Le perdite sono proporzionali al peso del componente. La cessione allambiente del calore prodotto da...

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.

s

Raffreddamento dei trasformatoriRaffreddamento dei trasformatori

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

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

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.

Tipo di circolazioneNatura del mezzoTipo di circolazioneNatura del mezzo

4a lettera3a lettera2a lettera1a lettera

Mezzo refrigerante a contatto con gli avvolgimenti

Mezzo refrigerante a contatto con il sistema esterno di raffreddamento

DForzata e guidata

FForzata non guidata

NNaturale

AAria

WAcqua

GGas

LLiquido isolante non infiammabile

OOlio isolante (infiammabile)

simboloNatura del mezzo refrigerante

Tipo di circolazione

Trasformatore a secco con raffreddamento naturale dell’aria all’interno e forzata all’esterno

ANAF

Trasformatore a secco con raffreddamento naturale dell’aria

AN

Trasformatore in olio con circolazione naturale dell’olio e forzata dell’aria

ONAF

Trasformatore in olio con circolazione naturale dell’olio e dell’aria

ONAN

esempi

Sigle prevista dalle Norme CEI 76-2 per il raffreddamento dei trasformatori

codice a 4 lettere

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.

A secco con ventilazione naturale in aria : AN

a secco in resina

A secco conventilazione naturale.

A secco conventilazione forzata.

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

ELEMENTI COSTRUTTIVIELEMENTI 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

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

Trasf. ONANTrasf. ONAN

Circolazione naturale dell’olio e raffreddamento ad aria a circolazione naturale. E’ il capostipite di tutti i sistemi di raffreddamento

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

Può essere dotato di alette, tubi di raffreddamento o radiatori esterni

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

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

t: passo di alettatura; d o h: altezza di alettatura

a, b: gole di alettatura

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

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

In olio con circolazione naturale dell’olio e raffreddamento naturale in aria: ONAN

radiatori

serbatoio olio

In olio con circolazionee raffreddamentoforzati dell’olio.

olio

acqua

In olio con circolazionee raffreddamentoforzati dell’olio, conscambiatori ad acqua.

In olio con circolazionee raffreddamentoforzati dell’olio medianteaerotermi.

aria aria

In olio con circolazione naturale dell’olio raffreddato ad aria forzata: ONAF

aria

olio

In olio con circolazione forzata e guidata dell’olio raffreddato ad aria forzata: ODAF

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

aerotermiaerotermi

Scambiatore di calore olio-acqua per OFWF OFWD ODWDScambiatore di calore olio-acqua per OFWF OFWD ODWD

olio

acqua

scambiatori di calore

scambiatori di calore

Fotografia all’infrarosso di un trsaformatore in servizio

(in rosso le parti a temperatura maggiore)

Schema semplificato per la demineralizzazione dell’acqua di raffreddamento dello statore

avvolgimento

serbatoio polmone

deionizzatore

refrigerante

pompe di circolazione

filtro

V = portata volumetrica del fluido di raffreddamento [m3/s]e = temperatura in entrata [°C]

u = temperatura in uscita [°C]

= peso specifico del fluido di raffreddamento [kg/m3]cp = calore specifico a pressione costante del fluido di raffreddamento [J/kg°C]

[W] eupVcP Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff.

2eu

m

/s][m

23

euspA

PV

Cm

J

m

kg

Ckg

J33contenuto termico specifico Asp = · cp

s]/W[m 2

1 3

eusp

sp AP

VV

Portata volumetrica specifica

Fluido Asp (°C) Vsp

aria 1150 (J/°C m3) 25 2,1 (m3/kW min)

olio 1550 (J/°C dm3) 14 2,7 (dm3/kW min)

acqua 4180 (J/°C dm3) 14 1,0 (dm3/kW min)

idrogeno 1220 (J/°C m3) 25 1,9 (m3/kW min)

2

1

spsp A

V

= coefficiente di dilatazione dei gas perfetti

= peso specifico del gas di raffreddamento

c = calore specifico a pressione costante

k = conducibilità termica del gas

= viscosità del gas

c = 1009 J/°C kg ; = 1/293 ; = 1,2 kg/m3

k = 0,025 W/°C m ; = 0,185 10-4 kg/saria

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

ACCESSORI DEI TRASFORMATORIACCESSORI 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.

