Dalla costruzione del nucleo alla gestione dei guasti: materiali, refrigerazione, isolamento, diagnostica e protezioni per l’affidabilità dei trasformatori elettrici.
1. Introduzione: dalla conversione elettromagnetica all’affidabilità
Il trasformatore trasferisce energia elettrica tra circuiti mediante accoppiamento magnetico, senza parti meccaniche rotanti. La qualità del servizio dipende però da fenomeni che il circuito equivalente, da solo, non descrive: distribuzione dei campi elettrici, circolazione del calore, forze impulsive e deterioramento progressivo degli isolanti.
Un progetto industriale è un compromesso tra rendimento, massa, ingombro, livello d’isolamento, rumore, manutenzione, capacità di sovraccarico, sicurezza e costo sul ciclo di vita. Dimensionare un trasformatore significa verificare contemporaneamente gli stati elettrico, magnetico, termico e meccanico, per tutto l’intervallo di esercizio previsto.
Gli Articoli 34–40 hanno fissato i modelli dei materiali, dell’induzione, dei circuiti equivalenti, delle prove e del funzionamento trifase. Qui tali modelli diventano criteri di costruzione, sorveglianza e protezione.
2. Nuclei magnetici e architetture costruttive
Il nucleo convoglia il flusso principale e riduce la corrente magnetizzante. È generalmente formato da lamierini ferromagnetici isolati tra loro, spesso in acciaio elettrico a grani orientati nelle applicazioni di potenza a frequenza industriale. La laminazione limita i percorsi delle correnti parassite; giunzioni e orientazione dei grani incidono su perdite, rumore e corrente di magnetizzazione.
Nella costruzione a colonne gli avvolgimenti circondano i montanti; in quella a mantello il circuito magnetico avvolge maggiormente gli avvolgimenti. La scelta influisce su flussi dispersi, rigidezza meccanica, ingombro e accessibilità. Nei trifase a tre colonne, il percorso di sequenza omopolare non è equivalente a quello dei flussi equilibrati: questa distinzione, già introdotta nell’Articolo 40, è rilevante nei guasti e negli squilibri.
Il campo alternato provoca magnetostrizione e forze nei giunti, che contribuiscono al rumore. Il serraggio deve essere efficace senza provocare cortocircuiti indesiderati tra lamierini né danneggiare l’isolamento del pacco magnetico.
3. Avvolgimenti, conduttori e resistenza agli sforzi
Gli avvolgimenti possono essere cilindrici concentrici, a strati, a dischi o a elica, in funzione di tensione, corrente, isolamento e necessità di raffreddamento. Rame e alluminio sono entrambi impiegati: la scelta richiede il confronto tra conducibilità, massa, costo, ingombri e comportamento delle giunzioni.
Gli avvolgimenti di bassa e alta tensione sono spesso disposti concentricamente per controllare la dispersione magnetica, ma la configurazione dipende dal progetto. Distanziatori, cilindri isolanti, canali per il refrigerante, pressori e tiranti assicurano isolamento e sostegno. Il progetto deve tollerare dilatazioni termiche e vibrazioni senza perdere il precarico.
In cortocircuito le correnti raggiungono valori elevati e il campo disperso esercita forze assiali e radiali. Localmente la densità di forza è descritta da f = J × B; in una stima geometrica a campo pressoché costante, le sollecitazioni sono proporzionali al quadrato della corrente. Il vincolo non è soltanto termico: instabilità e deformazione degli avvolgimenti possono compromettere l’isolamento anche dopo l’eliminazione del guasto.
4. Isolamento e coordinamento dielettrico
L’isolamento deve separare spire, dischi, avvolgimenti, nucleo e massa, sopportando tensioni di esercizio e sovratensioni previste. Non basta confrontare la tensione nominale con un valore di rigidità dielettrica: contano la geometria degli elettrodi, le disomogeneità, i bordi, la presenza di bolle e umidità e il comportamento durante impulsi veloci.
