Struttura e principio di funzionamento dei trasformatori in olio: Una guida tecnica completa

Trasformatori in olio svolgono un ruolo essenziale nelle attuali reti di trasmissione e distribuzione dell'energia. Dalle sottostazioni delle utility agli impianti industriali, dagli edifici commerciali alle reti rurali, questi trasformatori assicurano una conversione stabile della tensione, un'elevata affidabilità e una lunga durata.

Questo articolo fornisce una spiegazione chiara e professionale della struttura e principio di funzionamento dei trasformatori in olio, aiutando ingegneri, team di approvvigionamento e utenti finali a comprenderne meglio le prestazioni e le applicazioni.

Che cos'è un trasformatore in olio?

Un trasformatore in olio (detto anche trasformatore in olio) è un tipo di trasformatore di potenza o di trasformatore di distribuzione in cui il Il nucleo e gli avvolgimenti sono completamente immersi nell'olio isolante del trasformatore.. L'olio svolge due funzioni principali:

1. Isolamento: Impedisce la rottura elettrica tra i componenti
2. Raffreddamento: Trasferisce il calore dagli avvolgimenti e dal nucleo alla superficie del serbatoio

Questi trasformatori sono utilizzati per entrambi i trasmissione di potenza e reti di distribuzione, comunemente classificati come:

• Trasformatore di potenza immerso in olio - per applicazioni ad alta tensione e ad alta capacità
• Trasformatore di distribuzione immerso in olio - per la distribuzione da 10kV/20kV/35kV a 230/400V

La loro capacità di gestire grandi carichi, condizioni di sovraccarico e ambienti esterni difficili li rende la spina dorsale dell'infrastruttura elettrica globale.

Componenti strutturali dei trasformatori in olio

Sebbene il design vari da un produttore all'altro, un trasformatore standard in bagno d'olio comprende in genere i seguenti componenti:

1. Nucleo (circuito magnetico)

Il nucleo del trasformatore è il percorso magnetico che guida il flusso magnetico alternato. Di solito è costituito da:

• Laminati di acciaio al silicio a grani orientati laminati a freddo
• Spessore comunemente inferiore a 0,3 mm
• Basse perdite per isteresi e correnti parassite

Esistono due tipi strutturali comuni:

• Trasformatore a nucleo - Gli avvolgimenti circondano gli arti del nucleo
• Trasformatore a guscio - il nucleo circonda gli avvolgimenti

La maggior parte dei trasformatori di potenza e di distribuzione utilizza oggi la struttura a nucleo, grazie al migliore raffreddamento e alla maggiore resistenza meccanica.

I trasformatori di grande capacità includono condotti dell'olio all'interno del nucleo, in modo che l'olio in circolazione possa rimuovere efficacemente il calore dal circuito magnetico.

2. Avvolgimenti (bobine primarie e secondarie)

Gli avvolgimenti sono responsabili della conversione della tensione attraverso l'induzione elettromagnetica. Sono tipicamente costituiti da conduttori di rame o alluminio, isolati con materiali ad alta temperatura.

Le strutture di avvolgimento più comuni includono:

• Avvolgimenti concentrici
• Avvolgimenti interlacciati o a disco
• Avvolgimenti stratificati per bobine HV e LV

Considerazioni chiave per gli avvolgimenti:

• Deve resistere alle forze meccaniche di cortocircuito
• Deve dissipare efficacemente il calore nell'olio del trasformatore.
• Richiedono un isolamento robusto per prevenire i guasti intergiro e fase-terra

I tipici guasti agli avvolgimenti includono:

• Cortocircuiti intergiro (dovuti all'invecchiamento dell'isolamento o al sovraccarico)
• Guasti fase-terra (dovuti a umidità, degrado dell'olio o sovratensione)
• Deformazione causata da forze di corrente di cortocircuito

La circolazione dell'olio contribuisce a mantenere l'integrità dell'isolamento e a dissipare il calore generato dalle perdite I²R.

3. Olio e serbatoio del trasformatore

Il serbatoio dell'olio ospita il nucleo e gli avvolgimenti ed è riempito con olio minerale per trasformatori di alta qualità.
Il serbatoio svolge queste funzioni:

• Contiene l'olio del trasformatore
• Fornisce un ambiente sigillato per prevenire l'ossidazione
• Supporta le alette del radiatore per la dissipazione del calore

I trasformatori immersi in olio di piccole e medie dimensioni utilizzano tipicamente:

• Serbatoi dell'olio sigillati (sigillato ermeticamente)
• Pareti del serbatoio ondulate per consentire l'espansione termica
• Radiatori o alette di raffreddamento per una migliore dissipazione del calore

I trasformatori più grandi possono includere conservatori d'olio (vaso di espansione dell'olio) per mantenere l'equilibrio della pressione ed evitare il contatto olio-aria.