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.

SERBATOISERBATOI

Il serbatoio è dimensionato per contenere il 7 - 10% del volume di olio che c’è nel cassone e nel sistema di raffreddamento

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

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

SISTEMAZIONE DI ALCUNI ACCESSORISISTEMAZIONE DI ALCUNI ACCESSORI

VALVOLA A DIAFRAMMA

BUCHOLZ

ESSICATORI DELL’ARIAgel di silice per deumidificarel’aria

CONSERVATORE

SACCO DI PROTEZIONE

Misuratore e visualizzatore di livello

FUNZIONAMENTO DEL RELÈ BUCHOLZ

FUNZIONAMENTO DEL RELÈ BUCHOLZ

FLUSSO DELL’OLIOO DEL GAS

AL CONSERVATORERELÉ A GALLEGGIANTE(ALLARME)

RELÉ A PALETTA(DISTACCO)

VALVOLA DI PRELIEVO GAS

Sistema barometrico con atmosfera inerte di azotoSistema barometrico con atmosfera inerte di azoto

olio

cassone azoto

aria

filtro

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.

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.

Isolatori passantiIsolatori passanti

parete

passante

conduttore in tensione

isolamento esterno (molto spesso in aria)

isolamento interno

ISOLATORI PASSANTI: CLASSIFICAZIONEISOLATORI 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.

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.

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.

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.

Passanti in porcellana per bassa e media tensione

Isolamento interno ed esterno in porcellana

Isolamento interno ed esterno in porcellana

Passanti per media tensione in resina epossidica

Isolamento interno ed esterno in resinaIsolamento interno ed esterno in resina

isolamento esterno in porcellana

isolamento interno in SF6

conduttore

Isolatore passante per alta tensione in SF6

ISOLATORE PASSANTE CON SCHERMO A MASSA ISOLATORE PASSANTE CON SCHERMO A MASSA

Isolamento solido Conduttore

Ri

Re

r

Schermo

In prima approssimazione (trascurando l’effetto dei bordi) la sollecitazione dielettrica può essere calcolata con un campo a simmetria cilindrica

r1

r2

r

V

materiale isolante

12ln)(

rrr

VrE

Sollecitazione dielettrica

E

rr1 r2

E(r)

121 ln rrr

VEmax

00

r2

r1r1min

Emm

71,22

11

rrr min si ha un minimo per

Emm

Sollecitazione dielettrica massima in funzione del raggio del conduttore

Tra tutti i raggi di conduttore possibili si cerca quello che minimizza il campo elettrico.Tra tutti i raggi di conduttore possibili si cerca quello che minimizza il campo elettrico.

ISOLATORE PASSANTE CON SCHERMO E CONDUTTORE CAVO

ISOLATORE PASSANTE CON SCHERMO E CONDUTTORE CAVO


Ri

Re

r

Schermo

ISOLATORE PASSANTE CON DOPPIO SCHERMOISOLATORE PASSANTE CON DOPPIO SCHERMO


Re

r

Schermi

PASSANTE A CONDENSATORE ARIA - OLIOPASSANTE A CONDENSATORE ARIA - OLIO

FLANGIA A POTENZIALE DI TERRA

LATO ARIA

LATO OLIO

ARMATURE

r1 r2

2

1

r

r

EdrV

rr2r1

E

• 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

• il materiale è sollecitato solo in prossimità del conduttore

Sollecitazione dielettrica

un solo strato di isolamento

r1 r2

isolamento formato da N strati

conduttore

isolamento in aria

isolamento in olio

cartocci isolanti

strato di materiale conduttore

porcellana

rri

li

ri ri+1

i-esimo strato

V

Vi

obbiettivo:

Vi = cost.

