Le perdite sono proporzionali al peso del componente.

1. s Quindi: all’aumentare della potenza di una macchina elettrica devono essere adottati sistemi di raffreddamento più efficaci che portino ad un maggior scambio termico (W/cm2) sulla superficie di scambio per evitare un aumento eccessivo di temperatura in macchina Raffreddamento dei trasformatori • Le perdite sono proporzionali al peso del componente. • La cessione all’ambiente del calore prodotto da tali perdite, avviene attraverso la superficie esterna. • Il peso dipende da s3 e la superficie di scambio termico da s2, quindi le perdite, al crescere delle dimensioni e quindi del volume e della superficie esterna della macchina, aumentano più rapidamente della superficie di scambio termico attraverso la quale vengono dissipate. • dalla circolazione naturale a quella forzata dell’aria (raffreddamento a secco) ; • dalla circolazione naturale alla circolazione forzata dell’olio; • dalla raffreddamento naturale dell’olio con aria alla ventilazione forzata.

2. 1a lettera 2a lettera 3a lettera 4a lettera Mezzo refrigerante a contatto con il sistema esterno di raffreddamento Mezzo refrigerante a contatto con gli avvolgimenti Natura del mezzo Tipo di circolazione Natura del mezzo Tipo di circolazione esempi Natura del mezzo refrigerante simbolo ONAN Trasformatore in olio con circolazione naturale dell’olio e dell’aria Olio isolante (infiammabile) O Liquido isolante non infiammabile L Gas G ONAF Trasformatore in olio con circolazione naturale dell’olio e forzata dell’aria Acqua W Aria A AN Trasformatore a secco con raffreddamento naturale dell’aria Tipo di circolazione Naturale N ANAF Trasformatore a secco con raffreddamento naturale dell’aria all’interno e forzata all’esterno Forzata non guidata F Forzata e guidata D Sigle prevista dalle Norme CEI 76-2 per il raffreddamento dei trasformatori codice a 4 lettere

4. RAFFREDDAMENTO DEI TRASFORMATORI IN ARIA • A seconda del tipo di circolazione dei fluidi refrigeranti, si possono avere vari modi di raffreddamento, identificati con le seguenti sigle: • AN (Air Natural): trasformatori a secco con circolazione naturale dell’aria, attraverso moti convettivi naturali (l’aria più calda sale, l’aria più fredda scende); • AF (Air Forced): la circolazione dell’aria avviene tramite ventole, che aumentano l’efficacia del raffreddamento (in caso di guasto al sistema di raffreddamento, si ha però un rapido surriscaldamento della macchina); • AD (Air Drived): aria forzata e guidata anche all’interno degli avvolgimenti • I trasformatori raffreddati ad aria possono essere isolati in classi fino alla H • Sia nella ventilazione naturale che quella forzata gioca un ruolo fondamentale il rivestimento di protezione. Nel primo caso il rivestimento è di solito chiuso ed il calore viene interamente smaltito attraverso la superficie del rivestimento che deve essere accuratamente scelta. Nel caso di ventilazione forzata devono essere previste delle feritoie per l’ingresso e l’uscita dell’aria.

5. A secco con ventilazione forzata. A secco con ventilazione naturale. A secco con ventilazione naturale in aria : AN a secco in resina

6. RAFFREDDAMENTO IN OLIO • ONAN (Oil Natural Air Natural), la circolazione dell’olio all’interno del cassone e dell’aria all’esterno avvengono per moti convettivi naturali dei due fluidi. Occorre che la superficie di scambio termico (superficie del cassone) sia piuttosto estesa: si ottiene costruendo il cassone di forma ondulata o con fasci tubieri esterni per il passaggio dell’olio; • ONAF (Oil Natural Air Forced): la circolazione dell’aria è attivata tramite ventole. • OFAF (Oil Forced Air Forced), la circolazione dell’olio all’interno del cassone avviene tramite pompe, quella dell’aria all’esterno tramite ventole. All’esterno del cassone sono presenti dei veri e propri scambiatori di calore olio-aria (per trasformatori di elevata potenza, es. 200 MVA); • OFWF (Oil Forced Water Forced): è il metodo di raffreddamento più energico, utilizzato per trasformatori di elevatissima potenza. Sono presenti scambiatori olio-acqua e la circolazione dei due fluidi è attivata mediante pompe. La pressione dell’olio deve essere più elevata di quella dell’acqua, per fare in modo che, in caso di guasto, sia l’olio a uscire e non l’acqua a entrare (basta una piccola percentuale di acqua per comprometterne la tenuta isolante. • ODAN: circolazione forzata dell’olio negli avvolgimenti con raffreddamento naturale dell’olio

