipo non-a secco in resina-

ILaumento della temperatura dei trasformatori a secco non-in resina-è determinato dall'equilibrio tra generazione di calore e dissipazione del calore.

Quando un trasformatore viene alimentato per la prima volta, la sua temperatura aumenta gradualmente. Man mano che la differenza di temperatura tra il trasformatore e l'aria circostante aumenta, aumenta anche la dissipazione del calore. Alla fine, il trasformatore raggiunge una condizione termica relativamente stabile.

Ma la temperatura non è la stessa ovunque.

Il nucleo, gli avvolgimenti, l'isolamento, i morsetti e i componenti strutturali possono funzionare tutti a temperature diverse. Alcune sezioni dell'avvolgimento possono diventare notevolmente più calde della temperatura media dell'avvolgimento. Queste aree sono generalmente chiamate punti caldi.

Questa distinzione è importante perché l’invecchiamento dell’isolamento è fortemente influenzato dalle aree più calde. Misurare l'esterno del trasformatore può fornire informazioni utili durante la manutenzione, ma non dice necessariamente cosa sta succedendo all'interno dell'avvolgimento.

La norma IEC 60076-11 fornisce i requisiti per i test di aumento della temperatura-dei trasformatori a secco. I valori di riferimento comuni includono approssimativamente80 K per l'isolamento di classe B, 100 K per la classe F e 125 K per la classe H, a seconda della norma applicabile e del design del trasformatore.

Aumento della temperatura dei trasformatori di tipo-a secco in resina

Specialmente trasformatori in resina-a seccotrasformatori in resina-fusa, utilizzare la resina epossidica come parte importante del sistema di isolamento dell'avvolgimento.

La resina fornisce isolamento elettrico e supporto meccanico contribuendo a proteggere gli avvolgimenti da umidità, polvere e altri contaminanti ambientali. Allo stesso tempo, diventa parte del-percorso di trasferimento del calore.

Ciò significa che le proprietà termiche della resina contano. Lo stesso vale per la disposizione degli avvolgimenti, le dimensioni del conduttore, lo spessore della resina, i condotti di raffreddamento e le perdite totali del trasformatore.

I trasformatori in resina-colata sono comunemente utilizzati in edifici commerciali, impianti industriali, impianti di energia rinnovabile, infrastrutture di trasporto e altre applicazioni in cui la protezione ambientale e un isolamento affidabile sono importanti.

Aumento della temperatura del nucleo del trasformatore di tipo-a secco in resina

ILaumento della temperatura di un nucleo del trasformatore di tipo-a secco in resinaproviene principalmente daperdite fondamentali.

Perdite per isteresi e correnti parassite-si verificano ogni volta che il nucleo è energizzato. Il loro livello dipende dal materiale magnetico, dalla frequenza operativa, dalla densità del flusso, dallo spessore della laminazione e dalla progettazione complessiva del nucleo.

L'utilizzo di acciaio elettrico di alta-qualità e il mantenimento della densità del flusso magnetico entro un intervallo appropriato possono contribuire a ridurre le perdite dei nuclei. Ma ridurre le perdite è solo una parte del lavoro. Il calore residuo necessita comunque di un buon percorso fuori dal trasformatore.

Un flusso disperso eccessivo o una progettazione magnetica inadeguata possono anche creare un riscaldamento localizzato nel nucleo e nei componenti metallici vicini. Questo è il motivo per cui la progettazione elettromagnetica e termica devono essere considerate insieme anziché separatamente.

Durante i test di aumento della temperatura in fabbrica-, il trasformatore viene utilizzato finché non raggiunge una condizione termica stabile. I risultati misurati aiutano a confermare che può funzionare alle condizioni nominali senza superare i limiti specificati.

Aumento della temperatura degli avvolgimenti del trasformatore di tipo-secco in resina

ILaumento della temperatura degli avvolgimenti del trasformatore di tipo-secco in resinaè una delle considerazioni termiche più importanti nella progettazione dei trasformatori in resina-colata.

La corrente che scorre attraverso i conduttori produce calore. Quel calore deve quindi viaggiare attraverso l'isolamento e la resina prima di poter raggiungere l'aria circostante.

Di conseguenza, le dimensioni del conduttore, la densità di corrente, la disposizione degli avvolgimenti, lo spessore dell'isolamento, le proprietà termiche della resina, i percorsi di raffreddamento e le perdite di carico influiscono tutti sulla temperatura finale dell'avvolgimento.

E ancora, la temperatura all'interno di un avvolgimento non è perfettamente uniforme. Un punto caldo interno può essere significativamente più caldo della superficie esterna della resina.

Questo è il motivo per cui un termometro a infrarossi è utile per controllare le condizioni esterne durante la manutenzione, ma non può determinare da solo l'effettiva temperatura interna-del punto caldo.

Ciò diventa ancora più importante con carichi impegnativi. I macchinari industriali, i data center, le apparecchiature per le energie rinnovabili e i sistemi elettronici di potenza- possono creare livelli di carico in rapida evoluzione o relativamente elevati. Un trasformatore selezionato per queste applicazioni dovrebbe essere valutato in base al suo profilo operativo effettivo, non solo alla sua potenza nominale in kVA.

Aumento di temperatura e classe di isolamento

La classe termica dell'isolamento è un'altra parte importante del quadro-dell'aumento della temperatura.

Ad esempio, se la temperatura ambiente è di 40 gradi e l'aumento di temperatura specificato è di 100 K, la temperatura media dell'avvolgimento sarà di circa 140 gradi.