Nei sistemi liquido-solido, carte e pressboard cellulosici lavorano insieme all’olio o ad altro liquido isolante. Nei trasformatori a secco si impiegano sistemi solidi e resine o impregnazioni adeguate. Distanze in aria e nel materiale isolante sono definite dal coordinamento dell’isolamento per il progetto concreto, senza adottare valori universali arbitrari.
In approssimazione elettrostatica il campo è legato al potenziale dalla relazione seguente; essa chiarisce perché geometrie con piccoli raggi di curvatura possono concentrare il campo.
Le sollecitazioni locali possono essere assai superiori al valore medio tensione/distanza. Schermi elettrostatici, arrotondamenti, barriere e ripartizione controllata delle capacità aiutano a gestire tali gradienti.
5. Trasformatori in liquido e trasformatori a secco
Nel trasformatore immerso, il liquido svolge due funzioni principali: isolamento e trasferimento del calore verso il cassone e gli scambiatori. L’olio minerale è una tecnologia diffusa; esistono anche liquidi alternativi, tra cui esteri naturali o sintetici, con proprietà specifiche da valutare per comportamento al fuoco, compatibilità, ossidazione e viscosità.
Nel trasformatore a secco il raffreddamento si affida prevalentemente all’aria e le prestazioni dipendono dai percorsi di ventilazione, dalla temperatura dell’ambiente e dalla classe del sistema isolante. Le soluzioni in resina inglobata e impregnate non sono intercambiabili dal punto di vista costruttivo e manutentivo.
Nessuna tecnologia è universalmente superiore: collocazione interna, rischio ambientale, carico, manutenzione e requisiti antincendio determinano la scelta. Un confronto corretto considera la macchina e l’installazione nel suo complesso.
6. Cassone, accessori e commutatori di prese
Il cassone sostiene l’insieme attivo e contiene il liquido; può integrare pareti corrugate, radiatori, tubazioni e, nei progetti predisposti, un conservatore che asseconda le variazioni di volume. Dispositivi di disidratazione, sistemi di tenuta e monitoraggio riducono l’ingresso di umidità. Gli isolatori passanti permettono la connessione con l’esterno controllando il campo elettrico attraverso il confine del cassone.
I commutatori di prese modificano il numero efficace di spire e quindi il rapporto di trasformazione. Il commutatore di prese a circuito disalimentato (de-energized tap changer) richiede l’assenza di alimentazione e le condizioni prescritte dal costruttore per la manovra; il commutatore sotto carico (on-load tap changer, OLTC) è concepito per cambiare presa durante l’esercizio mediante una sequenza controllata che limita l’interruzione della corrente e le correnti tra prese.
Un OLTC introduce contatti, meccanismi e, secondo la tecnologia, dispositivi di commutazione soggetti a sorveglianza specifica. Non è corretto manovrare sotto carico un selettore non progettato per questa funzione.
7. Origine delle perdite e trasferimento del calore
Quasi tutta la potenza persa diventa calore. Le perdite a vuoto dipendono soprattutto dal nucleo e dalle condizioni magnetiche; le perdite di carico derivano dalla resistenza degli avvolgimenti e da componenti addizionali associate a campi dispersi, correnti indotte e strutture metalliche. Le loro formule e determinazioni sperimentali sono state sviluppate nell’Articolo 39.
Il calore si propaga per conduzione nei solidi, convezione nel liquido o nell’aria e irraggiamento verso le superfici circostanti. Le tre modalità coesistono. La geometria dei canali e le proprietà del fluido determinano le resistenze termiche effettive; esse non sono necessariamente costanti su tutti i regimi di carico.
Una relazione utile per la conduzione unidimensionale, in regime stazionario, è la legge di Fourier:
dove k è la conducibilità termica (W m−1 K−1), A la sezione e Q̇ il flusso di calore in watt. Il segno indica il trasporto verso le temperature inferiori.