Schema di un passante a condensatore

Sistema isolante formato da N strati tutti dello stesso materiale di permettività

1

1ln2

)(i

i

r

r i

i

iii r

r

l

QdrrEV

obbiettivo del dimensionamento

cost.N

VVi

cost.ln1 1

i

i

i r

r

l

r i+1

r i

l i

i-esimo strato

cost.ln1 1

i

i

i r

r

l

i

iii

i

i

r

d

r

dr

r

r

1

1

1

facendo tutti gli strati dello stesso identico spessore d

ii

i

r

d

r

r 11

cost.ii rl

32

3

1

2

11ln

iiii r

d

r

d

r

d

r

d

poiché è ri << d

ii r

d

r

d

1ln

isolamento in aria

isolamento in olio

cartocci isolanti

strato di materiale conduttore

porcellana

rri

liconduttore

cost.ii rl

Passante per trasformatore (parte immersa in olio)

Passanti per alta e altissima tensione

Passante per l’attraversamento di una parete 400 kV, 4000 A isolamento esterno in porcellana - isolamento interno in carta-olio

d

distanza d’isolamento in aria

isolamento esterno in porcellana

isolamento interno

Passanti a condensatore

Isolatori passanti per 145 kV Isolatori passanti per 380 kV

Isolatori passanti in alta tensione

distanza di isolamento in aria (isolamento esterno)

d

Isolatori passanti per altissima tensione in carta olio

LE SOVRATENSIONI NEGLI IMPIANTI A. T.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 1,2/50s o con impulsi di corrente 8/20 s.

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 1,2/50s o con impulsi di corrente 8/20 s.

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).

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).

ACCORGIMENTI COSTRUTTIVIACCORGIMENTI 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).

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).

SOLLECITAZIONI IN TENSIONE IN UN TRASFORMATORE

SOLLECITAZIONI IN TENSIONE IN UN TRASFORMATORE

ATBTSollecitazioni

verso massa

Sollecitazionifra gli avvolgimenti

Sollecitazioni fra le spire

Il valore delle sovratensioni che incidono sui trasformatori dipende dal coordinamento dell’isolamento del sistema e dal tipo di protezioni impiegate.

L’avvolgimento non è schematizzabile con parametri concentrati

Un tratto infinitesimo, dx, dell’avvolgimento può essere rappresentato come:

L’avvolgimento non è schematizzabile con parametri concentrati

Un tratto infinitesimo, dx, dell’avvolgimento può essere rappresentato come:

DISTRIBUZIONE DELLE SOLLECITAZIONI IMPULSIVEDISTRIBUZIONE DELLE SOLLECITAZIONI IMPULSIVE

dx x

x=0

x=h

Conr [/m] resistenza longitudinale specifical [H/m] induttanza “ “g [S/m] conduttanza trasversale specificacl [F/m] capacità longitudinale specificact [F/m] capacità trasversale specifica

dxcldx

rdxldx

gdx

ctdxHV

GND

Considero r ed l; Trascuro g, ct, cl Considero r ed l; Trascuro g, ct, cl

MODELLO IN BASSA FREQUENZA: parametri concentratiMODELLO IN BASSA FREQUENZA: parametri concentrati

dxrdxldx

hRL

Considero ct, cl ; Trascuro g, r, l Considero ct, cl ; Trascuro g, r, l

MODELLO IN ALTA FREQUENZA: parametri distribuitiMODELLO IN ALTA FREQUENZA: parametri distribuiti

dxcldx

ctdx

Distribuzione della tensione impulsive nell’avvolgimentoDistribuzione della tensione impulsive nell’avvolgimento

Se si considerano le frequenze in gioco in presenza di sovratensioni di origine atmosferica, il modello più corretto di un avvolgimento, in alta frequenza, è costituito da una rete di capacità fra spire (cl) e verso massa (ct).