7. ELEMENTI COSTRUTTIVI L’elemento chiave è costituito dal CASSONE che contiene l’olio di raffreddamento che è composto dal mantello, dal fondo e dal coperchio. Il mantello è la sola parte attiva nel raffreddamento in quanto il fondo contribuisce poco ed il coperchio è sede degli accessori e dei componenti di collegamento Il mantello è costruito in lamiera dolce (1-2 mm di spessore) perché deve essere piegato per aumentare la superficie di scambio termico Il cassone deve essere dimensionato per contenere il giusto volume di olio, deve presentare la corretta superficie nel mantello per favorire lo scambio termico, deve essere opportunamente distanziato dalle parti elettriche per evitare scariche

8. Trasf. ONAN Circolazione naturale dell’olio e raffreddamento ad aria a circolazione naturale. E’ il capostipite di tutti i sistemi di raffreddamento Può essere dotato di alette, tubi di raffreddamento o radiatori esterni

10. I moti convettivi naturali che si instaurano all’interno del cassone portano al raffreddamento delle parti attive La superficie di scambio termico viene aumentata con la opportuna scelta di alette e tubi di raffreddamento t: passo di alettatura; d o h: altezza di alettatura a, b: gole di alettatura

11. I tubi di raffreddamento possono avere due configurazioni: a tubi piegati o a tubi saldati (arpe di tubi). Possiamo scegliere tra uno o più strati di tubi

12. In olio con circolazione naturale dell’olio e raffreddamento naturale in aria: ONAN serbatoio olio radiatori

13. In olio con circolazione e raffreddamento forzati dell’olio mediante aerotermi. olio In olio con circolazione e raffreddamento forzati dell’olio. In olio con circolazione e raffreddamento forzati dell’olio, con scambiatori ad acqua. acqua

14. In olio con circolazione naturale dell’olio raffreddato ad aria forzata: ONAF aria aria olio In olio con circolazione forzata e guidata dell’olio raffreddato ad aria forzata: ODAF aria

15. Trasformatore circolazione guidata dell’ olio e con ventilazione forzata (ODAF) aerotermi

16. olio scambiatori di calore acqua Scambiatore di calore olio-acqua per OFWF OFWD ODWD scambiatori di calore

17. Fotografia all’infrarosso di un trsaformatore in servizio (in rosso le parti a temperatura maggiore)

18. avvolgimento deionizzatore filtro refrigerante serbatoio polmone pompe di circolazione Schema semplificato per la demineralizzazione dell’acqua di raffreddamento dello statore

19. Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff. contenuto termico specifico Asp = d ·cp Portata volumetrica specifica V = portata volumetrica del fluido di raffreddamento [m3/s] qe = temperatura in entrata [°C] qu = temperatura in uscita [°C] d = peso specifico del fluido di raffreddamento [kg/m3] cp = calore specifico a pressione costante del fluido di raffreddamento [J/kg°C]

20. c = 1009 J/°C kg ;  = 1/293 ;  = 1,2 kg/m3 k = 0,025 W/°C m ;  = 0,185 10-4 kg/s aria c = 14.500 J/°C kg ;  = 1/293 ;  = 0,084 kg/m3 k = 0,185 W/°C m ;  = 0,090 10-4 kg/s (W/m2) idrogeno a = coefficiente di dilatazione dei gas perfetti g = peso specifico del gas di raffreddamento c = calore specifico a pressione costante k = conducibilità termica del gas h = viscosità del gas

21. ACCESSORI DEI TRASFORMATORI • I principali accessori dei trasformatori sono: • il conservatore dell’olio; • la valvola antiscoppio (a diaframma); • il dispositivo di protezione dell’olio dall’umidità e dall’ossidazione; • il relé Bucholz; • la valvola di scarico rapido; • i passanti; • la valvole per il controllo dell’olio; • gli elementi per la misura della temperatura; • i variatori di rapporto a vuoto e a carico.

