Specifiche del trasformatore per parchi eolici offshore: nebbia salina, peso della piattaforma e armoniche del convertitore

Un appaltatore di piattaforme ci inviò una volta la specifica di un'unità di esportazione a 132 kV con novanta pagine di requisiti elettrici e una sola riga sui trasporti: peso massimo sollevabile, 240 tonnellate. Il nostro primo progetto pesava 262 tonnellate, olio pieno. Abbiamo ricostruito il serbatoio, suddiviso il conservatore e spedito a 238 tonnellate. La specifica elettrica non cambiò mai. Il numero che decise il progetto fu il limite della gru.

L’eolico offshore continua a stabilire record che i team di approvvigionamento onshore non hanno ancora raggiunto. Nel 2025, 9,3 GW di nuova capacità offshore sono stati collegati alla rete in tutto il mondo , portando il totale globale a 92,5 GW , e la potenza media delle turbine installate ha superato per la prima volta i 10 MW, secondo il Global Offshore Wind Report 2026 di GWEC . Ogni megawatt di tale cifra transita attraverso almeno due trasformatori: un’unità di innalzamento presso la turbina o la piattaforma dell’impianto e un trasformatore di esportazione che innalza la tensione di raccolta a 132 kV o 220 kV per il cavo sottomarino.

La maggior parte dei trasformatori di esportazione ordinati oggi è specificata come un trasformatore di potenza terrestre, con un sistema di verniciatura più robusto. È proprio qui che i progetti subiscono danni. Tre vincoli distinguono un trasformatore per energia eolica offshore da qualsiasi trasformatore installato in un’area recintata sulla terraferma: il sale, il peso e la firma armonica dell’elettronica di potenza.

 

 

La funzione di raccolta e quella di esportazione non sono lo stesso compito

 

Un trasformatore di raccolta opera a 33 kV o 66 kV e gestisce l’uscita combinata di otto-quindici turbine. Un trasformatore di esportazione passaggi che innalzano la tensione di raccolta fino al livello di trasmissione — tipicamente 132 kV, 220 kV o 275 kV — e convogliano l’intero parco eolico attraverso un singolo asset. In un progetto da 1 GW ciò comporta generalmente due o tre unità della classe 300 MVA in parallelo, oppure una singola unità da 400 MVA affiancata da una strategia di riserva che la maggior parte dei proprietari non riesce a giustificare.

Il profilo di carico è ciò che modifica la progettazione. Un’unità di innalzamento di tensione per generatore su terra in una centrale termica funziona a carico costante dell’85–95% per decenni. Un’unità offshore segue il vento: carico medio del 40%, lunghi periodi al 20%, seguiti da settimane al 100% quando soffia il vento e il cavo di esportazione è disponibile. Questo tipo di ciclatura termica di tale ampiezza sollecita l’isolamento e la struttura di fissaggio in un modo che un’unità a carico di base non sperimenta mai. proprio per questo motivo, regoliamo la pressione di fissaggio degli avvolgimenti e la coppia di serraggio dei bulloni del nucleo per un servizio ciclico anziché per un servizio continuo.

L’impedenza è una scelta silenziosa. Un’impedenza del 12,5% su un’unità da 180 MVA, 220/66 kV limita la corrente di cortocircuito negli interruttori della piattaforma, ma aumenta anche la caduta di tensione a carico e assorbe potenza reattiva che la piattaforma ha scarsa capacità di compensare. L’impedenza deve quindi essere concordata con gli ingegneri dei cavi e degli interruttori prima che il progetto del trasformatore venga definitivamente fissato. Si osservi inoltre che IEC/IEEE 60076-16 copre i trasformatori per applicazioni eoliche fino a 72,5 kV; l’unità di esportazione rientra normalmente al di fuori del suo campo di applicazione ed è specificata secondo IEC 60076-1 con un supplemento progettuale.

Neve salina: la protezione contro la corrosione è una specifica tecnica, non un colore della vernice

 

L'atmosfera offshore è classificata C5-M o CX secondo la norma ISO 12944. Tale classificazione non è meramente indicativa: stabilisce uno spessore minimo del film secco, un sistema di rivestimento e una durata di prova — solitamente 1.440 ore di nebbia salina neutra per la classe C5-M e un tempo sensibilmente maggiore per la classe CX. Un serbatoio verniciato con un sistema C3 per ambienti terrestri presenterà rigonfiamenti (blistering) nelle zone adiacenti ai cordoni di saldatura entro due o tre anni su una piattaforma del Mare del Nord.

Un sistema praticabile per la classe C5-M prevede un primer ricco di zinco di circa 80 µm, uno strato intermedio epossidico di 120 µm e una finitura poliuretanica di 60 µm — per un totale di circa 260 µm. Per la classe CX lo stesso sistema passa a 320 µm o più, con applicazione di strisce di rivestimento su ogni saldatura, bullone e spigolo, poiché sono proprio queste le zone in cui protezione contro la corrosione lo spessore si riduce per primo.