Ciò non significa che ogni punto dell'avvolgimento sia esattamente di 140 gradi. I punti caldi interni possono essere più elevati.

Una classe di isolamento più elevata garantisce una maggiore capacità termica, ma non deve essere interpretata come un motivo per far funzionare deliberatamente il trasformatore a temperature più elevate. Mantenere sotto controllo le temperature di esercizio aiuta comunque a ridurre l’invecchiamento dell’isolamento e fornisce un maggiore margine termico.

Aumento della temperatura del trasformatore di tipo a secco in resina o non in resina-a secco-

Sia i trasformatori a secco in resina che quelli non in resina-a secco- possono fornire prestazioni termiche affidabili se progettati correttamente.

Non esiste una regola semplice che dica che un tipo abbia sempre un aumento di temperatura inferiore.

Un trasformatore non in resina-ben progettato-può dissipare il calore in modo efficace attraverso strutture di avvolgimento aperte e un buon flusso d'aria. Un trasformatore in resina fusa-, invece, può combinare una forte protezione meccanica e ambientale con buone prestazioni termiche quando la resina e il design dell'avvolgimento sono progettati correttamente.

La scelta migliore dipende dall'applicazione, dall'ambiente di installazione, dal sistema di isolamento richiesto, dalle condizioni di carico e dalle specifiche del progetto.

Come controllare l'aumento della temperatura del trasformatore-di tipo a secco

L’idea di base è piuttosto semplice:generare meno calore e rimuovere il calore generato in modo più efficace.

Materiali del nucleo a basse-perdite, conduttori di dimensioni adeguate, strutture di avvolgimento ottimizzate e canali di raffreddamento efficaci possono contribuire a ridurre l'aumento di temperatura durante la fase di progettazione.

Altrettanto importante è il corretto dimensionamento del trasformatore. Un trasformatore che funziona continuamente a pieno carico o vicino a esso subirà naturalmente uno stress termico maggiore rispetto a uno con una certa capacità di riserva.

Anche l'ambiente di installazione è importante. Dovrebbe esserci spazio sufficiente attorno al trasformatore per la circolazione dell'aria e le aperture di ventilazione dovrebbero rimanere libere. Se il trasformatore è installato all'interno di una cabina elettrica, il sistema di ventilazione o di condizionamento dell'aria-della stanza deve tenere conto del calore rilasciato dal trasformatore.

Per i trasformatori progettati per il funzionamento AN/AF, il raffreddamento ad aria forzata-può fornire capacità aggiuntiva durante i periodi di domanda elevata. Ventole e controlli dovrebbero essere controllati regolarmente in modo che il raffreddamento aggiuntivo sia effettivamente disponibile quando necessario.

La manutenzione ordinaria può prevenire molti problemi termici evitabili. L'accumulo di polvere può limitare il flusso d'aria, mentre i collegamenti elettrici allentati possono creare punti caldi localizzati. Laddove sono presenti carichi non lineari, il controllo delle correnti armoniche può anche aiutare a identificare fonti impreviste di riscaldamento del trasformatore.

Perché l'aumento della temperatura è importante per la durata utile del trasformatore

La temperatura ha una relazione diretta con l’invecchiamento dell’isolamento. Il funzionamento continuo a temperature eccessive può accelerare il deterioramento dell'isolamento e eventualmente ridurre la durata di servizio del trasformatore.

Tuttavia, l’aumento della temperatura non dovrebbe essere considerato da solo. Classe di isolamento, temperatura ambiente, carico, metodo di raffreddamento e progettazione del trasformatore lavorano tutti insieme.

Quando si seleziona un trasformatore di tipo-a secco, è quindi meglio guardare oltre la tensione di base e i valori nominali in kVA. Importanti specifiche termiche includono aumento della temperatura, classe di isolamento, metodo di raffreddamento, perdita di carico in assenza di-carico, perdita di carico, temperatura ambiente, altitudine di installazione, carico armonico e profilo di carico previsto.

Conclusione

ILaumento della temperatura dei trasformatori di tipo-a seccoè una parte importante nella valutazione delle prestazioni e dell'affidabilità del trasformatore. Il nucleo, gli avvolgimenti, le perdite disperse e ulteriori creano calore, mentre la costruzione e l'ambiente di installazione del trasformatore determinano l'efficacia con cui tale calore viene rimosso.

Pertrasformatori di tipo secco non-in resina-, la superficie di dissipazione del calore, il flusso d'aria e i condotti di raffreddamento degli avvolgimenti svolgono un ruolo particolarmente importante. Pertrasformatori di tipo-a secco in resina, le proprietà termiche della resina e la progettazione degli avvolgimenti incapsulati sono ugualmente significative.

Il valore dell'aumento della temperatura-non dovrebbe mai essere visto come un dato isolato. Ha molto più senso se considerato insieme alla classe di isolamento, alla temperatura ambiente, al carico del trasformatore, al metodo di raffreddamento, alle perdite, all'altitudine e al contenuto armonico.

Per impianti industriali, edifici commerciali, progetti di energia rinnovabile, data center e altre applicazioni impegnative, la scelta di un trasformatore di tipo a secco-con il giusto design termico può aiutare a mantenere sotto controllo le temperature di esercizio, rallentare l'invecchiamento dell'isolamento e supportare un funzionamento affidabile per tutta la durata di servizio del trasformatore.

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