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Nuclei del trasformatore immersi in olio e di tipo secco: progettazione, isolamento, raffreddamento

La scelta tra un trasformatore immerso in olio e un trasformatore a secco inizia solitamente dal mezzo di raffreddamento: olio minerale anziché aria. Eppure la storia ingegneristica più profonda è scritta nel nucleo del trasformatore. Il circuito magnetico, il sistema di isolamento e i canali di raffreddamento sono strettamente interconnessi, quindi una decisione relativa alla fase principale si propaga attraverso ogni specifica successiva. Per i servizi pubblici, gli appaltatori e gli ingegneri di impianti, comprendere queste relazioni è essenziale.

La progettazione del nucleo e l'isolamento sono inseparabili: il mezzo che raffredda il trasformatore determina anche come il suo nucleo deve essere modellato, isolato e protetto.

Presso Jiangsu Jingtianxia Electric Technology Co., Ltd., produciamo nuclei di trasformatori sia di tipo secco che immersi in olio, nonché le apparecchiature di precisione utilizzate per costruirli. Basandosi su questa esperienza pratica, questa guida esamina le differenze di progettazione, le strategie di isolamento e la disposizione dei canali di raffreddamento che separano le due famiglie principali. Puoi leggere di più a riguardo il nostro background ingegneristico e produttivo prima di tuffarci nel confronto tecnico.

Costruzione del nucleo e progettazione dei materiali

Entrambi i tipi di nucleo partono dalla stessa famiglia di materie prime: l'acciaio elettrico a grani orientati. I laminati di acciaio al silicio, tipicamente di spessore compreso tra 0,23 e 0,35 mm, vengono tagliati, impilati e fissati per formare un percorso magnetico a bassa perdita. Dopo questo passaggio, le costruzioni divergono nettamente perché il mezzo circostante cambia le regole di spazio libero, bloccaggio e ventilazione.

Costruzione aperta in nuclei di tipo secco

Un nucleo del trasformatore di tipo secco non è sigillato ermeticamente. Poiché il nucleo e gli avvolgimenti sono esposti all'aria o alla resina colata, umidità, polvere e contaminanti possono raggiungere la superficie del nucleo. Il rivestimento di laminazione deve quindi essere meccanicamente robusto e i progettisti devono rispettare generose distanze di dispersione e di spazio libero tra il nucleo, la struttura di bloccaggio e le parti sotto tensione. Poiché l'aria è un cattivo refrigerante, i progetti a secco spesso integrano condotti d'aria verticali tra gli strati di avvolgimento per favorire la convezione naturale.

Costruzione di serbatoi sigillati in nuclei immersi nell'olio

In un trasformatore immerso in olio, il nucleo si trova all'interno di un serbatoio sigillato riempito con olio isolante. L'olio svolge tre funzioni: isola, raffredda e protegge il nucleo dall'ossigeno e dall'umidità. Poiché la rigidità dielettrica dell'olio è molto più elevata di quella dell'aria, le distanze possono essere più compatte. Tuttavia, il nucleo deve includere canali per il flusso dell'olio, come condotti assiali e spazi distanziatori radiali, che consentano all'olio riscaldato di salire verso i radiatori.

Geometria del nucleo e progettazione dei giunti

I giunti a gradino smussati sono comuni in entrambe le famiglie perché riducono le perdite a vuoto e la corrente magnetizzante. I progetti a bagno d'olio spesso utilizzano sezioni trasversali più grandi perché il raffreddamento dell'olio consente una maggiore densità di flusso senza punti caldi. I nuclei di tipo secco, in particolare le versioni in resina colata, utilizzano spesso layout trifase a tre o cinque rami con spazi di ventilazione deliberati. Un'opzione più recente è la configurazione del nucleo avvolto, come un nucleo avvolto triangolare tridimensionale, che riduce le perdite articolari eliminando le articolazioni convenzionali.

La qualità del nucleo viene infine decisa nel processo di impilamento e bloccaggio. Laminazioni non corrispondenti creano traferri che aumentano la perdita del nucleo, aumentano il rumore e riducono l'efficienza. L'impilamento automatizzato utilizza manipolatori servocomandati per posizionare ogni foglio con precisione, il livello di controllo richiesto per i moderni nuclei a basse perdite.

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Sistemi di isolamento e come modellano la progettazione del nucleo

L'isolamento è la differenza tecnica più visibile tra le due tecnologie e modella il nucleo in modo sottile. Nel nucleo di un trasformatore, l'isolamento deve separare il nucleo messo a terra e i morsetti dagli avvolgimenti, resistendo allo stress termico e meccanico di decenni di servizio.

Isolamento a secco: aria e resina solida

I trasformatori a secco si basano su aria, resina epossidica o resina colata come mezzo dielettrico. Il nucleo è separato dall'avvolgimento a bassa tensione tramite carta aramidica, barriere impregnate di resina o un cilindro in resina colata. Poiché la rigidità dielettrica dell'aria è limitata, le distanze di isolamento tra il nucleo, i morsetti e gli avvolgimenti devono essere maggiori, costringendo a un layout più aperto. Il nucleo stesso rimane il punto di riferimento per l'intero assieme.

