Trasformatori di trazione per l’elettrificazione ferroviaria

Quasi ogni progetto ferroviario raggiunge lo stesso bivio. A trasformatore di trazione viene specificato un dispositivo per una sottostazione, e poi arriva una frase che riscrive completamente l’intero layout: l’unità è montata sul veicolo. Questa frase sposta la macchina da una base in calcestruzzo dietro una recinzione a rete a un telaio in acciaio fissato sotto la carrozzeria di un’autovettura, modificando così la logica termica, meccanica e di certificazione con cui si era iniziato.

 

Le unità di bordo e quelle fisse lungo la linea sono due problemi ingegneristici distinti

Queste macchine si suddividono in due famiglie che condividono un nome e quasi nulla altro. Le unità di bordo viaggiano insieme al treno ed sono alimentate da una linea aerea o da un terzo binario. Le unità fisse lungo la linea sono installate in una sottostazione di trazione e alimentano direttamente la linea aerea. Quando un acquirente chiede a un fornitore di quotare entrambe le tipologie senza distinguerne chiaramente le funzioni, il risultato è generalmente rappresentato da due progetti incompatibili affiancati nella stessa tabella di confronto.

Le tensioni raccontano la storia. Le reti principali europee funzionano a 15 kV e 16,7 Hz, mentre la maggior parte degli altri sistemi elettrificati opera a 25 kV e 50 Hz. A bordo, tale tensione di contatto viene ridotta a circa 1,5 kV per il convertitore di trazione, con avvolgimenti secondari separati a circa 400 V che alimentano l’impianto di climatizzazione, l’illuminazione e i compressori.

I fattori progettuali puntano in direzioni opposte. Un’unità esterna alla vettura è dimensionata in base alla resistenza al cortocircuito e al margine termico, e di solito è disponibile spazio sufficiente sulla base per renderla più grande. Un’unità a bordo è invece dimensionata in base alla massa e al volume, poiché ogni chilogrammo di nucleo e di avvolgimento rappresenta una massa trasportata dal carrello e un’energia spesa dal treno per accelerarla.

 

Cosa ha modificato la norma IEC 60310:2026 — e perché la specifica del vostro trasformatore di trazione richiede una seconda verifica

Incorporato trasformatore di trazione il progetto è regolato dalla norma IEC 60310. La quinta edizione è stata pubblicata il 13 aprile 2026 e abroga la quarta edizione del 2016. Si tratta di una revisione tecnica, non di un semplice aggiornamento redazionale; l’ambito di applicazione pubblicato è indicato nella Pagina webstore IEC 60310:2026 .

Sei modifiche sono rilevanti per chiunque rediga o esamini una specifica tecnica. Sono stati aggiunti circuiti tipici per trasformatori e induttori, fornendo ai progettisti un riferimento comune per le più comuni configurazioni degli avvolgimenti. Sono ora definiti i simboli alfabetici per i metodi di raffreddamento. La tabella relativa alle prove dielettriche è stata modificata. Le sottoclause relative alle prove sono state riorganizzate. Le prove di temperatura per trasformatori in versione a secco e per induttori in versione a secco sono state suddivise in due sottoclause distinte. I requisiti relativi a urti e vibrazioni sono stati aggiornati in conformità alla norma IEC 61373.

Quell’ultimo punto è quello che mette in difficoltà i progetti. Se il vostro piano di prova di accettazione in fabbrica è stato redatto sulla base dell’edizione 2016 e ha trattato la prova di temperatura per trasformatori a secco come una singola clausola, il piano non è più conforme alla norma citata dal cliente. Vale la pena leggere anche la riga relativa al campo di applicazione: la IEC 60310 non si applica ai trasformatori di misura, ai trasformatori con potenza nominale inferiore a 1 kVA monofase o a 5 kVA polifase, né a piccoli induttori.

 

Immersi in liquido o a secco: prendere prima la decisione sul raffreddamento

Le unità di bordo sono generalmente immerse in liquido, in olio minerale o in un fluido estereo, perché la circolazione del liquido allontana il calore dagli avvolgimenti molto più efficacemente rispetto all’aria e garantisce la massima potenza per chilogrammo. Su un veicolo, tale efficienza giustifica la complessità di un serbatoio sigillato e della manutenzione ad esso associata.

