TRASFORMATORI elettrici
TRASFORMATORI elettrici (XXXIV, p. 187)
Le ricerche rivolte alla conoscenza sempre più approfondita ed al dominio delle sollecitazioni elettriche, dinamiche e termiche del trasformatore statico hanno fornito al costruttore la direttiva per il perfezionamento di questo apparecchio e per l'adattamento di esso alle esigenze dei moderni impianti di produzione e di distribuzione dell'energia elettrica. In particolare, l'aumento di potenza specifica per unità di peso ha reso meno diffificili i problemi del trasporto e del montaggio; la riduzione delle perdite ha semplificato il problema del raffreddamento ed ha reso più economico l'esercizio. Le misure che hanno permesso di conseguire il perfezionamento attuale riguardano in primo luogo il sistema isolante, gli avvolgimenti ed il circuito magnetico; in misura minore interessano il sistema refrigerante.
Il sistema isolante acquista un'importanza decisiva quando si tratta di assicurare l'isolamento dei conduttori: l'isolamento verso massa è semplice e non offre più alcuna incertezza. Il sistema classico d'isolamento degli avvolgimenti è noto: esso comporta, come isolante essenziale, l'olio minerale, nel quale sono immersi cilindri di materiale isolante solido fungenti da schermi, prolungati alle estremità con cilindri flangiati che seguono le linee di livello del campo elettrico. Il sistema isolante così realizzato è eterogeneo e, a motivo della differenza notevole di costante dielettrica fra l'olio e la carta bachelizzata, non consente di utilizzare le qualità isolanti di quest'ultima, a tutto svantaggio delle sollecitazioni dell'olio. Le distanze fra avvolgimenti devono essere dimensionate di conseguenza. Il sistema introdotto di recente nella tecnica costruttiva affida interamente ad un isolante solido il compito dell'isolamento nei trasformatori. Si tratta del sistema con cilindri di carta e flange divaricate nel quale l'isolamento è affidato a cilindri di carta avvolta e impregnata, che si prolungano con flange opportunamente distanziate e divaricate allo scopo di dare alle estremità degli avvolgimenti la rigidità dielettrica necessaria. La carta riempie interamente lo spazio fra avvolgimenti e costituisce un assieme del tutto omogeneo a rigidità dielettrica elevata.
L'adozione del sistema d'isolamento a cilindri di carta con flange divaricate ha permesso di ridurre a meno della metà la distanza fra gli avvolgimenti di alta e bassa tensione con conseguente riduzione per il peso dell'olio, degli isolanti e del cassone; anche il peso del ferro attivo può essere ridotto in larga misura, grazie alle più favorevoli condizioni agli effetti della dispersione magnetiea. Le perdite a vuoto sono notevolmente diminuite. La fig. 1 mette in evidenza le dimensioni esterne di un trasformatore da 47,5 MVA di costruzione moderna (a sinistra), con isolanti in carta, munito di raccordi per cavo a 150 kV, e quelle di un trasformatore da 26 MVA (a destra), costruito nel 1928, dotato di passanti per esterno a 150 kV.
La scelta d'isolanti di qualità è oggi ritenuta più che mai un fatto d'importanza fondamentale nella costruzione dei trasformatori. La carta associata all'olio costituisce un isolante di alto valore, a condizione peraltro che sia tenuta al riparo dall'umidità e salvaguardata dalle alte temperature, specialmente in presenza di ossigeno.
Di qui la necessità di essicamento dell'aria sovrastante l'olio e l'opportunità di mantenere entro i limiti appropriati la temperatura di servizio. I cilindri di bachelite godono di buone prerogative (grande resistenza meccanica, alta resistenza al calore, insolubilità nell'olio, elevata rigidità dielettrica) a condizione che i procedimenti tecnologici siano accurati e tengano conto dell'influenza nefasta dell'umidità, delle occlusioni d'aria, dell'alterazione della gomma. L'olio è in definitiva l'isolante fondamentale del trasformatore e la sua attitudine a permettere di realizzare le potenze più elevate alle più alte tensioni è subordinata al rispetto di un certo numero di esigenze fra le quali predominano senza alcun dubbio la mancanza di umidità e la purezza. I passanti per alta tensione, siano essi a condensatore od a riempimento d'olio, si possono ritenere oggidì soddisfacenti alle più severe esigenze dell'isolamento verso massa.