Nuclei isolati in olio: carta e cartone pressato

Nelle unità immerse in olio, il sistema di isolamento è a base di cellulosa: carta kraft, cartone pressato, anelli angolari e olio del trasformatore formano un dielettrico composito. Il nucleo è separato dall'avvolgimento di bassa tensione tramite cilindri e distanziatori in cartone pressato, e l'intero assieme viene essiccato sotto vuoto e impregnato con olio degasato prima della sigillatura. La maggiore rigidità dielettrica dell'olio consente una distanza nucleo-avvolgimento più compatta, riducendo il flusso di dispersione e le perdite per correnti parassite nei morsetti.

Classi di isolamento e limiti di temperatura

Gli isolamenti di Classe F e Classe H sono standard per i nuclei di tipo secco e consentono temperature di esercizio rispettivamente di 155°C e 180°C. I trasformatori immersi in olio sono limitati dal degrado della carta, normalmente a un aumento medio della temperatura dell'avvolgimento di 65°C su una temperatura ambiente di 40°C. Questa differenza cambia l'aggressività con cui può essere caricato il nucleo e influenza direttamente l'economia di ciascun progetto.

Per le installazioni interne che richiedono una costruzione ignifuga e a bassa manutenzione, forniamo nuclei di trasformatori di tipo a secco progettati per isolamento di Classe H e raffreddamento ad aria naturale.

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Canali di raffreddamento e gestione termica

I canali di raffreddamento sono i luoghi in cui le differenze di progettazione si trasformano in prestazioni termiche misurabili. Un nucleo può diventare la parte più calda dell'assieme se non sono previsti percorsi di raffreddamento con il circuito magnetico.

Percorsi di circolazione dell'olio nel nucleo e negli avvolgimenti

I nuclei immersi nell'olio utilizzano canali che consentono all'olio di fluire assialmente tra i lembi e radialmente attraverso i blocchi distanziatori lungo l'altezza di avvolgimento. Nel funzionamento ONAN, l'olio circola per convezione: l'olio riscaldato sale attraverso i condotti principali, rilascia calore nei radiatori o nei tubi di raffreddamento e ritorna sul fondo del serbatoio. L'aggiunta di stadi ad aria forzata (ONAF) o ad olio forzato (OFAF) moltiplica la capacità ma richiede che la geometria del canale sia progettata per il flusso d'olio diretto fin dall'inizio.

Percorsi del flusso d'aria nei nuclei di tipo a secco

I nuclei di tipo secco dipendono dalla convezione dell'aria naturale o forzata. Il nucleo e gli avvolgimenti sono assemblati con condotti d'aria verticali e l'alloggiamento del trasformatore è ventilato nella parte inferiore e superiore per creare un effetto camino. Nelle unità di fascia più alta, le ventole spingono l'aria attraverso gli stessi canali. Poiché l'aria ha una capacità termica molto inferiore rispetto all'olio, i nuclei di tipo secco sono progettati con un margine termico maggiore e una densità di flusso operativo inferiore.

Controllo dei punti caldi e invecchiamento termico

I punti caldi accelerano l’invecchiamento dell’isolamento e aumentano la perdita del nucleo. Nei nuclei immersi nell'olio, la temperatura del punto caldo è controllata dalla disposizione del condotto e dalla direzione del flusso dell'olio. Nei nuclei di tipo a secco, è controllato dalle dimensioni del condotto, dalla superficie della resina e dai passaggi dell'aria di raffreddamento. In entrambi i casi, i progettisti bilanciano la densità del flusso, la larghezza del canale e la rigidità meccanica per mantenere i punti caldi al di sotto del limite nominale.

Per il servizio di servizi pubblici e sottostazioni in cui è richiesta un'elevata capacità continua, i nostri nuclei di trasformatori in bagno d'olio sono costruiti con layout di condotti ottimizzati per il funzionamento ONAN e ONAF.

Oil-Immersed Transformer Core for Distribution Transformers Nucleo del trasformatore in bagno d'olio per trasformatori di distribuzione Progettato per trasformatori a bagno d'olio S11 e S13, questo nucleo utilizza acciaio al silicio ad alta permeabilità e impilamento di precisione per ottenere perdite ultrabasse e corrente a vuoto stabile. Supporta il funzionamento ONAN/ONAF, corrispondente al contesto di servizio di pubblica utilità descritto. Visualizza il prodotto →

Confronto affiancato delle caratteristiche principali

La tabella seguente riassume le differenze più importanti tra i nuclei dei trasformatori di tipo a secco e quelli immersi in olio.

