Risonanza ferromagnetica nei trasformatori di tipo a terra: ciò che un produttore di trasformatori di tipo a terra vuole che i progettisti sappiano

 

Come un produttore di trasformatori di tipo a terra , continuiamo a riscontrare lo stesso guasto nello stesso ordine. Un’unità montata su supporto viene sostituita per manutenzione. Il parafulmine sul palo di risalita, posto alla fine del cavo, va in avaria. L’equipaggio sostituisce il parafulmine, riattiva l’unità e la sostituzione va nuovamente in avaria entro pochi mesi – talvolta già entro poche settimane. Il trasformatore stesso risulta perfettamente funzionante in ogni verifica routinaria. Nessun dato sulla targhetta è errato. Ciò che danneggia il parafulmine è la ferro-risonanza, e quasi mai la colpa è del parafulmine stesso.

Che cos’è effettivamente la ferro-risonanza

 

Un nucleo di trasformatore non è un induttore lineare. Al di sotto della saturazione, la sua reattanza di magnetizzazione è elevata. Man mano che il nucleo si avvicina alla saturazione, tale reattanza collassa. Inserendo un componente con questo comportamento in un circuito che contiene anche capacità — ad esempio la capacità parassita di un cavo interrato, la capacità di gradinatura di un interruttore, la capacità di un passacavo o di un banco di condensatori — una sollecitazione dovuta a manovra può indurre nel circuito un’oscillazione che nessuno dei due elementi potrebbe generare autonomamente.

Questa è l’intera definizione e spiega anche perché la ferro-risonanza nei trasformatori non è la risonanza ordinata calcolabile ponendo XL = XC. Con un induttore lineare esiste una sola frequenza di risonanza e un solo stato stazionario. Con un nucleo saturabile ve ne sono diverse, e il circuito può saltare da una all’altra. IEEE Technology Navigator — Ferroresonance (https://technav.ieee.org/topic/ferroresonance/) descrive quattro modalità principali di oscillazione: risonanza ferromagnetica alla frequenza fondamentale, ovvero alla frequenza di alimentazione; risonanza ferromagnetica subarmonica, a una frazione della frequenza di alimentazione, più comunemente un terzo; risonanza ferromagnetica quasi-periodica, con forme d’onda irregolari; e risonanza ferromagnetica caotica, priva di qualsiasi schema ripetitivo. Sovratensioni persistenti in queste modalità possono raggiungere da cinque a sei volte la tensione nominale di linea, valore ben superiore a quello previsto dalla coordinazione dell’isolamento di un avvolgimento di distribuzione per sollecitazioni prolungate alla frequenza di rete.

Due unità con targhette identiche possono comportarsi in modo completamente diverso. La modalità in cui si stabilizza un circuito dipende dall’induttanza, dalla capacità, dall’entità della tensione e dalle condizioni iniziali — il che, nella pratica, significa che dipende dall’istante esatto in cui si chiude l’interruttore. È per questo motivo che uno studio basato su valori nominali non la rileverebbe, e che la stessa manovra di commutazione può svolgersi senza problemi cento volte e fallire alla centounesima.

Se al momento state lavorando su una specifica con trasformatore su supporto, il nostro team di ingegneria esaminerà con voi il circuito primario prima che venga fissato il livello di tensione. Inviateci lo schema unifilare e analizzeremo insieme a voi le quattro condizioni.

Le quattro condizioni che devono verificarsi contemporaneamente

 

La ferro-risonanza è molto esigente: richiede quattro condizioni simultanee — un secondario scarico, un’elevata capacità primaria, un’interruzione asimmetrica interruzione monofase e un nucleo che si satura già con un modesto sovratensione — ed è proprio per questo motivo che non compare mai in uno studio di flusso di carica e che risulta così difficile da riprodurre in un banco di prova.

Condizione	Perché è importante	Dove si manifesta nella pratica
Secondario scarico o quasi scarico	La resistenza del carico smorza l’oscillazione; un secondario vuoto non fornisce alcuno smorzamento.	Nuova suddivisione prima dell’occupazione, fermo stagionale dell’impianto, unità tenuta come ricambio
Elevata capacità primaria	La capacità per unità di lunghezza del rivestimento del cavo è molto più elevata rispetto a quella di una linea aerea	Alimentatore sotterraneo di lunga lunghezza, cavo verticale, locale tecnico di rete, servizio industriale alimentato tramite cavo
Commutazione asimmetrica	Lascia una o due fasi isolate ma comunque accoppiate capacitivamente alla sorgente	Interruttori monofase, un fusibile interrotto, riattivatori monopolo, operazione con connettore a gomito
Nucleo che si satura già a sovratensioni modeste	L’induttanza di magnetizzazione collassa, consentendo al circuito di saltare tra diversi punti di funzionamento	Nuclei moderni a basse perdite e progetti concepiti per funzionare a densità di flusso più elevate

 

Rimuovendo uno qualsiasi dei quattro fattori, il fenomeno di solito non inizia. Questo è l’aspetto utile, perché significa che esistono quattro punti distinti su cui intervenire progettualmente — e quasi sempre la soluzione più economica riguarda la configurazione di commutazione. È anche il momento in cui la conversazione dovrebbe passare da una quotazione a una selezione, ed è la prima cosa che un produttore di trasformatori di tipo a terra deve sollevare con voi.