Per quanto riguarda gli avvolgimenti la pratica corrente conduce ad isolare le spire normali per una certa frazione della tensione di servizio applicata per qualche secondo: l'isolamento lungo l'avvolgimento viene poi graduato in modo conveniente, cercando di mantenere una sufficiente capacità fra le prime spire ed evitando di creare punti deboli con una variazione brusca dei parametri (induttanza e capacità) del circuito. Sono soprattutto le sovratensioni, la cui origine e natura sono oggidì molto meglio conosciute che in passato, che guidano il costruttore nel progetto degli avvolgimenti dei moderni trasformatori di potenza. Le sovratensioni a fronte ripido presentano due pericoli: elevano il potenziale dell'avvolgimento rispetto a terra e dànno luogo a considerevoli scarti di tensione fra punti vicini, in relazione alla caratteristica di protezione non lineare. Contro i pericoli derivanti dalla disinserzione dei trasformatori a vuoto o in corto circuito, ossia in mancanza dell'elemento smorzatore costituito dal carico ohmico, i moderni trasformatori si possono considerare in ogni caso sufficientemente protetti. Contro le sovratensioni di messa a terra si realizza la migliore protezione mettendo a terra il neutro: attraverso bobine di estinzione, nelle reti a media tensione; direttamente o a mezzo di una debole resistenza, nelle reti ad alta o ad altissima tensione. Fra i vantaggi della messa a terra diretta è notevole soprattutto la possibilità di abbassare il livello di isolamento degli impianti. I trasformatori per resistere alle scariche atmosferiche dirette devono venire protetti anche con mezzi esterni, quali le funi di guardia e gli scaricatori, ed applicando le norme per il coordinamento degli isolanti. Come protezione interna, i costruttori applicano su vasta scala i rimedî suggeriti dalla concezione di avvolgimenti a distribuzione comandata del potenziale e dall'impiego di materiali isolanti che conservano elevate qualità dielettriche anche sotto l'influenza di sollecitazioni ad impulso. Di alta efficacia si sono rilevati gli anelli deflettori di campo inseriti fra i morsetti di entrata e la prima bobina dell'avvolgimento. Gli avvolgimenti antirisonanti, sollecitati in modo uniforme dalle onde incidenti a fronte ripido, grazie al gioco di capacità inserite opportunamente fra le bobine, rappresentano una felice soluzione scaturita dalle moderne conoscenze sulle sollecitazioni a impulso.
Il problema dell'eliminazione delle principali armoniche nella corrente a vuoto dei trasformatori, è stato oggetto di nuovi studî e d'indagini approfondite, che hanno portato in alcuni casi ad accorgimenti appropriati, quali l'adozione di avvolgimenti a triangolo e di avvolgimenti compensatori sui gioghi, la creazione di particolari relazioni di fase fra i flussi, la graduazione opportuna delle riluttanze nelle varie parti del circuito magnetico. L'esperienza ha confermato che il problema della eliminazione delle armoniche è strettamente vincolato alle caratteristiche delle reti.