Esiste uno spazio ben definito per il trasformatore a secco nei lavori ferroviari, tuttavia, e non rappresenta una soluzione di riserva. Tunnel, stazioni sotterranee e qualsiasi luogo in cui sia inaccettabile una fuoriuscita di liquido o un carico d’incendio elevato spingono la specifica verso costruzioni VPI o a resina colata. Lo stesso ragionamento vale per i trasformatori ausiliari e quelli delle stazioni installati all’interno di un edificio pubblico.

Lungo la linea ferroviaria, il trasformatore a immersione in olio continua a dominare le sottostazioni principali a 25 kV e quelle con funzione di raddrizzatore sulle reti in corrente continua, poiché l’unità è installata all’interno di un recinto recintato, dove il margine termico ha un’importanza molto maggiore rispetto alla massa. Per queste applicazioni, la scelta della classe di raffreddamento — ONAN da sola oppure ONAN con stadi ad aria forzata — determina la potenza nominale continua.

Nei nostri stessi esami progettuali, la decisione relativa al raffreddamento è spesso l’ultimo elemento definito e il primo che avrebbe dovuto esserlo. Definirla prima del layout degli avvolgimenti: che si tratti di un serbatoio immerso in liquido o di un trasformatore a secco in un contenitore con grado di protezione IP, la scelta del sistema di raffreddamento fissa il sistema di isolamento, la geometria e le distanze di sicurezza intorno alle quali devono essere organizzati tutti gli altri elementi.

 

Gli elementi del foglio delle specifiche che determinano se l’unità è adatta

Due unità possono avere la stessa potenza nominale in kVA e tuttavia non essere adatte l’una all’altra per le rispettive funzioni. La tabella seguente riporta, in forma sintetica, i parametri che cambiano quando un’ trasformatore di trazione unita passa da una base di sottostazione a un veicolo.

Voce della Specifica	Unità di bordo	Unità laterale alla linea ferroviaria
Ingresso	linea aerea a 25 kV, 50 Hz o a 15 kV, 16,7 Hz	25 kV, 15 kV, 33 kV o 11 kV
Secondaria tipica	Circa 1,5 kV per il convertitore di trazione; circa 400 V per l’ausiliario	alimentazione in corrente continua da raddrizzatore a 1,5 kV CC o 750 V CC; distribuzione a 11 kV
Fattore progettuale prevalente	Massa e volume	Resistenza al cortocircuito e margine termico
Raffreddamento	Immerso in liquido oppure a secco con impregnazione sottovuoto (VPI) o resina colata	Immerso in olio ONAN o ONAF; a secco per installazione interna
Norma di riferimento	IEC 60310:2026	EN 50329 con IEC 60076
Qualifica meccanica	IEC 61373: urti e vibrazioni	Qualifica antisismica laddove richiesto dal sito
Coordinamento dell’isolamento	Interassi ridotti, elevata dv/dt proveniente dal convertitore	Clausole di tolleranza determinate dal BIL
Vincoli relativi a incendi e fuoriuscite	Norme relative a gallerie e aree passeggeri	Norme relative alla distanza tra sottostazioni

La percentuale di impedenza determina un numero maggiore di parametri rispetto a qualsiasi altro dato presente nel foglio tecnico. A bordo, un’impedenza più elevata limita la corrente di cortocircuito e protegge il convertitore, ma comporta anche un aumento della regolazione e delle perdite a carico. Lungo la linea, l’impedenza deve essere adeguata alle impostazioni di protezione e a qualsiasi unità in parallelo, poiché una discrepanza si traduce in una ripartizione non uniforme del carico non appena entrambi i trasformatori vengono alimentati contemporaneamente — e l’unità meno performante raggiunge temperature elevate fin dal primo giorno.

Indicare la tolleranza di impedenza nell’ordine d’acquisto, non solo il valore nominale, e specificare esplicitamente la gamma di prese. Un trasformatore progettato per una determinata tensione di alimentazione raramente offre prestazioni soddisfacenti qualora la rete venga successivamente alimentata da un diverso alimentatore.

 

Certificazione e prove in fabbrica per progetti ferroviari

I progetti nordamericani per i trasporti e l’industria aggiungono i propri processi di approvazione al quadro IEC. La norma ANSI/UL 1561 riguarda i trasformatori di tipo a secco, generali e di potenza; il suo campo di applicazione pubblicato termina a una tensione nominale primaria o secondaria di 600 V, pertanto qualsiasi livello superiore segue un percorso di certificazione diverso. L’edizione 4 è quella attualmente in vigore, ultima revisione del 31 agosto 2023, e il testo del campo di applicazione è pubblicato sulla Pagina della norma UL 1561 .