Nello schema relativo ad una singola fase, considero A e B la entrata e la uscita dell’avvolgimento

L’impulso di tensione è in A per t=0 e vale V0

Se si considerano le frequenze in gioco in presenza di sovratensioni di origine atmosferica, il modello più corretto di un avvolgimento, in alta frequenza, è costituito da una rete di capacità fra spire (cl) e verso massa (ct).

Nello schema relativo ad una singola fase, considero A e B la entrata e la uscita dell’avvolgimento

L’impulso di tensione è in A per t=0 e vale V0

Act

cl

dVx

dIx

x

B

h

V0

Vx

Nel tratto dx ho una perdita di corrente verso massa ed una caduta sulla impedenza longitudinale

la cui soluzione è del tipo:

Nel tratto dx ho una perdita di corrente verso massa ed una caduta sulla impedenza longitudinale

la cui soluzione è del tipo:

ydx

dI(x)

I(x)+dI(x)

V(x)+dV(x)

I(x) V(x)

dV(x)

ydx)x(Vydx)]x(dV)x(V[)x(dI

zdx)x(I)x(dV

zdx )x(Vydx

)x(dI)x(Iz

dx

)x(dV

con con

)xcosh(I)xsenh(Z

V)x(I

)xsenh(ZI)xcosh(V)x(V

00

00

zyey

zZ

Ulteriore semplificazione: z= 1/scl ; y=sct =>

In generale le capacità di spira sono molto minori rispetto alle capacità distribuite verso massa

La soluzione dell’equazione differenziale assume forme diverse a seconda delle condizioni al contorno che riflettono il tipo di collegamento scelto per l’avvolgimento

Ulteriore semplificazione: z= 1/scl ; y=sct =>

In generale le capacità di spira sono molto minori rispetto alle capacità distribuite verso massa

La soluzione dell’equazione differenziale assume forme diverse a seconda delle condizioni al contorno che riflettono il tipo di collegamento scelto per l’avvolgimento

V(x)dxscdI(x);dxsc

I(x)dV(x) t

l

l

t

tl2 c

ced

ccs

1Z

STELLA CON NEUTRO A TERRASTELLA CON NEUTRO A TERRA

A collegato alla linea B collegato a terra per x = 0 V(0) = V0

per x = l V(l) = 0

A collegato alla linea B collegato a terra per x = 0 V(0) = V0

per x = l V(l) = 0

0)lsenh(ZI)lcosh(V)l(V 00

)lsenh(

)lcosh(VZI 0

0

)xsenh()lsenh(

)lcosh(V)xcosh(V)x(V 0

0

Dopo alcuni passaggi si ottiene:

basso => ctbasso e/o cl elevato

distribuzione uniforme tra le spire

elevato => ct elevato e/o cl basso

distribuzione disuniforme tra le spire

prevalenza di caduta sulle prime spire

Dopo alcuni passaggi si ottiene:

basso => ctbasso e/o cl elevato

distribuzione uniforme tra le spire

elevato => ct elevato e/o cl basso

distribuzione disuniforme tra le spire

prevalenza di caduta sulle prime spire

20 5 2 0

A 0 x l B

V(x)/V0

1

)lsenh(

)]xl(senh[V)x(V 0

l

t

c

c

Field distribution

x/l

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Ex/

Eo

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

= 0 = 1 = 2 = 5 = 20

Field distribution

x/l

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Ex/

Eo

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

= 0 = 1 = 2 = 5 = 20

L’andamento della tensione tra le spire dell’avvolgimento è regolato da Per =>0 la distribuzione delle sollecitazioni elettriche è lineare e si può applicare la regola del Volt/spira (dV(x)/dx=cost)

L’andamento della tensione tra le spire dell’avvolgimento è regolato da Per =>0 la distribuzione delle sollecitazioni elettriche è lineare e si può applicare la regola del Volt/spira (dV(x)/dx=cost)