22. SERBATOI Il serbatoio è dimensionato per contenere il 7 - 10% del volume di olio che c’è nel cassone e nel sistema di raffreddamento La conservazione deve essere tale da impedire all’olio di inumidificarsi Nei grandi trasformatori si introducono gas inerti (azoto) per realizzare dei battenti gassosi di compensazione a bassa igroscopicità Nei grandi trasformatori viene anche impiegato un sistema barometrico

23. SISTEMAZIONE DI ALCUNI ACCESSORI SACCO DI PROTEZIONE VALVOLA A DIAFRAMMA CONSERVATORE BUCHOLZ Misuratore e visualizzatore di livello ESSICATORI DELL’ARIA gel di silice per deumidificare l’aria

24. FUNZIONAMENTO DEL RELÈ BUCHOLZ VALVOLA DI PRELIEVO GAS RELÉ A GALLEGGIANTE (ALLARME) AL CONSERVATORE RELÉ A PALETTA (DISTACCO) FLUSSO DELL’OLIO O DEL GAS

27. cassone azoto filtro aria olio Sistema barometrico con atmosfera inerte di azoto

28. conduttore in tensione isolamento esterno (molto spesso in aria) passante parete isolamento interno Isolatori passanti Sono apparecchiature che permettono ad un conduttore in tensione di attraversare una parete, generalmente a potenziale di terra, per mettere in comunicazione due ambienti, spesso diversi.

29. ISOLATORI PASSANTI: CLASSIFICAZIONE • Gli isolatori usati negli apparati elettromeccanici possono essere dei seguenti tipi: • Isolatori portanti: hanno funzioni di sostegno nelle apparecchiature, nei quadri, nelle linee BT e talvolta MT e nelle stazioni. • Isolatori di linea: hanno funzioni di isolamento e di sostegno nelle linee aeree MT e AT. • Isolatori passanti: permettono ad un conduttore in tensione di attraversare una parete mettendo in collegamento due ambienti, spesso diversi. • Gli isolatori, a seconda dell’installazione possono essere per esterno o per interno.

30. Per quanto concerne i problemi legati al progetto dell’isolamento elettrico, tutti gli isolatori presentano due aspetti: • isolamento superficiale per il quale vanno considerate: • la distanza di isolamento, vale a dire la distanza in linea retta fra la parte in tensione e la terra; • la linea di fuga vale a dire la distanza misurata considerando tutto lo sviluppo dell’alettatura fra la parte in tensione e la terra. • isolamento di volume che presenta aspetti diversi a seconda della morfologia dell’isolatore e di svilupperemo alcune considerazioni per gli isolatori passanti. • Occorre infine tenere conto degli aspetti meccanici particolarmente importanti per le linee aeree.

31. Passanti in porcellana per bassa e media tensione Isolamento interno ed esterno in porcellana

32. conduttore isolamento interno in SF6 isolamento esterno in porcellana Passanti per media tensione in resina epossidica Isolatore passante per alta tensione in SF6 Isolamento interno ed esterno in resina

33. ISOLATORE PASSANTE CON SCHERMO A MASSA

34. E V r2 r r1 E(r) materiale isolante r1 r2 r In prima approssimazione (trascurando l’effetto dei bordi) la sollecitazione dielettrica può essere calcolata con un campo a simmetria cilindrica Sollecitazione dielettrica

35. si ha un minimo per Sollecitazione dielettrica massima in funzione del raggio del conduttore Tra tutti i raggi di conduttore possibili si cerca quello che minimizza il campo elettrico. Emm Emm r1 0 r1min r2 0