Parametro Nucleo di tipo secco Nucleo immerso nell'olio
Mezzo isolante Aria, resina epossidica, resina colata Olio minerale, carta, cartone pressato
Custodia centrale Alloggiamento aperto o ventilato Serbatoio sigillato pieno d'olio
Canali di raffreddamento Condotti d'aria e ventilatori verticali Condotti olio assiali e radiali, radiatori
Classe di temperatura Classe F o Classe H Classe A, carta limitata
Distanza nucleo-avvolgimento È necessario un ampio spazio libero Distanza compatta possibile
Domanda di manutenzione Pulizia periodica e scarsa Campionamento olio e controlli perdite
Rischio incendio Basso, autoestinguente Più in alto, richiede contenimento
Applicazione tipica Interni, commerciali, offshore Sottostazione, utilità, esterno

Guida alla selezione basata sull'applicazione

La scelta è in definitiva dettata dall'ambiente di installazione, dal profilo di carico e dalla modalità di guasto accettabile. Entrambe le tecnologie possono essere progettate per raggiungere un'elevata efficienza; il differenziatore è il contesto operativo.

  • Edifici interni e sensibili al fuoco: i nuclei di tipo secco eliminano il rischio di perdite di olio e riducono drasticamente il carico di incendio, rendendoli ideali per grattacieli, ospedali, data center e complessi commerciali.
  • Sottostazioni esterne e reti elettriche: I nuclei immersi nell'olio offrono una maggiore densità di potenza e un comportamento di servizio comprovato a lungo termine, che li favorisce per stazioni di distribuzione, sottostazioni di trasmissione e piazzali industriali dove è possibile organizzare il contenimento del petrolio.
  • Servizio continuo ad alto carico: il raffreddamento dell'olio rimuove il calore in modo più efficace, quindi i nuclei immersi nell'olio possono sostenere fattori di carico medi più elevati senza superare i limiti di temperatura.
  • Carichi intermittenti e variabili: i nuclei di tipo a secco gestiscono bene i carichi ciclici e rispondono rapidamente perché non c'è un grande volume di olio da riscaldare o raffreddare.
Lista di controllo della selezione
  1. Confermare il luogo di installazione: interno, esterno o spazio ristretto.
  2. Controllare le norme antincendio locali e le normative sul contenimento dell'olio.
  3. Definire il profilo di carico continuo e ciclico.
  4. Valutare il declassamento relativo all'altitudine e alla temperatura ambiente per entrambi i tipi di core.
  5. Confronta il costo totale di proprietà, inclusa la manutenzione e le perdite.

Al di là del nucleo stesso, il percorso di produzione determina l’affidabilità a lungo termine. Un nucleo costruito con impilamento preciso, pressione di serraggio controllata e spazi tra i giunti verificati servirà fedelmente entrambi i tipi. La nostra gamma di nuclei per trasformatori copre entrambe le configurazioni e i nostri ingegneri possono personalizzare lo schema di laminazione, la disposizione dei condotti e la struttura di bloccaggio in base alle vostre specifiche. Puoi rivedere l'intero gamma di nuclei del trasformatore per maggiori dettagli.

Domande frequenti

D1: È possibile utilizzare lo stesso tipo di acciaio al silicio per entrambi i tipi di nucleo?

SÌ. Le qualità di acciaio a grani orientati come 30Q130 o 27Q120 sono comunemente utilizzate sia nei nuclei a secco che in quelli a bagno d'olio. Ciò che cambia è il rivestimento di laminazione, la qualità del taglio, il modello di impilamento e il modo in cui i canali di raffreddamento sono integrati attorno al nucleo.

D2: Perché un nucleo di tipo secco è spesso più pesante a parità di rating?

Poiché il raffreddamento ad aria è meno efficace del raffreddamento ad olio, i nuclei di tipo secco devono funzionare con una densità di flusso inferiore e quindi utilizzare più materiale di laminazione per mantenere le perdite e la temperatura entro i limiti. Inoltre, l'incapsulamento in resina colata aggiunge un peso considerevole.

Q3: I canali di raffreddamento influiscono sull'efficienza del trasformatore?

SÌ. Condotti mal posizionati possono ostruire il circuito magnetico o creare perdite vaganti. I canali ben progettati rimuovono il calore senza allargare il telaio centrale, mantenendo costanti le perdite in assenza di carico e riducendo il rischio di punti caldi.

Q4: Quale tipo di nucleo è più ignifugo?

I nuclei del tipo a secco con isolamento in resina sono praticamente autoestinguenti e sono quindi preferiti per ambienti interni. I nuclei immersi nell'olio contengono un liquido infiammabile e richiedono barriere tagliafuoco, pozzi di contenimento o distanze di separazione sicure se installati vicino a strutture.

Conclusione

I nuclei dei trasformatori di tipo a secco e immersi in olio soddisfano diverse priorità operative e ambienti di installazione. I nuclei di tipo secco barattano l’efficienza dei materiali con la sicurezza, la semplicità e la comodità interna. I nuclei immersi nell'olio sfruttano le eccellenti proprietà dielettriche e di trasferimento del calore dell'olio per fornire design compatti e ad alta capacità per servizi su scala industriale. La scelta giusta dipende da dove vivrà il trasformatore, da come verrà caricato e da quali rischi può gestire il proprietario.

Qualunque sia la direzione scelta, il nucleo deve essere costruito con tolleranze di impilamento strette, geometria del giunto verificata e una disposizione del canale di raffreddamento adatta al servizio nominale. Quando questi fondamentali vengono rispettati, entrambi i tipi di core garantiscono l'efficienza e la durata di servizio richieste dalle moderne apparecchiature elettriche.

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