8. Sistemi di raffreddamento e sigle
I trasformatori immersi possono sfruttare la circolazione naturale del liquido e dell’aria oppure utilizzare ventilatori e pompe. Nei trasformatori a secco la ventilazione è naturale o forzata, secondo la configurazione. La sigla dei trasformatori in liquido descrive il mezzo interno, la modalità di circolazione interna, il mezzo esterno e la sua movimentazione.
| Sigla | Principio fisico | Caratteristica |
|---|---|---|
| ONAN | Olio a circolazione naturale; aria naturale | Senza pompe né ventilatori necessari alla modalità indicata |
| ONAF | Olio naturale; aria forzata | Ventilatori sugli scambiatori |
| OFAF | Olio forzato; aria forzata | Pompe e ventilatori; flusso interno non necessariamente diretto |
| ODAF | Olio a circolazione forzata e guidata; aria forzata | Flusso d’olio indirizzato nelle parti attive |
Le condizioni nominali e le combinazioni di raffreddamento devono essere quelle definite per la macchina. La semplice attivazione di ventilatori non autorizza automaticamente qualsiasi incremento del carico. La classificazione e le prove di sovratemperatura sono trattate dalla IEC 60076-2.
9. Modello termico concentrato e risposta transitoria
Si consideri un volume termico equivalente con temperatura uniforme θ. Le perdite Pperd immettono energia, la capacità Cth la accumula e la resistenza Rth descrive il trasferimento verso un ambiente a temperatura θamb. Il bilancio energetico è:
Le dimensioni sono Cth in J/K, Rth in K/W, P in W e t in s. Nel caso di perdite e ambiente costanti si ricava la sovratemperatura di regime e la costante di tempo:
Questa è una approssimazione a un solo nodo: nucleo, avvolgimenti, olio superficiale e punti caldi non possiedono in generale la stessa temperatura né la stessa costante di tempo. In progettazione e valutazione del sovraccarico si impiegano modelli più articolati e dati di prova.
10. Sovraccarico, punti caldi e vita dell’isolamento
La corrente superiore a quella nominale accresce le perdite di carico e può aumentare la temperatura degli avvolgimenti. Il punto caldo è una regione locale con temperatura particolarmente elevata e può governare il degrado dei materiali cellulosici. Non va confuso con la temperatura media dell’avvolgimento né con quella dell’olio nella parte superiore.
In un intervallo limitato, l’invecchiamento chimico è spesso rappresentato mediante una dipendenza di tipo Arrhenius della velocità di reazione dalla temperatura assoluta:
con T in kelvin, Ea energia di attivazione, R costante universale dei gas e A fattore preesponenziale. La relazione è concettuale: non rappresenta, con parametri universali, tutte le formulazioni d’isolamento e tutti i fattori d’invecchiamento. Umidità, ossigeno e storia termica modificano il comportamento.
Per carichi variabili occorre considerare durata, temperatura ambiente, temperatura locale e stato d’isolamento. La IEC 60076-7:2018 fornisce una guida specifica per il carico dei trasformatori immersi in olio minerale, non un permesso generalizzato a superare i valori di targa.
11. Degrado dielettrico e scariche parziali
Il sistema isolante degrada per azione combinata di temperatura, campo elettrico, umidità, agenti chimici e sollecitazioni meccaniche. L’acqua peggiora il margine dielettrico, favorisce processi di degrado della cellulosa e può influire sul comportamento dei liquidi. La perdita di tenuta non richiede sempre una rottura globale immediata: possono svilupparsi difetti progressivi localizzati.
Una scarica parziale è una scarica elettrica che interessa soltanto una porzione dell’isolamento tra conduttori. Può verificarsi in cavità, zone gassose o regioni caratterizzate da campo particolarmente intenso. Non coincide necessariamente con un cortocircuito permanente e la sua rilevazione richiede misure e interpretazioni appropriate.
La IEC 60270 descrive la misura convenzionale delle scariche parziali in determinate condizioni; l’intensità o la presenza di un segnale, considerate isolatamente, non determinano una diagnosi univoca.
12. Diagnostica: gas disciolti, prove e monitoraggio
Nelle macchine con liquido isolante, processi termici ed elettrici possono generare gas. L’analisi dei gas disciolti (DGA) misura concentrazioni e andamenti di composti, tra cui idrogeno, metano, etano, etilene, acetilene, monossido e biossido di carbonio. Il significato di ciascun gas dipende dal contesto, dal fluido e dalla storia di funzionamento.
