Questa è una di quelle domande che sembrano semplici ma che riguardano il modo in cui un trasformatore resisterà nel corso della sua vita. Alcuni clienti mi hanno chiamato dopo un temporale, frustrati dal fatto che il loro trasformatore si era guastato mentre quello in fondo alla strada era sopravvissuto. La differenza di solito si riduce a una cosa: la capacità di resistere alle sovratensioni.
Parliamo di cosa significa realmente e perché varia da unità a unità.
Comprendere la capacità di resistenza alle sovratensioni
La capacità di resistenza alle sovratensioni si riferisce alla capacità di un trasformatore di tipo secco di gestire transitori di tensione, sovratensioni di breve durata che possono raggiungere molte volte il normale livello operativo. Questi non sono i sovraccarichi lenti che fanno scattare gli interruttori. Stiamo parlando di eventi misurati in microsecondi: fulmini a chilometri di distanza che inducono picchi di tensione sulla linea, commutazione di banchi di condensatori che invia onde viaggianti lungo l'alimentatore o operazioni di interruttori di rete che riflettono gli impulsi di tensione attraverso il sistema.
Quando una sovratensione colpisce un trasformatore, sollecita il sistema di isolamento tra le spire, tra le fasi e dagli avvolgimenti a terra. L'isolamento regge oppure no. Se fallisce, si verificano cortocircuiti tra le svolte, guasti fase-fase o guasti da avvolgimento a terra. Uno qualsiasi di questi significa che il trasformatore non è più in linea e spesso necessita di sostituzione, non di riparazione.
Cosa misura effettivamente la capacità di resistenza alle sovratensioni
In termini pratici, la resistenza alle sovratensioni di un trasformatore è quantificata dal suo livello di impulso di base (BIL). Si tratta di un valore di tensione di picco, come 10 kV, 30 kV o 95 kV, a cui il sistema di isolamento deve sopravvivere durante i test standardizzati. La forma d'onda del test è un impulso da 1,2/50 microsecondi: raggiunge il picco in 1,2 microsecondi e decade alla metà di quel valore in 50 microsecondi. Questa forma si avvicina al tipo di sollecitazioni transitorie che un trasformatore vede a causa di fulmini o eventi di commutazione.
Quando vedi un trasformatore di tipo a secco specificato con un BIL di 10 kV per un'unità di classe 600 V o un BIL di 95 kV per un'unità di classe 15 kV, quello è il picco di tensione che è progettato per resistere senza guasti all'isolamento. Ciò non significa che il trasformatore "cavalca" la sovratensione e continua a funzionare, significa che il sistema di isolamento sopravvive all'evento senza rompersi.
Perché questo è importante nelle applicazioni reali
È qui che vedo più spesso la confusione. Qualcuno presume che, poiché un trasformatore è valutato per 480 V, può gestire un picco momentaneo fino a 1000 V. E potrebbe, una volta. Ma le sovratensioni indotte dai fulmini possono raggiungere 6 kV o più nei sistemi a bassa tensione. Senza un BIL adeguato, quell’evento perfora l’isolamento.
Negli edifici commerciali, un trasformatore guasto significa che gli ascensori si fermano, l’impianto HVAC si spegne e gli inquilini si arrabbiano. Negli impianti industriali, ciò significa che le linee di produzione si oscurano, le materie prime si trasformano in rottami e gli addetti alla manutenzione fanno gli straordinari. Il costo del trasformatore stesso è ridotto rispetto ai tempi di inattività che provoca.
Ciò che determina effettivamente la capacità di resistenza alle sovratensioni
Materiali isolanti e costruzione
Il sistema di isolamento è la prima linea di difesa. In trasformatori in resina come i nostriTrasformatore a secco serie SC-gli avvolgimenti sono fusi sotto vuoto in resina epossidica in condizioni controllate. Ciò elimina i vuoti dove potrebbe iniziare la scarica parziale. La resina epossidica stessa ha un'elevata rigidità dielettrica, ma altrettanto importante è il modo in cui si lega ai conduttori e come viene gestita la classificazione del campo interno alle estremità degli avvolgimenti.
Per i tipi a secco ventilati che utilizzano Nomex o materiali simili, lo strato di isolamento e le distanze superficiali determinano la capacità del trasformatore di gestire le sovratensioni. I materiali in sé sono buoni, ma la geometria - quanto lontano deve viaggiare l'onda lungo le superfici, come il campo si concentra agli angoli - è altrettanto importante.
Progettazione degli avvolgimenti e classificazione della tensione
Questa è la parte che non puoi vedere dall'esterno. Quando una sovratensione entra in un avvolgimento, non si distribuisce uniformemente. La caduta di tensione iniziale si concentra nelle prime spire. Se l'isolamento da una svolta all'altra non è progettato per sopportare tale stress, le prime svolte falliscono.
