Spiegazione dell’impedenza del trasformatore: come la percentuale di impedenza determina la corrente di cortocircuito, la caduta di tensione e il funzionamento in parallelo

Due unità da 2.000 kVA sono state consegnate alla stessa cabina secondaria la scorsa primavera. Stesso rapporto di trasformazione, stesso secondario 208Y/120 V, entrambe certificate UL sulla targhetta. L’equipaggio di messa in servizio ha chiuso l’interruttore di collegamento per metterle in parallelo, e nel giro di due ore si è attivato l’allarme di temperatura avvolgimenti su una delle due unità. Nulla era difettoso. Una delle due unità era stata acquistata con un’impedenza del 5,75%, l’altra del 4,0%: quando due unità condividono un’unica sbarra, il carico si ripartisce in modo inversamente proporzionale all’impedenza. L’unità al 4,0% stava sopportando circa il 59% del carico totale, mentre la sua controparte ne sopportava solo il 41%. Era quindi chiamata a svolgere il lavoro di un trasformatore di potenza maggiore, riscaldandosi di conseguenza.

Quell’unico punto percentuale è il motivo per cui impedenza del trasformatore merita maggiore attenzione rispetto alla singola riga che di solito occupa in un ordine d'acquisto. La percentuale di impedenza determina contemporaneamente tre aspetti: la corrente di cortocircuito che l'apparecchiatura di commutazione deve interrompere, la caduta di tensione tra condizione a vuoto e carico pieno, e se due unità possono funzionare in parallelo senza che una sopporti la quota di carico dell'altra. Un errore di calcolo sul progetto si manifesta sul campo, nello studio sull'arco elettrico (arc-flash study) o durante la riunione di collaudo.

 

Cosa misura effettivamente l'impedenza del trasformatore

La percentuale di impedenza viene misurata con un avvolgimento in cortocircuito e una tensione variabile applicata all'altro avvolgimento. Si aumenta tale tensione fino a far scorrere la corrente nominale, quindi si esprime la tensione applicata come percentuale della tensione nominale. Un trasformatore al 5,75% richiede il 5,75% della propria tensione nominale per far scorrere la corrente nominale attraverso un cortocircuito solido. La maggior parte di tale impedenza deriva dal flusso di dispersione che non concatena entrambi gli avvolgimenti, oltre alla resistenza stessa del rame.

La procedura è standardizzata. Le misure dell'impedenza e delle perdite a carico sono indicate in IEEE C57.12.90 per unità immerse in liquido, pubblicate sulla Pagina dell'IEEE Standards Association relativa al codice di prova ; i requisiti generali per i trasformatori di potenza, inclusa la modalità di dichiarazione dell'impedenza di cortocircuito, sono stabiliti nella IEC 60076-1 . Entrambe le norme richiedono che il valore sia riferito a una corrente specificata e a una temperatura di riferimento, poiché la componente resistiva – e quindi l'impedenza totale – varia al variare della temperatura dei avvolgimenti.

Le fasce tipiche sono le seguenti:

Classe di trasformatore	Impedenza tipica (%Z)	Ciò che determina il valore
Tipo a secco, fino a 1.000 kVA	4% - 6%	Limitazione della corrente di guasto rispetto alla caduta di tensione
Distribuzione con immersione in liquido, 500 - 2.500 kVA	4% - 6%	Coordinamento della corrente di guasto da parte dell’ente distributore
Potenza media, 5 - 20 MVA	6% - 10%	Classe di tenuta del quadro elettrico secondario, rigidità del sistema
Alta potenza, superiore a 20 MVA	8% - 16%	Corrente di cortocircuito, costo unitario, regolazione della tensione

 

Considerare tale intervallo come una fascia di riferimento, non come una regola fissa. Due fornitori possono quotare lo stesso valore di kVA agli estremi opposti di tale fascia, ed entrambi aver ragione. Il valore ricevuto rappresenta un compromesso progettuale concordato nella fase di specifica tecnica, non un dato da verificare durante la prova di accettazione in fabbrica.