Se invece è elevato, la caduta di tensione si concentra nelle prime spire sollecitandone oltre misura

Dato che cresce al crescere delle capacità tra le spire, questa sollecitazione si accentua al crescere della potenza della macchina perché aumentano le dimensioni degli avvolgimenti

Se invece è elevato, la caduta di tensione si concentra nelle prime spire sollecitandone oltre misura

Dato che cresce al crescere delle capacità tra le spire, questa sollecitazione si accentua al crescere della potenza della macchina perché aumentano le dimensioni degli avvolgimenti

STELLA CON NEUTRO ISOLATOSTELLA CON NEUTRO ISOLATO

A collegato alla linea B isolato => I(l)=0 per x = 0 Vx = V0

per x = 2l Vx = V0

A collegato alla linea B isolato => I(l)=0 per x = 0 Vx = V0

per x = 2l Vx = V0

A 0 x l B

V(x)/V0

1

)lcosh(

)]xl(cosh[V)x(V 0

COLLEGAMENTO A TRIANGOLOCOLLEGAMENTO A TRIANGOLO

A collegato alla linea B collegato alla linea per x = 0 V(0) = V0

per x = l V(l) = V0

A collegato alla linea B collegato alla linea per x = 0 V(0) = V0

per x = l V(l) = V0

V(x)/V0

1

A 0 x l B

)senh(

)]xl(senh[)]l/x(senh[V)x(V 0

Se non si adottano particolari accorgimenti in un normale avvolgimento si ha:

> 5 Con opportuni accorgimenti progettuali e costruttivi

si può arrivare ad avere:

< 1 Per > 5 il gradiente sulle prime spire si può così

esprimere:

Esso è cioè volte il gradiente corrispondente ad una distribuzione uniforme.

Se non si adottano particolari accorgimenti in un normale avvolgimento si ha:

> 5 Con opportuni accorgimenti progettuali e costruttivi

si può arrivare ad avere:

< 1 Per > 5 il gradiente sulle prime spire si può così

esprimere:

Esso è cioè volte il gradiente corrispondente ad una distribuzione uniforme.

l

V

dx

dV(x) 0

0x

E’ infine necessario precisare che Ex è la tensione all’istante iniziale nel punto x dell’avvolgimento.

Nel tempo tale tensione evolve per le riflessioni che si verificano agli estremi dell’avvolgimento.

Tali riflessioni possono portare anche a tensioni e a gradienti fra le spire con valori più elevati di quelli che si verificano all’istante iniziale

E’ infine necessario precisare che Ex è la tensione all’istante iniziale nel punto x dell’avvolgimento.

Nel tempo tale tensione evolve per le riflessioni che si verificano agli estremi dell’avvolgimento.

Tali riflessioni possono portare anche a tensioni e a gradienti fra le spire con valori più elevati di quelli che si verificano all’istante iniziale

TENSIONE, RIFERITA AL VALORE MASSIMO DELLA TENSIONE DI LINEA, PER x = 80%, IN

FUNZIONE DEL TEMPO

TENSIONE, RIFERITA AL VALORE MASSIMO DELLA TENSIONE DI LINEA, PER x = 80%, IN

FUNZIONE DEL TEMPO

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Tempo a partire dall'istante iniziale dell'impulso ( s)

Ten

sio

ne

app

licat

a %

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Tempo a partire dall'istante iniziale dell'impulso ( s)

Ten

sio

ne

app

licat

a %

ACCORGIMENTI ATTI A RIDURRE .ACCORGIMENTI ATTI A RIDURRE .

Il valore del parametro è determinante per migliorare il comportamento di un avvolgimento A.T.. Tanto più è elevato tanto maggiore è la differenza di potenziale sulle prime spire

Posso pensare di aumentare lo spessore dell’isolamento di spira. La capacità tra spire è molto piccola e non riesco ad ottenere gli effetti sperati.