La verniciatura rappresenta metà del lavoro. Viti e bulloni zincati a caldo o in acciaio inossidabile 316, rondelle di isolamento tra i fissaggi in acciaio inossidabile e i raffreddatori in alluminio, un dispositivo di ventilazione che impedisce all’aria salina di entrare nel conservatore e armadi IP66 per l’equipaggiamento di monitoraggio devono essere inclusi nella stessa clausola. Nella nostra fabbrica la discussione con gli appaltatori della piattaforma riguarda quasi mai l’avvolgimento: verte invece sul fatto che la staffa per la targhetta identificativa, i punti di messa a terra e la piastra per i passacavi siano stati inclusi nel programma di rivestimento.

Peso e interfaccia con la piattaforma

 

Il ponte di una piattaforma ha un budget di peso fisso stabilito dalla struttura di copertura e dalla gru della nave di installazione. Il trasformatore è solitamente l’elemento singolo più pesante su tale ponte, e ogni chilogrammo oltre il limite di sollevamento deve essere eliminato dal progetto: non è negoziable con l’operatore della gru. La Tabella 1 fornisce una ripartizione realistica per un’unità di esportazione da 180 MVA, 220/66 kV. I valori indicati sono tipici, non universali, ma le proporzioni restano valide.

Componente	Massa tipica (t)
Nucleo e avvolgimenti	104
Serbatoio, coperchio e rinforzi	42
Olio isolante	58
Radiatori e ventilatori di raffreddamento	12
Bocchette e accessori	6
Telaio di base e piastre di sollevamento	4
Totale, riempito con olio	226

Da quella tabella derivano due decisioni. Primo, se l’unità viaggi con olio presente (oil-filled) o senza olio (oil-drained), con l’olio trasportato in fusti. Lo svuotamento riduce il peso da sollevare di 50–60 tonnellate, fattore che può determinare la differenza tra una gru standard e una gru per sollevamenti pesanti; il prezzo da pagare è l’azotatura, il fissaggio per il trasporto e una sequenza di messa in servizio più lunga sulla piattaforma. Secondo, la posizione del baricentro. La marcatura del baricentro, le posizioni dei ganci di sollevamento e le piastre di sollevamento sono dati di interfaccia di cui l’ingegnere strutturale ha bisogno già nella fase di revisione dei disegni, non al momento della spedizione.

 

 

I carichi di trasporto costituiscono un caso di progettazione a sé stante. Le specifiche di progetto richiedono comunemente 3 g di accelerazione verticale e 2 g di accelerazione longitudinale durante il trasporto marittimo, che è più severo del caso sismico nella maggior parte dei siti europei. Devono essere verificati il fissaggio del nucleo, il fissaggio degli avvolgimenti e il controventamento interno del serbatoio; tale verifica va inclusa nella relazione di progettazione, non in una nota di spedizione.

Armoniche del convertitore e margine termico

 

Un trasformatore di esportazione in un moderno parco eolico offshore raramente riceve a lungo un’onda sinusoidale pura. Collegamenti HVDC, STATCOM e convertitori delle turbine immettono armoniche che riscaldano gli avvolgimenti tramite perdite parassitarie, e lo spettro varia in funzione della configurazione della rete. Lo standard IEEE C57.110 definisce il calcolo del fattore di perdita per armoniche; il risultato pratico è o una riduzione della potenza nominale (derating) o una classe di raffreddamento potenziata.

Ecco la parte che la maggior parte degli acquirenti trascura. La classe di raffreddamento non è un’etichetta fissa. Un’unità ONAN/ONAF che eroga 180 MVA con i ventilatori in funzione può erogare soltanto 130 MVA con i ventilatori spenti. Se la piattaforma richiede ridondanza N+1 dei ventilatori, il trasformatore deve dimostrare la propria potenza nominale con un gruppo di raffreddamento fuori servizio — e tale requisito modifica la superficie radiante, le dimensioni del serbatoio e, alla fine, il peso che la gru deve sollevare. Raffreddamento, peso e potenza nominale costituiscono un unico problema, non tre problemi distinti.

L’incremento di temperatura è il parametro da far valere nei confronti del fornitore. Un incremento di 65 K in un ambiente a 40 °C sembra generoso, finché l’unità non viene installata all’interno di un involucro acustico dove l’aria locale raggiunge i 50 °C. Le unità offshore richiedono spesso una progettazione a 60 K o una correzione esplicita della temperatura ambiente nella garanzia, poiché la differenza tra 60 K e 65 K corrisponde approssimativamente all’otto per cento della potenza nominale continua. Armoniche del convertitore rendono tale margine ancora più significativo, non meno: le perdite armoniche si concentrano nello stesso punto critico di surriscaldamento contro cui è redatta la garanzia.

