Cos'è un trasformatore immerso in un liquido?

Un trasformatore immerso in un liquido è un trasformatore di potenza il cui nucleo e avvolgimenti sono immersi in un liquido dielettrico (comunemente olio minerale o esteri sintetici). Il liquido fornisce due funzioni critiche: isolamento elettrico tra componenti sotto tensione e trasferimento di calore lontano dagli avvolgimenti e dal nucleo. Questi trasformatori sono ampiamente utilizzati per applicazioni di distribuzione e sistemi di alimentazione in cui sono richieste dimensioni compatte, raffreddamento affidabile e prestazioni comprovate a lungo termine.

Tipologie di liquidi e categorie di trasformatori

I trasformatori immersi in liquido sono classificati sia in base al liquido isolante utilizzato che alla costruzione del trasformatore. La scelta del liquido influisce sull'infiammabilità, sulla biodegradabilità, sulle prestazioni termiche e sui requisiti di manutenzione.

Liquidi isolanti comuni

• Olio minerale: il più alto utilizzo storico; eccellenti proprietà dielettriche; infiammabile; richiede il contenimento dell'olio e il controllo delle perdite.
• Esteri vegetali/sintetici: biodegradabili, punto di infiammabilità più elevato, migliore prestazione al fuoco; può prolungare la durata dell'isolamento della carta.
• Fluidi siliconici e altri sintetici: utilizzati in applicazioni speciali in cui le prestazioni rispetto alla temperatura o la non infiammabilità sono priorità.

Categorie costruttive dei trasformatori

• Trasformatori riempiti di olio sigillati ermeticamente, progettati per ridurre al minimo l'ingresso di umidità e ridurre la manutenzione.
• Tipo di conservatore (sfiatatoio): include un conservatore dell'olio e uno sfiatatoio in gel di silice per l'espansione e il controllo dell'umidità.
• Trasformatori immersi con raffreddamento forzato ad olio o ad aria forzata - per una maggiore stabilità del carico o della temperatura.

Costoruzione e componenti chiave

Un trasformatore immerso in un liquido integra sistemi meccanici, elettrici e fluidi. Comprendere questi componenti aiuta nella pianificazione della manutenzione e nella diagnosi dei guasti.

Nucleo, avvolgimenti e serbatoio

Il nucleo in acciaio laminato fornisce il percorso magnetico; gli avvolgimenti (rame o alluminio) vengono avvolti e isolati, quindi supportati fisicamente all'interno di una vasca di acciaio che contiene il liquido isolante. Un supporto meccanico adeguato limita le vibrazioni e lo spostamento sotto forze di cortocircuito.

Sistema di isolamento e accessori

La carta/cartone isolante combinato con il liquido costituisce il sistema dielettrico. Gli accessori includono boccole, rubinetti/OLTC (commutatore sotto carico) o commutatore a vuoto, conservatore o camera di espansione, sfiato in gel di silice, termometro, dispositivo di limitazione della pressione e indicatori di livello dell'olio.

Come funziona un trasformatore immerso in un liquido

Il funzionamento segue i principi elettromagnetici: la tensione alternata al primario crea un flusso magnetico variabile nel tempo nel nucleo; quel flusso induce una tensione nel secondario proporzionale al rapporto spire. Le perdite (nucleo e rame) generano calore; il liquido assorbe calore e lo trasferisce alla superficie del serbatoio, dove si dissipa nell'aria ambiente o viene raffreddato tramite radiatori e ventole.

Vantaggi e limiti

Vantaggi

• Raffreddamento eccellente: il liquido allontana il calore dagli avvolgimenti in modo più efficace dell'aria, consentendo una maggiore capacità di carico per una determinata dimensione.
• Affidabilità comprovata e lunga durata se mantenute correttamente.
• Rumorosità inferiore e ingombro compatto rispetto ai tipi a secco comparabili per potenze medie e grandi.

Limitazioni e rischi

• Rischio di incendio con olio minerale: richiede protezione antincendio, distanziamento o uso di fluidi meno infiammabili in siti sensibili.
• Potenziale impatto ambientale derivante dalle perdite di petrolio: il contenimento e la risposta alle fuoriuscite sono obbligatori in molte giurisdizioni.
• L'ingresso di umidità nel tempo può deteriorare l'isolamento della carta se gli sfiatatoi e le guarnizioni sono inadeguati.

Applicazioni e valutazioni tipiche

I trasformatori immersi in liquido coprono un'ampia gamma: trasformatori di distribuzione montati su palo (gamma kVA), trasformatori montati su pad per la distribuzione sotterranea, trasformatori di potenza per sottostazioni (gamma MVA) e unità specializzate per l'industria e le energie rinnovabili. La selezione dipende dalla tensione del sistema, dal livello di cortocircuito, dal profilo di carico e dai vincoli del sito.