Il valore del parametro è determinante per migliorare il comportamento di un avvolgimento A.T.. Tanto più è elevato tanto maggiore è la differenza di potenziale sulle prime spire

Posso pensare di aumentare lo spessore dell’isolamento di spira. La capacità tra spire è molto piccola e non riesco ad ottenere gli effetti sperati.

Bisp.

Un aumento del bispessore porta ad una riduzione di c. Si deve aumentare la capacità tra spire e diminuire quella contro massa

bisp

AreaC

Nei piccoli trasformatori si rinforza l’isolamento di spira e di bobina delle prime bobine. Non è razionale ma si usa fare

Possono essere adottati i seguenti accorgimenti:iniezione di corrente nelle prime spire con

accoppiamenti capacitivi con il terminale A.T. (schermi, anelli diffusori);

aumento della differenza di potenziale fra spire adiacenti con la realizzazione di particolari avvolgimenti (a spire interposte, a strati).

Nei piccoli trasformatori si rinforza l’isolamento di spira e di bobina delle prime bobine. Non è razionale ma si usa fare

Possono essere adottati i seguenti accorgimenti:iniezione di corrente nelle prime spire con

accoppiamenti capacitivi con il terminale A.T. (schermi, anelli diffusori);

aumento della differenza di potenziale fra spire adiacenti con la realizzazione di particolari avvolgimenti (a spire interposte, a strati).

INIEZIONE DI CORRENTE MEDIANTE ACCOPPIAMENTI CAPACITIVI

INIEZIONE DI CORRENTE MEDIANTE ACCOPPIAMENTI CAPACITIVI

c

C

x

B

Si colloca in testa all’avvolgimento di AT una grossa spira cava, aperta che crei una capacità e non provochi circolazione di corrente

Se non basta si inseriscono degli schermi anulari lungo l’avvolgimento

Si colloca in testa all’avvolgimento di AT una grossa spira cava, aperta che crei una capacità e non provochi circolazione di corrente

Se non basta si inseriscono degli schermi anulari lungo l’avvolgimento

Nei grandissimi trasformatori a connessione diretta in rete e soggette a fulminazioni, si inseriscono degli schermi parabolici che interessano tutto l’avvolgimento

Nei grandissimi trasformatori a connessione diretta in rete e soggette a fulminazioni, si inseriscono degli schermi parabolici che interessano tutto l’avvolgimento

Con questi accorgimenti viene ridotto quasi a 0I trasformatori che presentano =0 sono detti “Antirisonanti”

Per i trasformatori di piccola potenza, si rinforza l’isolamento delle prime 2 o 3 bobine

Con questi accorgimenti viene ridotto quasi a 0I trasformatori che presentano =0 sono detti “Antirisonanti”

Per i trasformatori di piccola potenza, si rinforza l’isolamento delle prime 2 o 3 bobine

AVVOLGIMENTO A SPIRE INTERPOSTE CONFRONTATO CON UNO A DISCHI

AVVOLGIMENTO A SPIRE INTERPOSTE CONFRONTATO CON UNO A DISCHI

ANELLO DIFFUSORE

1 7 2 8 3 9

12 6 11 5 10 4

A DISCHI A SPIRE INTERPOSTE

AVVOLGIMENTI A STRATI PER A. T.AVVOLGIMENTI A STRATI PER A. T.

V2 V1

V12

V

x

VALUTAZIONE DEL TRASFORMATORE IN REGIME IMPULSIVO

VALUTAZIONE DEL TRASFORMATORE IN REGIME IMPULSIVO


Le sovratensioni di origine atmosferica vengono simulate con impulsi di tensione del tipo:

dove= cost. di tempo della coda; = cost. di tempo del fronte


Le sovratensioni di origine atmosferica vengono simulate con impulsi di tensione del tipo:

dove= cost. di tempo della coda; = cost. di tempo del fronte

v ( t ) V ( e e )t t

IMPULSO DI TENSIONE NORMALIZZATO

IMPULSO DI TENSIONE NORMALIZZATO

t (s)

v (kV)

tf tc

vmax

tf = 1,2 s; tc = 50 s tf = 1,25 t’