Prove di fabbrica che prevedono effettivamente la sopravvivenza in ambiente offshore

 

Un certificato di prova standard dimostra che l’unità corrisponde alla progettazione. Non dimostra, tuttavia, che l’unità resisterà per venticinque anni all’azione del sale e ai cicli termici. Per applicazioni offshore, la prova di accettazione in fabbrica su un trasformatore per aerogeneratore offshore deve includere gli elementi elencati di seguito, osservati dall’ingegnere del proprietario o da una terza parte come DNV o Bureau Veritas.

• Rapporto di trasformazione e polarità su ogni presa, oltre alla resistenza di avvolgimento per fase

• Impedenza e perdite a carico al 100% e al 50% della corrente nominale, nonché perdite a vuoto e corrente a vuoto

• Innalzamento di temperatura al 100% e all’110% della potenza nominale, con registrazione del gradiente di temperatura negli avvolgimenti

• Scariche parziali a 1,3 Um/√3, con limite di 100 pC per unità ad immersione in olio

• Sovratensione da fulmine sull’avvolgimento AT e prova di vuoto e di pressione sul serbatoio

• Livello di rumore a 1 m, tipicamente compreso tra 75 e 80 dB(A) a questa potenza nominale

• Tensione dielettrica dell’olio, oltre al campionamento DGA dopo la prova di innalzamento di temperatura

Due di questi meritano maggiore attenzione di quanta ne ricevano di solito. La scarica parziale è l'indicatore singolo migliore di difetti nell'isolamento che emergono dopo un anno di cicli. L'analisi dei gas disciolti (DGA) effettuata dopo l'aumento di temperatura — non prima — rileva il surriscaldamento locale che le termocoppie non hanno mai rilevato. . Eseguiamo entrambe le prove su ogni unità di classe esportazione e riportiamo i valori misurati nel rapporto, anziché indicare semplicemente un esito positivo.

Cosa inserire nella specifica tecnica del trasformatore per parchi eolici offshore

 

Se state redigendo la specifica tecnica per un trasformatore per energia eolica offshore , queste cinque clausole svolgono un lavoro maggiore rispetto a un'altra pagina di requisiti generali.

• Limite di peso per il trasporto e raggio di sollevamento della gru, indicati come valori numerici precisi, con condizione dell'olio definita.

• Sistema di rivestimento secondo la categoria ISO 12944, con spessore totale del film secco (DFT), richiesta di rivestimento a strisce e durata del test in nebbia salina.

• Ridondanza del sistema di raffreddamento espressa come potenza nominale con un gruppo di raffreddamento fuori servizio, alla temperatura ambiente reale della piattaforma.

• Spettro armonico fornito dal convertitore e dal fornitore HVDC, con calcolo del fattore di perdita obbligatorio nell'offerta.

• Diritti del testimone FAT, limite PD e punto di campionamento DGA dopo la prova di innalzamento della temperatura.

Dove si inserisce Ryan Electric

 

Dal 2007 produciamo trasformatori ad olio e trasformatori in resina in Jiangsu, su un sito di 120.000 m² dotato di oltre 180 unità di attrezzature per la produzione e i test e di 37 brevetti relativi alla progettazione degli avvolgimenti e al raffreddamento. Dal 2023 operiamo come partner ufficiale di joint venture di Eaton, il che ha sottoposto la nostra documentazione e il controllo dei processi a un regime di audit da parte del partner, anziché a un regime di audit da parte del cliente.

Per i progetti costieri e offshore la verniciatura viene eseguita internamente, pertanto il sistema C5-M e le fasce di protezione rimangono sotto il nostro controllo; ogni unità destinata all’esportazione viene sottoposta a misurazione delle scariche parziali e a analisi DGA post innalzamento della temperatura prima di lasciare il reparto di assemblaggio. I nostri ingegneri esamineranno, insieme ai vostri team strutturale e cavi, l’insieme dei disegni dell’interfaccia della piattaforma prima della definitiva approvazione del progetto del serbatoio. Più precoce sarà tale confronto, maggiore sarà il risparmio di peso.

Se state specificando un trasformatore per energia eolica offshore o per un’unità di esportazione costiera, inviare la classe di protezione, il limite di peso della piattaforma, la temperatura ambiente e lo spettro armonico. Forniremo una ripartizione del peso, un programma di verniciatura e un piano di prova: i tre documenti che determinano se l’unità è compatibile con la piattaforma prima che chiunque discuta sul prezzo. Contattare il team tramite ryan-transformers.com o all’indirizzo [email protected].

Informazioni sull'Autore: Questo articolo è stato redatto dal team di ingegneria dei trasformatori di Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), partner congiunto di Eaton e produttore certificato UL/CSA di trasformatori immersi in olio, in resina e montati su basamento, che fornisce soluzioni per progetti nel settore dell’energia elettrica, delle energie rinnovabili e dell’industria in Nord America, Europa, Medio Oriente e Asia Sudorientale.