4. Cambio di rubinetto

Il commutatore viene utilizzato per regolare la tensione di uscita del trasformatore in base alle fluttuazioni della rete.

I tipi includono:

• Commutatore sotto carico (OLTC) - regolata quando il trasformatore è disalimentato
• Commutatore sotto carico (LTC/OLTC) - regola automaticamente la tensione durante il funzionamento

I commutatori garantiscono una tensione secondaria stabile anche in condizioni di fluttuazione della rete primaria.

5. Boccole

Le boccole isolano i conduttori ad alta tensione che attraversano la parete della vasca del trasformatore.

Tipi:

• Boccole in porcellana
• Boccole in composito
• Boccole piene d'olio per applicazioni ad alta tensione

Devono resistere all'alta tensione, alle sollecitazioni ambientali e ai carichi meccanici.

6. Dispositivi di protezione e monitoraggio

I trasformatori in olio includono diversi meccanismi di protezione:

• Staffetta Buchholz - Rileva l'accumulo di gas da guasti interni
• Valvola di sovrapressione - rilascia la pressione interna in eccesso
• Sensori di temperatura/termometri - monitorare la temperatura dell'olio e dell'avvolgimento
• Indicatore del livello dell'olio - assicura il corretto volume dell'olio
• Respiratore (gel di silice) - impedisce all'umidità di penetrare nel sistema di conservazione

Questi dispositivi garantiscono un funzionamento sicuro e duraturo.

Principio di funzionamento dei trasformatori in bagno d'olio

I trasformatori in olio funzionano secondo il principio di induzione elettromagnetica.

Analizziamo il processo:

1. La tensione viene applicata all'avvolgimento primario

Quando la tensione CA viene applicata alla bobina primaria, scorre una corrente alternata che genera un campo magnetico nel nucleo di ferro.

2. Collegamenti del flusso magnetico all'avvolgimento secondario

Il flusso magnetico alternato attraversa il nucleo e collega gli avvolgimenti primari e secondari.

La tensione indotta obbedisce all'equazione del campo elettromagnetico del trasformatore: E=4,44fNΦmax

Dove:

• E = tensione indotta
• f = frequenza
• N = numero di giri
• Φmax = flusso magnetico massimo

Rapporti di rotazione diversi creano tensioni di uscita diverse.

3. Trasferimento di potenza tramite accoppiamento magnetico

• Quando il lato secondario è circuito apertoNell'avvolgimento primario scorre solo la corrente di magnetizzazione.
• Quando il secondario è caricato, la corrente scorre nel carico, generando un flusso opposto.
• L'avvolgimento primario regola automaticamente la propria corrente per mantenere l'equilibrio del flusso magnetico.

Questo equilibrio dinamico consente il trasferimento di energia dal primario al secondario senza contatto elettrico diretto.

4. Raffreddamento e isolamento dell'olio

L'olio del trasformatore circola continuamente grazie alla convezione naturale o alle pompe dell'olio forzate, svolgendo diverse funzioni vitali:

• Trasferisce il calore dagli avvolgimenti e dal nucleo alla parete del serbatoio
• Migliora la resistenza dell'isolamento
• Impedisce l'ingresso di umidità
• Riduce l'ossidazione e la degradazione termica

Questo raffreddamento a base di olio consente ai trasformatori in olio di gestire capacità molto più elevate rispetto ai trasformatori a secco.

Vantaggi dei trasformatori in bagno d'olio

1. Eccellente capacità di raffreddamento

L'olio garantisce una dissipazione del calore superiore, consentendo una maggiore capacità di carico e una maggiore durata.

2. Elevata resistenza elettrica

L'olio per trasformatori migliora notevolmente la resistenza dell'isolamento tra i componenti.

3. Lunga durata di vita

I trasformatori in bagno d'olio sottoposti a corretta manutenzione spesso superano 25-35 anni di funzionamento.

4. Adatto per l'installazione all'aperto

Funzionano in modo affidabile anche in condizioni climatiche difficili.

5. Forte gestione dei sovraccarichi

Il raffreddamento dell'olio consente ai trasformatori di resistere a sovraccarichi temporanei senza gravi danni all'isolamento.

Applicazioni dei trasformatori in olio

I trasformatori in olio sono ampiamente utilizzati in:

• Sottostazioni di utilità
• Impianti di produzione industriale
• Operazioni minerarie
• Reti di distribuzione rurali e urbane
• Progetti di energia rinnovabile
• Sistemi di alimentazione commerciali e residenziali

Conclusione

I trasformatori in olio rimangono la scelta preferita per la distribuzione di energia a livello globale grazie alla loro struttura robusta, alle elevate prestazioni termiche e all'affidabilità a lungo termine. La comprensione dei loro componenti e dei principi di funzionamento aiuta gli utenti a prendere decisioni informate in materia di approvvigionamento, funzionamento e manutenzione.