 

Perché la percentuale di impedenza determina la corrente di cortocircuito disponibile

Ecco l’aritmetica che la maggior parte degli acquirenti non vede mai. Su base unitaria, l’impedenza del trasformatore definisce la corrente disponibile al secondario: Isc è uguale alla corrente secondaria nominale divisa per l’impedenza in valore per unità. Prendiamo un trasformatore trifase da 2.000 kVA, 480 V. La corrente secondaria nominale è di 2.406 A. Con un’impedenza del 5.75%la corrente di cortocircuito trifase con collegamento rigido al secondario può raggiungere circa 41.800 A . A 4.0%lo stesso trasformatore raggiunge circa 60.150 A .

Questa differenza di 1,75 punti sposta la corrente di cortocircuito disponibile di circa 18 kA. È la differenza tra due classi di quadri elettrici a bassa tensione, due requisiti di rinforzo per i sbaramenti e due risultati di energia incidente nello studio sull’arco elettrico. Gli appaltatori del Texas e dell’Alberta ce lo chiedono costantemente, di solito dopo che uno studio di coordinamento ha restituito apparecchiature che non possono acquistare al prezzo che avevano ipotizzato.

L'impedenza ha anche una forma. La percentuale rappresenta la somma vettoriale di una componente resistiva, che genera le perdite a carico, e di una componente reattiva, che immagazzina l'energia di dispersione. Il rapporto tra queste due componenti determina quanto asimmetrici saranno i primi cicli della corrente di guasto, e l'interruttore che si seleziona deve essere in grado di chiudersi su tale asimmetria. Due trasformatori con lo stesso valore di impedenza ma con rapporti diversi non sono intercambiabili in uno studio di guasto.

 

 

Regolazione della tensione: L'altra metà dello stesso compromesso

L'impedenza limita la corrente di guasto, ma comporta un costo in termini di regolazione della tensione. A carico, la tensione ai morsetti diminuisce di una quantità proporzionale all'impedenza e alla corrente di carico; la caduta è approssimativamente pari alla componente resistiva moltiplicata per il coseno dell'angolo di carico, più la componente reattiva moltiplicata per il seno. Un trasformatore più rigido – cioè con impedenza inferiore – mantiene meglio la tensione secondaria, esattamente ciò che richiede un impianto con prevalenza di motori o una sala dati con una finestra di tensione ristretta.

Riducendo l’impedenza, il secondario rimane stabile, ma la corrente di guasto disponibile aumenta, così come il costo di ogni dispositivo a valle. Aumentando invece l’impedenza per limitare la corrente di guasto, gli stessi carichi subiscono una caduta di tensione maggiore e perdite reattive maggiori. Nessuna geometria del avvolgimento soddisfa contemporaneamente entrambe le esigenze, motivo per cui questo parametro va discusso in sede di specifiche tecniche, non inserito come valore predefinito in un modello.

Anche le norme riconoscono che il valore dichiarato non è esatto. IEC 60076-1 stabilisce come viene specificata l’impedenza di cortocircuito e quale tolleranza si applica al valore dichiarato; tali tolleranze sono sufficientemente ampie da consentire che un’apparecchiatura risulti legittimamente diversa di qualche decimo di punto percentuale rispetto al valore indicato nel contratto. Se prevedete di mettere in parallelo più unità, annotate esplicitamente la fascia di tolleranza anziché assumere che il valore riportato sulla targhetta sia esatto.

 

Collegamento in parallelo: dove un singolo punto percentuale diventa denaro vero

Il funzionamento in parallelo richiede quattro condizioni, e l’impedenza è soltanto una di esse: rapporto di tensione e posizione del tap coincidenti, stesso gruppo vettoriale e spostamento di fase, stessa sequenza di fase, e impedenza con modulo e rapporto tra reattanza e resistenza entrambi coincidenti.

Quando l’impedenza delle due unità non coincide, la ripartizione del carico avviene in modo inversamente proporzionale. L’esempio di messa in servizio riportato sopra rappresenta il caso classico descritto nei manuali. Facendo funzionare un’unità con impedenza del 4,0 % e un’altra con impedenza del 5,75 % al 90 % della loro capacità complessiva, l’unità a bassa impedenza supera già il proprio limite nominale, mentre l’altra dispone ancora di margine disponibile. L’unità ad alta impedenza non raggiunge mai il proprio limite; è il suo partner a sopportare l’intero carico.