I buoni progetti utilizzano tecniche come avvolgimenti interfogliati o spire di avvio schermate per classificare la tensione in modo più uniforme. È un lavoro di dettaglio ingegneristico, ma separa i trasformatori che sopravvivono alle sovratensioni da quelli che non lo fanno.
Qualità di produzioneIl miglior progetto fallisce se l’esecuzione è scarsa. Vuoti nella fusione, impregnazione incoerente o isolamento danneggiato durante l'assemblaggio creano tutti punti deboli in cui le sovratensioni troveranno un percorso. Ecco perché testiamo ogni unità, non solo i campioni di progettazione, per verificare le scariche parziali. Rileva i difetti prima che diventino fallimenti sul campo.
Come viene testata la resistenza alle sovratensioni
Il test a impulsi non è qualcosa che puoi fare con un misuratore portatile. Richiede un generatore di impulsi che carica i condensatori e li scarica attraverso gli avvolgimenti del trasformatore con tempi e forme d'onda precisi.
Durante il test, applichiamo una serie di impulsi al livello BIL completo, con polarità positiva e negativa, monitorando eventuali cambiamenti nella forma d'onda che indicano un guasto. Eseguiamo anche impulsi di tensione ridotti per confronto. Il trasformatore passa se le forme d'onda registrate corrispondono prima e dopo l'applicazione della piena tensione. Qualsiasi deviazione significa fallimento interno.
Misuriamo anche le scariche parziali prima e dopo il test ad impulso. Se l'aumento ha causato danni microscopici che non hanno causato un guasto immediato, i livelli di scarica parziale aumenteranno. Quell'unità viene rifiutata.
Protezione esterna e capacità interna
Devo essere chiaro su una cosa: gli scaricatori di sovratensione esterni e la capacità di resistenza alle sovratensioni interna sono complementari, non intercambiabili.
Gli scaricatori limitano la tensione che raggiunge i terminali del trasformatore. Ma hanno dei limiti: possono bloccarsi solo a un certo punto e una certa energia riesce sempre a passare. L'isolamento stesso del trasformatore deve gestire ciò che rimane. Affidarsi interamente alla protezione esterna senza un adeguato BIL interno è una scommessa che ho visto perdere troppe volte.
Per le applicazioni critiche, progettiamo il livello BIL appropriato all'esposizione e raccomandiamo gli scaricatori come protezione aggiuntiva. Entrambi contano.
Cosa facciamo in modo diverso
Il nostro approccio inizia con la comprensione del luogo in cui vivrà il trasformatore. Un'unità che entra in un data center con un alimentatore dedicato e una buona schermatura ha un'esposizione diversa rispetto a un'unità che alimenta un sito industriale remoto con chilometri di linea aerea.
Progettiamo sistemi di isolamento per soddisfare o superare i livelli BIL previsti dagli standard, ma non ci fermiamo qui. Testiamo ogni unità di produzione per lo scarico parziale. Verifichiamo le prestazioni di impulso su prove di tipo e unità di produzione di campioni. Esaminiamo i dettagli - progettazione delle terminazioni, distanze superficiali, classificazione del campo - che determinano se un trasformatore sopravvive alla prima stagione dei fulmini.
La linea di fondo
La capacità di resistere alle sovratensioni non è una caratteristica di lusso. È un requisito fondamentale per qualsiasi trasformatore connesso alla rete. La domanda non è se il tuo trasformatore ne ha bisogno, ma se quello che stai acquistando ce l'ha effettivamente o semplicemente lo afferma.
Quando si specificano trasformatori di tipo a secco, richiedere la classificazione BIL. Chiedi informazioni sui test di scarica parziale. Chiedere come sono progettati gli avvolgimenti per gestire i gradienti di tensione durante le sovratensioni. Le risposte separano i fornitori che comprendono il rischio da quelli che aspettano la tua prima chiamata in caso di fallimento.
Se vuoi parlare della tua richiesta e sapere quale livello di protezione è opportuno, sarò felice di aiutarti. I nostri prodotti, come ilTrasformatore di tipo secco serie SC, sono progettati per fornire un'alimentazione affidabile in vari ambienti elettrici difficili. Vediamo molti siti e abbiamo imparato cosa funziona.
Riferimenti
- IEEE Std C57.12.01, Requisiti generali standard per la distribuzione a secco e i trasformatori di potenza.
- IEC 60076-11, *Trasformatori di potenza – Parte 11: Trasformatori di tipo a secco.
- IEEE Std C62.22, Guida per l'applicazione degli scaricatori di sovratensione all'ossido di metallo per sistemi a corrente alternata.