Cosa fa all'unità prima che chiunque se ne accorga

 

Il guasto che l'equipaggio nota per primo è solitamente al arresto di sovratensione , non all'interno del serbatoio. Un arrestatore a ossido metallico è un resistore che diventa conduttivo soltanto al di sopra della sua tensione nominale. Una sovratensione ferro-risonante prolungata lo mantiene in conduzione e converte l'oscillazione in calore all'interno di un blocco di ceramica dimensionato per impulsi di microsecondi a un ciclo di lavoro definito. I dati di riferimento Eaton sulla protezione da sovratensione per trasformatori installati su basamento indicano chiaramente il limite: gli arrestatori riducono le sovratensioni, ma non le eliminano; inoltre, maggiore è il ciclo di lavoro dell'arrestatore, maggiore è la quantità di materiale conduttivo presente e più a lungo resiste a una sovratensione prima di guastarsi. Un arrestatore per distribuzione a basso carico, perfettamente adeguato contro i fulmini, non è dimensionato per minuti di energia alla frequenza di rete. Dati di riferimento Eaton TC202005EN — Protezione da sovratensione per trasformatori installati su basamento (https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/medium-voltage-power-distribution-control-systems/cooper-power-series-transformers/overvoltage-protection-for-pad-mounted-transformers-information-tc202005en.pdf)

Dietro il parafolgori, i danni sono meno evidenti e piu difficili da individuare durante un test di routine. Le superfici dei supporti mostrano tracce di tracking dove si e verificato il flashover. L'isolamento degli avvolgimenti subisce forature nel punto in cui l'oscillazione raggiunge il suo picco; spesso tali forature sono cosi piccole che un test del rapporto spire fornisce comunque un esito positivo. Il nucleo si surriscalda, poiche l'eccursione del flusso supera di molto i valori progettuali e il calore e la principale causa di degrado dell'isolamento. Il guasto del parafolgori e solitamente il primo evento dannoso, ma non l'unico.

Esiste anche un sintomo che non ha alcuna natura elettrica. Un'unita in condizioni di ferorisonanza produce spesso un ronzio o un tintinnio a bassa frequenza, diverso dal normale ronzio di magnetostrizione: irregolare, discontinuo e sufficientemente intenso da essere percepito dagli operatori ancor prima che qualsiasi relais entri in funzione. Consideratelo un segnale d'allarme, non un semplice fastidio.

 

L'interruzione monofase è il fattore scatenante che è possibile controllare

 

Tra le quattro condizioni, l'interruzione asimmetrica è l'unica che un progettista può eliminare con un singolo elemento di specifica. Interruzione monofase di un gruppo di trasformatori trifase — sia mediante interruttori di caduta, fusibile saltato o schema di richiusura monopolare — lascia il gruppo parzialmente alimentato e accoppiato per capacità alla sorgente, costituendo così il classico fattore scatenante nei sistemi di distribuzione alimentati in cavo.

La norma IEEE Std C57.105-2019, guida per l'applicazione dei collegamenti dei trasformatori nei sistemi elettrici trifase, tratta queste interazioni tra collegamenti e interruzioni come un aspetto progettuale piuttosto che come un evento accidentale: IEEE Std C57.105-2019 (https://standards.ieee.org/ieee/C57.105/6121) . Questa norma esiste proprio perché l'interazione tra il collegamento del trasformatore e il circuito circostante determina se il sistema funziona correttamente oppure no.

Ciò che funziona sul campo è privo di fascino. Commutare tutte e tre le fasi contemporaneamente mediante un dispositivo a comando collettivo, anziché utilizzare interruttori monofase, ogniqualvolta la configurazione lo consenta. Laddove l’impiego di dispositivi monofase sia inevitabile, mantenere un piccolo carico resistivo permanente sul secondario durante la commutazione, in modo che l’oscillazione abbia una via di dissipazione. Un resistore smorzante o un circuito di soppressione della ferro-risonanza collegato ai capi dell’avvolgimento costituisce il livello successivo, e un arresto di sovratensione selezionato per sovratensioni temporanee piuttosto che esclusivamente per fulmini è l’ultimo.