 

 

Un progetto di questo tipo trasformatore a secco ci aspetteremmo la verifica del rapporto e della polarità, la misura della resistenza di avvolgimento su ogni avvolgimento, la resistenza di isolamento, la prova di tenuta a tensione alternata con sorgente separata, la prova di sovratensione indotta, la misura delle scariche parziali con il limite in pC indicato nell’ordine d’acquisto e la prova di innalzamento della temperatura. trasformatore a immersione in olio aggiunge il test dell'olio e un test di pressione o di tenuta sul serbatoio. Le prove di tipo, come l'impulso da fulmine e la resistenza al cortocircuito, devono essere documentate da una relazione emessa da un laboratorio riconosciuto, anziché semplicemente promesse in un preventivo.

La sequenza è importante quanto l'elenco. Gli acquirenti che non specificano chiaramente la sequenza ricevono talvolta un valore di scarica parziale misurato su un'unità a freddo, mentre ciò che desideravano era il valore post-aumento di temperatura; i due valori non sono intercambiabili durante una revisione progettuale.

 

Perché questi dispositivi vengono realizzati su ordinazione

I progetti catalogo raramente si adattano ai lavori ferroviari. Vincoli di scartamento, più avvolgimenti secondari, una finestra di impedenza specifica, avvolgimenti ausiliari a una tensione insolita e un sistema di fissaggio imposto dal costruttore del veicolo spingono inevitabilmente il progetto verso un trasformatore trifase personalizzato realizzato secondo i disegni di progetto, anziché selezionato da un foglio dati.

Ryan Electric produce trasformatori dal 2007 ed è partner ufficiale di joint venture di Eaton dal 2023, un accordo che mette a disposizione delle stesse linee di produzione un collaudato quadro ingegneristico e qualitativo nordamericano. La base produttiva copre 120.000 m² e dispone di oltre 180 unità di attrezzature per la produzione e i test; l’azienda possiede le certificazioni UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS e CE.

Per le richieste relative al settore ferroviario, strutturiamo la revisione del progetto intorno a tre domande fondamentali, prima di ogni altra cosa: quale massa può sostenere il punto di fissaggio, quale corrente di guasto devono sopportare gli avvolgimenti e quali condizioni ambientali e di ventilazione offre effettivamente l’installazione. Ottenere queste tre risposte in anticipo elimina gran parte del lavoro di riprogettazione successivo.

 

Tempi di approvvigionamento per ordini di trasformatori ferroviari

I programmi ferroviari seguono fasi di approvazione prestabilite e il trasformatore di trazione è raramente sul percorso critico fino al momento in cui, improvvisamente, lo diventa. Il costruttore di veicoli blocca la configurazione del telaio inferiore, la progettazione della sottostazione blocca la base e i percorsi dei cavi, e entrambe queste scadenze cadono tipicamente molto tempo dopo la firma del contratto commerciale. Effettuare l’ordine a quel punto comprime la produzione nella finestra temporale rimanente.

Gli acquirenti che evitano tale problema effettuano l’ordine al momento del blocco della progettazione, anziché al rilascio per la costruzione, e accettano che una piccola parte del progetto possa ancora subire modifiche. Inoltre, estraggono l’articolo con tempi di consegna prolungati dal pacchetto principale, in modo che un cambiamento tardivo nell’ambito dei segnalamenti o delle opere civili non ritardi il trasformatore.

Se state preparando una richiesta relativa a ferrovie o trasporti pubblici, inviateci la potenza richiesta, i vincoli di montaggio o di base, il livello di cortocircuito e le condizioni ambientali. Vi forniremo una trasformatore trifase personalizzato proposta che risulti idonea già al primo tentativo: potete contattare il nostro team di ingegneria tramite il modulo di contatto presente sulla nostra homepage.

 

Sull'autore

Questo articolo è stato redatto dal team dei contenuti tecnici di Ryan Electric, un produttore di trasformatori fondato nel 2007 e partner ufficiale di joint venture di Eaton dal 2023. Il team supporta utility, appaltatori EPC e progetti di trasporto pubblico in Nord America, Medio Oriente, Asia Sudorientale e Africa con progettazioni personalizzate di trasformatori in resina e immersi nell’olio. Per richieste tecniche, contattare il team tecnico tramite il sito web di Ryan Electric.