La trasformazione del nucleo magnetico ha contribuito al progresso nella costruzione dei grandi trasformatori. Per i trasformatori trifasi, il passaggio dal nucleo classico a tre colonne al nucleo a cinque colonne ha permesso di ridurre in misura apprezzabile l'altezza: riduzione che si è ancor più accentuata grazie all'esecuzione dei gioghi a lamiere intercalate con le lamiere delle colonne. Analoghi accorgimenti per i trasformatori monofasi hanno valso a ridurne le dimensioni, col passaggio dal nucleo a due colonne al nucleo a tre o a quattro colonne. Trattandosi di potenze elevate, per le quali il problema del trasporto si presenta particolarmente complesso, l'adozione di trasformatori monofasi per costituire unità trifasi s'impone, coi vantaggi che sono ben noti: fra questi acquista una speciale importanza la possibilità di trasportare gli elementi costituenti le unità di grande potenza, montati e completi di olio, con mezzi relativamente semplici. Anche la posa in opera è facilitata e resa più semplice dal venir meno delle operazioni di montaggio delle varie parti e di trattamento dell'olio. La tendenza a sostituire le unità trifasi con gruppi monofasi va affermandosi decisamente anche in Europa ed in particolare in Italia, nonostante che trasformatori trifasi di grande potenza, ad alta tensione, abbiano dato in Italia ottima prova. Nella fig. 2 è visibile uno dei due trasformatori trifasi gemelli a tre avvolgimenti da 60/60/60 MVA a 220-127/122-70/25-14,5 kV costruiti dal Tecnomasio italiano Brown Boveri per due sottostazioni di trasformazione dell'energia addotta da una linea a 220 kV dell'Italia settentrionale.
Dal trasformatore corazzato è derivata l'idea del nuovo nucleo a lamiere radiali con ritorno anulare del flusso. La fig. 3 mostra in modo schematico l'esecuzione di tale nucleo per trasformatore monofase: la disposizione radiale dei lamierini della colonna, il serraggio di questi ultimi con due anelli saldati, l'esecuzione ad U dei circuiti di ritorno del flusso con gli anelli di serraggio esterni ed i bulloni antimagnetici di pressione contro la colonna. Grazie alla ripartizione del flusso, estesa ad una grande superficie, in corrispondenza del passaggio dalla colonna al giogo, l'altezza di quest'ultimo è ridotta a circa 2/10 del diametro della colonna: ne segue una riduzione della lunghezza del circuito magnetico ed una diminuzione del peso del ferro. La forma cilindrica del nucleo è favorevole per la cassa che diviene pure cilindrica, con contenuto di olio ridotto al minimo. L'impiego del nucleo radiale, oltre che per i grandi trasformatori, stato esteso a molte applicazioni speciali, quali i trasformatori per la trazione monofase, i trasformatori di regolazione ad avvolgimento mobile, le bobine di estinzione a dissonanza a regolazione continua con variazione automatica del traferro in funzione delle condizioni della rete.
Nel campo dei trasformatori di misura è notevole la tendenza ad abolire o a ridurre al minimo possibile l'olio isolante. Per gli impianti di distribuzione a media tensione trovano impiego i trasformatori di tensione ad aria compressa. L'apparecchio visibile nella fig. 4 è ad avvolgimenti concentrici avvolti su nucleo laminato montato nell'interno di un cilindro in lamiera di acciaio nel quale è mantenuta una pressione di circa 14 kg/cmq. I passanti ad alta tensione, in materiale ceramico, e quelli a bassa tensione sono dotati di giunti a doppia tenuta automatica. La precisione di misura è favorita dal potere isolante elevato e costante del gas compresso combinato con isolanti solidi a perdite dielettriche ridotte. Nei trasformatori di corrente a volume ridotto di olio una cura particolare è stata posta nella riduzione degli sforzi meccanici conseguenti ai corti circuiti, ottenuti grazie alla riduzione del numero di spire ed al blocco rinforzato degli avvolgimenti. Notevole il trasformatore di corrente ad avvolgimento anulare, il quale comporta una forma circolare per il circuito magnetico, l'avvolgimento primario e l'isolamento in carta impregnata. Il nucleo può subire una magnetizzazione preliminare oppure essere costruito in materiale ad alta permeabilità: la precisione e la potenza sono notevolmente accresciute con un processo di magnetizzazione regolata mediante appropriato avvolgimento di compoundaggio alimentato a tensione costante ed alla stessa frequenza della rete.