36. ISOLATORE PASSANTE CON SCHERMO E CONDUTTORE CAVO

37. ISOLATORE PASSANTE CON DOPPIO SCHERMO

38. LATO ARIA FLANGIA A POTENZIALE DI TERRA ARMATURE LATO OLIO PASSANTE A CONDENSATORE ARIA - OLIO

39. isolamento formato da N strati r1 r1 r2 r2 • il materiale è sollecitato in maniera più uniforme; • la sollecitazione massima è minore • a parità di dimensioni è possibile applicare una tensione maggiore • V > V Sollecitazione dielettrica E un solo strato di isolamento • il materiale è sollecitato solo in prossimità del conduttore r r2 r1

40. isolamento in aria porcellana V Vi li ri ri+1 isolamento in olio i-esimostrato strato di materiale conduttore obbiettivo: Vi= cost. cartocci isolanti ri r Schema di un passante a condensatore conduttore

41. i-esimo strato obbiettivo del dimensionamento r i+1 l i r i Sistema isolante formato da N strati tutti dello stesso materiale di permettività e

42. facendo tutti gli strati dello stesso identico spessore d poiché è ri << d

43. isolamento in aria porcellana li conduttore isolamento in olio strato di materiale conduttore Passante per trasformatore (parte immersa in olio) cartocci isolanti ri r

44. Passanti per alta e altissima tensione Passante per l’attraversamento di una parete400 kV, 4000 A isolamento esterno in porcellana - isolamento interno in carta-olio

45. isolamento esterno in porcellana distanza d’isolamento in aria d isolamento interno Passanti a condensatore

46. Isolatori passanti per 380 kV Isolatori passanti per 145 kV Isolatori passanti in alta tensione

47. distanza di isolamento in aria (isolamento esterno) d Isolatori passanti per altissima tensione in carta olio

48. LE SOVRATENSIONI NEGLI IMPIANTI A. T. Le sovratensioni che influenzano i trasformatori possono essere origine esterna o interna all’impianto elettrico • Di origine esterna: Fulminazione diretta o sovratensioni indotte in linea. Sono sostanzialmente di origine atmosferica ed hanno le seguenti caratteristiche: • Livelli energetici e di tensione non correlati alle caratteristiche nominali del sistema elettrico su cui incidono. • durata dei fenomeni dell’ordine delle decine di s con tempi di salita dell’ordine dei 10 - 20 kA/s (quindi in una banda sul MHz). • Simulazione effettuata con impulsi di tensione 1,2/50s o con impulsi di corrente 8/20 s.

49. Di origine interna: dipendono dalla morfologia dell’impianto elettrico e sono prodotte da: • distacchi o variazioni brusche di carico; • messa in tensione di linee o trasformatori; • ferrorisonanza; • guasti a terra. • interruzione di carichi induttivi o capacitivi; Danno luogo a fenomeni, di solito fortemente smorzati. Le onde di tensione arrivano ai terminali del trasformatore dalla linea. Parte di esse vengono riflesse, parte assorbite in macchina. La maggior parte delle sovratensioni interne vengono simulate con impulsi di tensione con durate e tempi di salita dell’ordine del migliaio di microsecondi (bassa frequenza).

50. ACCORGIMENTI COSTRUTTIVI • Studio del comportamento della macchina (avvolgimenti) in presenza di sovratensioni. • Sviluppo di tecniche progettuali per migliorare il comportamento di componenti e sistemi in presenza di sovratensioni, e disponibilità di componenti atte a limitarle.: • interventi progettuali e costruttivi su componenti e sistemi atti a minimizzare il livello delle sovratensioni; • dimensionamento di componenti e sistemi in modo da ottimizzare il loro comportamento in presenza di sovratensioni; • impiego di componenti in grado di ridurre il livello delle sovratensioni a valori non pericolosi per i componenti del sistema. • Uso di tecniche di verifica delle soluzioni adottate (prove ad impulso).