È importante confrontare più campioni nel tempo, osservare velocità di crescita, condizioni operative, modalità di prelievo e qualità analitica. La IEC 60599:2022 fornisce indicazioni interpretative per apparecchiature in olio minerale con isolamento cellulosico, sottolineando la necessità di giudizio ingegneristico.
Altri strumenti comprendono misure dell’umidità, analisi dell’olio, resistenza d’isolamento, fattore di dissipazione, prove di resistenza degli avvolgimenti, monitoraggio del commutatore, misure termiche e analisi della risposta in frequenza per indicazioni su possibili deformazioni meccaniche. Nessuna singola misura sostituisce l’esame integrato.
13. Sovracorrenti, cortocircuiti e guasti verso terra
Le protezioni di sovracorrente confrontano le grandezze misurate con criteri di intervento impostati in relazione a corrente nominale, margini di esercizio e caratteristiche della rete. Una sovracorrente esterna può essere attraversata dal trasformatore senza un difetto interno; la protezione deve pertanto distinguere le condizioni eliminabili da altri dispositivi da quelle che richiedono l’apertura dei suoi interruttori.
Nei guasti verso terra, le correnti dipendono dal collegamento degli avvolgimenti, dalla presenza del neutro e dal metodo di messa a terra. Trasformatori di corrente toroidali, misure residue o protezioni di terra ristrette possono migliorare la sensibilità in zone delimitate. Il principio di selettività esige che il dispositivo più vicino al difetto operi quando previsto, lasciando in servizio la parte sana dell’impianto.
La scelta di soglie e tempi è un problema di coordinamento reale; in assenza dei dati di impianto non è corretto prescrivere valori numerici generali.
14. Protezione differenziale e corrente di inserzione
La protezione differenziale confronta le correnti ai confini della zona protetta, riportate alla stessa base e compensate, quando necessario, per rapporto, gruppo vettoriale e circuiti di misura. Si assumano correnti orientate entranti nella zona: nella condizione ideale senza guasto interno la loro somma fasoriale è nulla.
Una convenzione didattica per la corrente di stabilizzazione è la semisomma dei moduli, Irest:
Una caratteristica percentuale ipotetica può richiedere contemporaneamente Idiff > Imin e Idiff > s Irest, dove s è la pendenza scelta. Le realizzazioni commerciali possono avere più tratti, logiche adattative e compensazioni dei trasformatori di corrente.
All’inserzione, il flusso residuo e l’istante di chiusura possono provocare saturazione del nucleo e una corrente magnetizzante transitoria elevata (inrush). Questa può creare corrente differenziale anche senza guasto interno. Tecniche reali di discriminazione comprendono l’analisi delle armoniche, forme d’onda e logiche specifiche; la presenza della seconda armonica non deve essere trattata come criterio universale infallibile. La protezione deve anche resistere, con i criteri previsti, a errori e saturazione dei trasformatori di corrente durante guasti esterni.
15. Protezioni termiche, meccaniche e coordinamento
Termometri, sensori RTD, fibre ottiche o modelli termici sorvegliano il riscaldamento; allarmi e sganci sono stabiliti secondo i limiti della specifica macchina. Il relè Buchholz si applica a determinate configurazioni con conservatore e collegamento mediante tubazione: può rilevare accumulo di gas e movimenti anomali del liquido. Non è un dispositivo utilizzabile indiscriminatamente nei cassoni ermetici o nei trasformatori a secco.
Dispositivi di scarico della pressione, pressostati e controlli di livello aiutano a prevenire o segnalare conseguenze di difetti interni. Un abbassamento del livello dell’olio può compromettere isolamento e refrigerazione; non va confuso automaticamente con la presenza di un guasto elettrico.
La logica generale prevede protezioni rapide per guasti interni gravi, protezioni ritardate o di riserva per certe condizioni esterne e sistemi di allarme per le anomalie progressive. Coordinamento, ridondanza e disponibilità dell’alimentazione ausiliaria sono aspetti progettuali decisivi.