La maggior parte delle specifiche per applicazioni industriali e di pubblica utilità fissa al 10% la differenza massima di impedenza tra unità destinate a funzionare in parallelo; tale cautela è ben fondata, poiché lo squilibrio aumenta rapidamente all’allargarsi del divario. Se in futuro potesse rendersi necessaria una connessione tra due trasformatori, indicare la fascia di impedenza su entrambi gli ordini d’acquisto fin dall’inizio. Reperire un’unità abbinata cinque anni dopo è esattamente il punto in cui questi progetti diventano costosi.

 

Come specificare l’impedenza senza vincolarsi eccessivamente

Il valore di impedenza di un trasformatore è un parametro da specificare, non un risultato di prova da determinare successivamente. Nella sezione relativa all’impedenza di una richiesta di offerta (RFQ) vanno indicati sette elementi, e la maggior parte di essi non comporta alcun costo aggiuntivo:

• Valore di impedenza e tolleranza. Indicare il valore nominale e la fascia accettabile, entrambi riferiti alla corrente nominale.
• Presa di riferimento. L’impedenza varia lungo la gamma di prese; pertanto, specificare chiaramente a quale presa si riferisce il valore indicato e richiedere anche i valori estremi corrispondenti alle prese estreme.
• Temperatura di riferimento. La resistenza dipende dalla temperatura, così come il valore che si sta specificando.
• Valore di interruzione a valle. Fornire al fornitore la portata dell’apparecchiatura di comando e permettergli di proporre la finestra di impedenza compatibile.
• Requisito di regolazione della tensione al fattore di potenza del carico di progetto.
• Intenzione di parallelo. Se in un secondo momento potrebbe essere aggiunta una seconda unità, indicarlo fin da ora e specificare la fascia di abbinamento richiesta.
• Requisiti per la relazione. Richiedere la misura dell’impedenza e delle perdite a carico nel rapporto di prova standard, non solo nel calcolo di progetto.

Quest’ultimo punto è più importante di quanto possa sembrare. In più di un progetto abbiamo osservato una coppia in parallelo rifiutare di condividere il carico perché i due rapporti di prova standard non erano mai stati confrontati fianco a fianco prima della messa in servizio.

 

Come Ryan Electric misura e riporta l’impedenza

Ogni unità che lascia il nostro banco di prova ha la propria impedenza e le proprie perdite a carico misurate alla corrente nominale e riportate rispetto al valore dichiarato, alle posizioni di presa effettivamente fornite e non soltanto alla presa principale. Qualora un cliente abbia specificato una fascia di abbinamento per un eventuale parallelo futuro su una trasformatore trifase personalizzato , lo stesso rapporto riporta i valori estremi del tap, in modo che l'ingegnere addetto alla messa in servizio possa verificare la coppia prima dell'alimentazione.

Costruiamo nei nostri impianti di 120.000 metri quadrati, dotati di oltre 180 insiemi di attrezzature per produzione e collaudo e di 37 brevetti; deteniamo le certificazioni UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS e CE. Dal 2023 Ryan Electric opera come partner ufficiale di joint venture di Eaton, e tale collaborazione ha reso più rigorosi gli standard documentali alla base di ogni nostro rapporto di prova. Il valore di impedenza riportato sulla nostra targhetta è un dato misurato, accompagnato da una tracciabilità documentale, ed è l’unica versione di tale valore idonea a essere utilizzata in uno studio di coordinamento.

 

Inviaci il diagramma unifilare prima dell’ordine d’acquisto

Inviaci lo schema unifilare, la potenza nominale del trasformatore, la potenza nominale della quadro secondario e il profilo di carico. Il nostro team di ingegneria fornirà una finestra di impedenza del trasformatore che soddisfi contemporaneamente i limiti di corrente di cortocircuito e di caduta di tensione; inoltre, qualora sia previsto il funzionamento in parallelo, indicherà una fascia di impedenza comune per entrambe le unità, affinché la coppia condivida il carico fin dal primo giorno. Fissare l’impedenza sulla carta non ha alcun costo. Correggerla dopo un intervento di messa in servizio comporta un’interrompibilità.

 

Informazioni sull'Autore: Questo articolo è stato redatto dal team di ingegneria di Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers), produttore di trasformatori in resina colata, immersi in olio e montati su basamento, che serve clienti del settore utility, data center, generazione rinnovabile e industriale dal 2007. Il team lavora quotidianamente con i requisiti IEEE C57 e IEC 60076 e supporta sviluppatori e appaltatori EPC durante la fase di specifica, i collaudi in fabbrica e l’attivazione in sito.