Per i trasformatori di tensione si tende sempre più alla messa a terra di un polo, per motivi d'ingombro e di sicurezza. Risultati interessanti sono stati ottenuti impiegando unicamente la carta per isolare fra loro gli strati di spire primarie e prevedendo uno schermo metallico per la protezione dell'avvolgimento contro le onde a fronte ripido. Il trasformatore di tensione del tipo isolatore portante a volume ridotto di olio tende a sostituire il trasformatore classico a cassa riempita d'olio. Grazie ad una disposizione razionale del nucleo magnetico degli avvolgimenti e degli isolanti è stato possibile conseguire elevate prestazioni con riduzione assai notevole dell'ingombro. Recente è l'impiego del trasformatore di tensione a colonna, con isolamento a secco e nucleo magnetico sostenuto entro un cilindro di porcellana che sorregge l'avvolgimento primario.
Hanno subìto una notevole evoluzione costruttiva i trasformatori da forno ed i trasformatori che alimentano i mutatori. I primi sono chiamati spesso ad alimentare circuiti a bassissima tensione e con correnti di alcune decine di migliaia di ampère: essi sono sottoposti in servizio ad azioni elettrodinamiche violentissime che devono poter essere sopportate per un tempo indefinito senza deformazioni. La fig. 5 mostra un trasformatore (Brown Boveri) monofase da forno a tensione secondaria regolabile con inseritore a gradini, dimensionato per una corrente secondaria di circa 30 kA. I trasformatori per mutatori hanno particolarità che sono loro proprie. Limitandosi a considerare le unità che richiedono l'impiego dei mutatori esafasi (v. convertitore, in questa App.), risulta evidente che i trasformatori di alimentazione devono avere avvolgimenti secondarî almeno a sei fasi, avvolti e ripartiti in modo che la dispersione sia compatibile con una buona utilizzazione del materiale attivo e con cadute di tensione nel circuito a corrente continua accettabili. Da qui l'impiego di avvolgimenti a forca, a bobina di assorbimento, con ripartitori anodici, ecc. Le complicazioni costruttive aumentano se, allo scopo di attenuare l'ampiezza delle armoniche nel circuito a corrente continua o nella rete trifase di alimentazione, si vogliono ottenere complessi a reazione elevata, soprattutto se in più è richiesta, come avviene spesso per i grandi impianti di mutatori, la regolazione della tensione continua sotto carico. È stato possibile realizzare in Italia complessi con reazione fino a 48 fasi. L'esperienza fatta in questo campo è stata di valido aiuto nello studio dei trasformatori adatti per gli impianti di trasmissione dell'energia a corrente continua ad altissima tensione. Il problema, veramente complesso a motivo della necessità di collegamenti in serie di due o più mutatori a più anodi o dell'adozione eventuale di elementi monoanodici collegati a ponte, ha trovato soluzioni del tutto accettabili e sicure.
Bibl.: H. Hartmann, Progressi nella costruzione dei trasformatori interessanti l'esercizio, Rapporto n. 108 CIGRE, Parigi 1946; A. Meyerhans, Nuovi metodi di costruzione dei trasformatori e delle bobine di assorbimento, in Revue Brown Boveri, n. 3, marzo 1945; R. Dessarzin, Considerazioni di un costruttore sulle qualità del trasformatore, in Bulletin de la Société française des électriciens, Parigi, luglio 1948; P. L. Bellaschi, Progressi nell'isolamento e protezione dei trasformatori di potenza, Rapporto n. 115 CIGRE, Parigi 1946; J. Kübler, La costruzione dei trasformatori Brown Boveri, in Revue Brown Boveri, n. 11-12 novembre-dicembre 1942; E. Balp, Accorgimenti costruttivi per eliminare le armoniche nella corrente a vuoto dei trasformatori, in L'Elettrotecnica, Milano, nn. 5 e 6, maggio-giugno 1948; J. Goldstein, Progressi realizzati nella costruzione dei trasformatori di misura, in Bulletin de l'Association suisse des électriciens, Zurigo, 18 aprile 1945; R. Frisacco, Impianti di mutatori a vapore di mercurio per elettrolisi, in Rendiconti A. E. I., Milano 1941; E. Kern, Il collegamento dei trasformatori per la trasmissione d'energia a corrente continua ad altissima tensione, in Revue Brown Boveri, n. 10, ottobre 1941.