Requisiti di installazione e del sito

Fondazione e spaziatura

Installare su una fondazione piana e rigida, dimensionata per il peso del trasformatore e i carichi sismici. Fornire spazi minimi per il raffreddamento, l'accesso per la manutenzione e la sicurezza in base alle normative elettriche locali. Garantire un'adeguata messa a terra e protezione contro i fulmini ove richiesto.

Contenimento del petrolio e ambiente

Laddove viene utilizzato olio minerale, i quadri normativi spesso richiedono un contenimento secondario (bacini, piastre di cemento) e piani di risposta alle fuoriuscite. Per i siti sensibili prendere in considerazione fluidi meno infiammabili e biodegradabili per ridurre l'onere normativo.

Manutenzione, monitoraggio e test

La manutenzione proattiva prolunga la vita del trasformatore e previene interruzioni non pianificate. Una combinazione di ispezione visiva, test dei fluidi e test elettrici produce i migliori risultati.

Compiti di routine

• Ispezione visiva per perdite, corrosione e livello dell'olio.
• Sostituzione o rigenerazione dello sfiato del gel di silice per controllare l'ingresso di umidità.
• Scansione termica di boccole, radiatori e connessioni per rilevare punti caldi.

Test diagnostici

• Analisi dei gas disciolti (DGA): identifica i guasti incipienti come archi elettrici, surriscaldamento e scariche parziali.
• Prove di rigidità dielettrica dell'olio (BDV), contenuto di acqua, acidità e tensione interfacciale.
• Test del rapporto spire, resistenza dell'avvolgimento, fattore di potenza di isolamento (tan delta) e analisi della risposta in frequenza di scansione (SFRA).

Risoluzione dei problemi comuni

I problemi comuni del trasformatore includono surriscaldamento, perdite, guasti alle boccole e archi interni. La risoluzione sistematica dei problemi combina la cronologia operativa, i modelli DGA, la termografia e i test elettrici per identificare le cause profonde e dare priorità all'azione.

Criteri di selezione e confronto

La scelta del giusto trasformatore immerso in liquido richiede la valutazione delle caratteristiche del carico, dei vincoli del sito, delle norme ambientali e del costo totale di proprietà, compresa la manutenzione.

Sicurezza, normative e considerazioni ambientali

Rispettare le normative elettriche locali, le norme antincendio e le norme ambientali relative al contenimento secondario e allo smaltimento dell'olio usato per trasformatori. Per installazioni in aree popolate o sensibili dal punto di vista ambientale, adottare fluidi a bassa infiammabilità e garantire il contenimento delle fuoriuscite. Assicurarsi che il personale segua le procedure di lockout/tagout, lavori a caldo e spazi confinati durante l'esecuzione della manutenzione.

Durata utile e pianificazione della sostituzione

La durata di servizio tipica varia da 25 a 40 anni a seconda del carico, del raffreddamento, della manutenzione e delle condizioni del fluido. Utilizza l'andamento del DGA, del fattore di potenza di isolamento e della qualità dell'olio per prevedere la fine del ciclo di vita. Pianifica la sostituzione ben prima di guasti catastrofici per evitare tempi di inattività del sistema e costose sostituzioni di emergenza.

Consigli pratici per operatori e tecnici

• Stabilire un programma di monitoraggio di routine: scansioni visive, termiche, campionamento dell'olio e DGA a intervalli regolari.
• Documenta la cronologia dei carichi e le prestazioni termiche per rilevare il sovraccarico cronico.
• Considerare l'aggiornamento ai fluidi esteri per una maggiore sicurezza antincendio nei siti popolati.
• In caso di dubbi, consultare i produttori di trasformatori e i laboratori di prova accreditati per l'interpretazione del DGA e gli interventi principali.

Domande frequenti

Posso sostituire l'olio minerale con un estere in un trasformatore esistente?

A volte sì, ma la trasformazione richiede verifiche di compatibilità: guarnizioni, guarnizioni, vernici e isolamenti in carta possono reagire in modo diverso. Prima della sostituzione del fluido sono necessari test di laboratorio e l'approvazione del fornitore.

Quanto spesso dovrei eseguire la DGA?

La frequenza dipende dalla criticità: i trasformatori ad alta importanza spesso hanno un DGA trimestrale o mensile, mentre le unità a basso rischio possono essere campionate annualmente. Dopo qualsiasi evento anomalo (guasto, sovraccarico, fulmine) campionare immediatamente.

Quando un trasformatore viene considerato a fine vita?

Considerare la sostituzione quando i test di isolamento mostrano un progressivo degrado, il DGA indica guasti interni irreversibili, i costi di riparazione superano i costi di sostituzione o quando l'affidabilità operativa è compromessa.

I trasformatori immersi in liquido rimangono una pietra angolare della distribuzione elettrica grazie alle loro prestazioni termiche e all'efficienza in termini di costi. La corretta selezione del fluido, l'installazione, il monitoraggio proattivo e il rispetto delle normative ambientali e di sicurezza massimizzeranno l'affidabilità e ridurranno al minimo i rischi.