16. Guasti e fenomeni anomali: catena causale
Un corto tra spire riduce il numero di spire efficaci della porzione interessata e può generare correnti locali intense anche quando la corrente di linea non risulta inizialmente eccezionale. Un guasto tra avvolgimenti produce percorsi di corrente non previsti; un guasto verso massa collega parti attive a nucleo o cassone. In tutti i casi, la gravità dipende dall’impedenza del difetto, dall’energia disponibile e dal tempo di eliminazione.
Sovratensioni atmosferiche o di manovra possono sollecitare in modo disomogeneo l’isolamento. Cortocircuiti esterni producono forti sforzi meccanici; eventi ripetuti possono ridurre progressivamente i margini di tenuta. Il guasto a pompe, ventilatori o circuiti di raffreddamento provoca temperature crescenti e può richiedere derating o distacco. I difetti del commutatore generano possibili surriscaldamenti, archi o anomalie di contatto.
È essenziale distinguere causa (per esempio un contatto deteriorato), fenomeno fisico (resistenza di contatto e calore locale), indizio (gas e temperatura crescenti) e protezione/azione (allarme, indagine, eventuale separazione della macchina). Un indizio non identifica sempre una causa unica.
17. Esempi numerici: transitorio termico e protezione differenziale
Esempio 1 — Riscaldamento a carico costante
Dati sintetici. Temperatura ambiente 25 °C; perdite 8,0 kW; resistenza termica equivalente 0,006 K/W; capacità termica 3,0 MJ/K; temperatura iniziale uniforme 25 °C. Si assume modello a un solo nodo e parametri costanti.
La sovratemperatura a regime vale (0,006 K/W)(8000 W) = 48 K; pertanto la temperatura a regime è 73 °C. La costante di tempo vale (0,006 K/W)(3 000 000 J/K) = 18 000 s = 5 h.
Dopo 5 h: θ = 25 + 48(1 − e−1) ≈ 55,34 °C. Controllo: all’istante iniziale θ = 25 °C; per tempi molto lunghi θ tende a 73 °C. Il risultato riguarda una temperatura equivalente, non il punto caldo reale.
Esempio 2 — Criterio differenziale ipotetico
Dati sintetici. Dopo conversione alla stessa base e compensazione del gruppo, le correnti fasoriali entranti nella zona sono I′1 = 1,00∠0° pu e I′2 = 0,92∠180° pu. Si adotta soltanto per l’esercizio la caratteristica Idiff > 0,20 pu e Idiff > 0,30 Irest.
La somma fasoriale vale 1,00 − 0,92 = 0,08 pu. Quindi Idiff = 0,08 pu; la semisomma dei moduli dà Irest = (1,00 + 0,92)/2 = 0,96 pu. Il criterio percentuale richiederebbe Idiff > 0,288 pu; quello minimo Idiff > 0,20 pu. Nessuno dei due è soddisfatto: non interviene nella caratteristica didattica adottata.
Per mostrare un caso interno, a parità di criteri si supponga I′2 = 0,40∠180° pu: Idiff = 0,60 pu; Irest = 0,70 pu; la soglia percentuale è 0,21 pu e quella minima 0,20 pu. Entrambe sono superate: intervento richiesto dal modello. Il funzionamento effettivo richiede ulteriori verifiche di sicurezza e logiche del relè.
18. Raffreddamento anomalo, confronto costruttivo e tabella dei guasti
Esempio 3 — Guasto del sistema di raffreddamento
Dati sintetici. Un trasformatore dissipa 10 kW in un regime iniziale con Rth,1 = 0,004 K/W e temperatura ambiente 30 °C. Dopo l’arresto dei ventilatori, la resistenza termica equivalente assunta sale a Rth,2 = 0,007 K/W. La capacità equivalente resta Cth = 2,0 MJ/K e le perdite restano costanti, ipotesi semplificative.