Nessuno di questi accorgimenti richiede componenti hardware particolarmente sofisticati. È invece necessario definire lo schema di commutazione e il ciclo di servizio dell’arrestatore nello stesso momento in cui si stabilisce la potenza nominale del trasformatore, e non solo dopo che il cavo è già stato posato.

Cinque elementi da includere nella richiesta di offerta (RFQ)

 

Collegamento e messa a terra degli avvolgimenti. Indicare se è accettabile un primario a stella con neutro messo a terra. Un primario a triangolo isolato su una linea di cavo lunga rappresenta la configurazione più a rischio in assoluto, e tale scelta modifica completamente il quadro delle sovratensioni.

Tipo di dispositivo di commutazione primario. Interruttore di carico trifase a comando simultaneo, riatto trifase o interruttori monofase. Se l’uso di dispositivi monofase è inevitabile, specificarlo, poiché ciò modifica il arresto di sovratensione selezione.

Classe del parafaradice, il ciclo di servizio, la tensione massima continua (MCOV) e la capacità di sopportare sovratensioni temporanee. l’indicazione «parafaradici inclusi» non costituisce una specifica. Richiedere un parafaradice dimensionato per resistere alle sovratensioni temporanee, non solo ai fulmini.

Elenco dei cavi. Sezione, lunghezza e tipo di isolamento per ogni tratto primario. La capacità della guaina rappresenta l’altra metà del circuito risonante ed è invisibile su un elenco basato sulla targhetta.

Smorzamento secondario. Se un piccolo carico permanente o una resistenza di smorzamento rimarranno collegati sul secondario durante le manovre di commutazione, e quale percentuale della potenza nominale essi rappresentano.

Domande che un produttore di trasformatori in contenitore chiede prima che si effettui l’ordine

 

In ogni progetto con lunghi tratti di cavi primari, il primo documento che richiediamo non è il quadro dati di targa, bensì lo schema unifilare con le lunghezze dei cavi e la disposizione degli interruttori, poiché questi due elementi determinano se il rischio di sovratensione è trascurabile o reale. A produttore di trasformatori di tipo a terra chi fornisce un preventivo basandosi esclusivamente sull’elenco dei trasformatori sta quotando una singola unità, non una soluzione.

Ogni unità viene sottoposta a una sequenza standard di prove; durante tale procedura vengono registrati sia le perdite a vuoto sia la corrente di magnetizzazione. Questi due valori costituiscono gli input necessari per trasformare una valutazione sul fenomeno della ferro-risonanza da un’opinione in un calcolo effettivo; su richiesta, li forniremo al vostro ingegnere consulente prima della spedizione.

Ryan Electric produce trasformatori di distribuzione e di potenza dal 2007, da una base produttiva di 120.000 m² dotata di oltre 180 insiemi di attrezzature per la produzione e i test e di 37 brevetti. Dal 2023 l’azienda opera come partner ufficiale di joint venture di Eaton, motivo per cui trattiamo la coordinazione tra parafiamma e interruttori come parte integrante del campo d’applicazione del trasformatore, anziché come problema di qualcun altro.

Un modello che osserviamo ripetutamente nei lavori per sottodivisioni nordamericane è un piccolo gruppo trifase — da 75 kVA a 500 kVA — posto alla fine di un lungo derivato sotterraneo, alimentato tramite interruttori monofase e destinato a un carico che non esisterà ancora per un altro anno. Tutte le condizioni elencate sono presenti contemporaneamente e il cantiere rimane scarico per mesi. Quando il progettista passa a un interruttore comandato in blocco e lascia un piccolo carico resistivo sul secondario durante la messa in servizio, i guasti dei parafiamma cessano.

Se si specificano unità montate su plinto in un sistema alimentato a cavo, inviarci il diagramma unifilare e il prospetto dei cavi prima di effettuare l’ordine. Esamineremo la configurazione di commutazione, la specifica dei parafiamma e lo smorzamento secondario in relazione al vostro circuito reale, e vi indicheremo quale delle quattro condizioni è presente — e quale avete già eliminato con la progettazione. Questa è la conversazione che produttore di trasformatori di tipo a terra dovrebbe avvenire con voi prima dell’ordine, non dopo il primo guasto di un parafiamma.

Sull'autore

Questo articolo è stato redatto dal team di ingegneria trasformatori di Ryan Electric. Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.) progetta e produce trasformatori in resina colata e trasformatori asciutti con impregnazione a vuoto (VPI), trasformatori immersi in olio e unità montate su plinto presso il proprio stabilimento produttivo di 120.000 m², fornendo soluzioni per data center, applicazioni industriali, reti elettriche e progetti infrastrutturali in Nord America, Sud-Est asiatico, Medio Oriente e Africa.