0,9 Vmax

0,1 Vmax

t’

v ( t ) V ( e e )t t

0,5 Vmax

IMPULSO DI TENSIONE TRONCATO SUL FRONTE O SULLA CRESTA

IMPULSO DI TENSIONE TRONCATO SUL FRONTE O SULLA CRESTA

t (s)

v (kV)

tf tc

vmax

SCHEMA DI GENERATORE DI IMPULSISCHEMA DI GENERATORE DI IMPULSI

Rf

Ra

Rc

P

O

A SC

Sp

vc

vtot

Nella figura si ha: A = alimentatore in c.c. a tensione variabile; Ra = resistenze di carica dei condensatori (decine di k);

Rf = resistenze di fronte (decine di );

Rc = resistenze di coda (decine di k);

C = condensatori; P = partitore compensato resistivo-capacitivo per il

rilievo della forma d’onda della tensione. S = shunt antinduttivo ed anticapacitivo per il rilievo

della forma d’onda della corrente; Sp = spinterometro a sfere per la misura della tensione di

cresta.

si definisce rendimento del generatore il rapporto:

Nella figura si ha: A = alimentatore in c.c. a tensione variabile; Ra = resistenze di carica dei condensatori (decine di k);

Rf = resistenze di fronte (decine di );

Rc = resistenze di coda (decine di k);

C = condensatori; P = partitore compensato resistivo-capacitivo per il

rilievo della forma d’onda della tensione. S = shunt antinduttivo ed anticapacitivo per il rilievo

della forma d’onda della corrente; Sp = spinterometro a sfere per la misura della tensione di

cresta.

si definisce rendimento del generatore il rapporto:

v

v0,9 0,5tot

c

RISULTATI DI PROVE AD IMPULSO SU BOBINE DI TRASFORMATORI

RISULTATI DI PROVE AD IMPULSO SU BOBINE DI TRASFORMATORI

NESSUNA SCARICA SCARICA FRA SPIRE SCARICA VERSO TERRA

La scarica può verificarsi sul fronte, sulla cresta o sulla coda dell’impulso.

Se la scarica avviene sul fronte il livello della tensione di scarica dipende dalla ripidità del fronte stesso.

Se la scarica si verifica ai capi di uno spinterometro a sfere, si ha di norma una scarica sulla cresta dell’impulso.

Lo spinterometro a sfere consente di misurare l’ampiezza dell’impulso in base alla probabilità di scarica, valutata effettuando una serie di prove ripetute.

Si adotta come tensione di misura, il valore che corrisponde al verificarsi del 50 % di scariche.

La scarica può verificarsi sul fronte, sulla cresta o sulla coda dell’impulso.

Se la scarica avviene sul fronte il livello della tensione di scarica dipende dalla ripidità del fronte stesso.

Se la scarica si verifica ai capi di uno spinterometro a sfere, si ha di norma una scarica sulla cresta dell’impulso.

Lo spinterometro a sfere consente di misurare l’ampiezza dell’impulso in base alla probabilità di scarica, valutata effettuando una serie di prove ripetute.

Si adotta come tensione di misura, il valore che corrisponde al verificarsi del 50 % di scariche.

MISURA DELLA TENSIONE DI CRESTA DI UN IMPULSO CON LO SPINTEROMETRO A SFERE

MISURA DELLA TENSIONE DI CRESTA DI UN IMPULSO CON LO SPINTEROMETRO A SFERE

100%

50%

0%

probabilità di scarica

tensione

V0 V50 V100

TENSIONE DI SCARICA SUL FRONTE IN FUNZIONE DEL TEMPO DI SALITA

TENSIONE DI SCARICA SUL FRONTE IN FUNZIONE DEL TEMPO DI SALITA

V

t

Le perdite sono proporzionali al peso del componente. La cessione allambiente del calore prodotto da...

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