Prima dell’avaria: θ1 = 30 + 10 000 × 0,004 = 70 °C. Il nuovo regime teorico è θ2,∞ = 30 + 10 000 × 0,007 = 100 °C. La nuova costante di tempo è τ2 = 0,007 × 2 000 000 = 14 000 s ≈ 3,89 h.
Dopo un’ora: θ(3600 s) ≈ 76,8 °C. L’aumento iniziale è graduale, ma il nuovo equilibrio è significativamente più caldo. Non si può tradurre questo esempio direttamente in una soglia di sgancio: il valore ammissibile dipende dalle temperature locali, dai materiali e dalla specifica macchina.
Confronto tra tecnologie
| Aspetto | Immerso in liquido | A secco |
|---|---|---|
| Mezzo refrigerante | Liquido interno, aria o acqua esterna | Aria, naturale o forzata |
| Isolamento | Combinazione liquido-solido | Solido, impregnato o inglobato |
| Diagnostica | Olio e gas disciolti, oltre alle prove elettriche | Prove elettriche, termiche e visive appropriate |
| Accessori tipici | Cassone, radiatori, passanti, eventuale conservatore | Ventilazione, sonde e involucro protettivo |
| Vincolo d’installazione | Gestione del liquido e requisiti ambientali/antincendio | Controllo delle condizioni ambientali e della ventilazione |
Tabella di sintesi dei guasti
| Causa o guasto | Fenomeno e indizi | Protezione o controllo pertinente |
|---|---|---|
| Corto tra spire | Correnti locali, gas, calore; possibile evoluzione rapida | Differenziale ove sensibile, gas/pressione nelle configurazioni pertinenti, diagnostica |
| Guasto verso terra | Correnti di guasto dipendenti dalla rete | Protezione di terra, differenziale, protezione di terra ristretta se prevista |
| Cortocircuito esterno | Sovracorrente e sforzi meccanici | Protezioni di rete selettive e riserva temporizzata |
| Sovraccarico prolungato | Incremento delle temperature | Monitoraggio termico, allarme, gestione del carico e sgancio dove previsto |
| Anomalia del commutatore | Calore, gas, usura, problemi di contatto | Monitoraggio OLTC e protezioni dedicate |
| Perdita del raffreddamento | Temperatura crescente | Allarme pompe/ventilatori, sensori termici, riduzione carico |
| Degrado isolamento | Scariche parziali, gas, peggioramento prove | Diagnostica integrata, manutenzione e protezioni elettriche appropriate |
La tabella esprime corrispondenze possibili e non garantisce che ogni guasto sia rilevato da un unico dispositivo. La protezione reale deve essere definita tramite lo studio di coordinamento.
19. Conclusioni: chiusura del Blocco D e passaggio alle macchine rotanti
Il trasformatore è un sistema multidisciplinare: la conversione elettromagnetica determina flussi e correnti; le geometrie guidano campi e forze; le perdite producono calore; l’isolamento evolve nel tempo; le protezioni devono distinguere anomalie interne, esterne e transitorie ammissibili.
Con gli Articoli 34–41 il Blocco D ha costruito un percorso continuo: materiali magnetici → induzione e accoppiamento → trasformatore ideale e reale → regimi di funzionamento → prove e rendimento → macchine trifase → tecnologie costruttive e sicurezza. Il passo successivo della Roadmap è il Blocco E — Macchine elettriche rotanti; l’Articolo 42 introdurrà statore, rotore e campo magnetico rotante, collegando l’induzione elettromagnetica alla conversione elettromeccanica.
Il completamento scientifico di questo capitolo non sostituisce il collaudo editoriale in WordPress, la verifica Yoast o la certificazione della pubblicazione.
Riferimenti tecnici essenziali
Per approfondimento e verifica dell’applicabilità: IEC 60076-2:2011 (sovratemperature e metodi di raffreddamento); IEC 60076-7:2018 (guida al carico in olio minerale); IEC 60214-1:2014 (commutatori di prese); IEC 60599:2022 (interpretazione dei gas); serie IEC 60270 (misure delle scariche parziali). Le edizioni applicabili e gli eventuali aggiornamenti vanno controllati in funzione del progetto e del contratto.
