Perché viene utilizzato l'olio nei trasformatori immersi da 11 kV? Ruoli chiave spiegati

Nelle reti globali di distribuzione dell'energia, 11 kVtrasformatori immersi in oliosono le apparecchiature di trasformazione di potenza dominanti. Sono ampiamente utilizzati nelle reti di distribuzione urbana, nei parchi industriali, nell’integrazione delle reti fotovoltaiche ed eoliche, nell’elettrificazione rurale e nei progetti EPC all’estero. Molti acquirenti, ingegneri elettrici e proprietari di progetti continuano a porsi una domanda fondamentale ma critica: perché questi trasformatori di media tensione sono riempiti con olio isolante anziché con aria o altri materiali isolanti solidi?
L'olio isolante non è semplicemente un semplice mezzo di riempimento. È un materiale funzionale indispensabile all'interno di 11kVtrasformatori immersi in olio, che determina direttamente la capacità di dissipazione del calore, le prestazioni di isolamento, la durata dell'apparecchiatura e la stabilità operativa. I trasformatori a secco si affidano all'aria e alla resina epossidica per l'isolamento, mentre i trasformatori immersi in olio adottano olio isolante minerale (o olio estere sintetico) per ottenere più funzioni contemporaneamente. Questo articolo approfondisce i ruoli principali dell'olio isolante nei trasformatori immersi in olio da 11 kV, confronta i vantaggi e i limiti delle soluzioni immerse in olio, introduce tipi comuni di olio isolante, criteri di accettazione della qualità e linee guida per la manutenzione. Fornisce riferimenti tecnici professionali ai visitatori di siti Web indipendenti, aiutando i professionisti del settore energetico a formulare giudizi validi durante la selezione del progetto, l'accettazione delle apparecchiature e la manutenzione quotidiana.

All'interno di un trasformatore da 11 kV sono presenti parti sotto tensione come avvolgimenti ad alta tensione, avvolgimenti a bassa tensione e nucleo di ferro, nonché componenti collegati a terra. È necessario un isolamento affidabile tra i componenti per prevenire guasti e cortocircuiti. L'aria ha una capacità isolante limitata ed è soggetta a scariche elettriche in spazi ristretti, in presenza di campi elettrici elevati e condizioni umide. L'olio isolante del trasformatore presenta un'elevata rigidità dielettrica. Riempie tutti i piccoli spazi tra il nucleo di ferro e gli avvolgimenti, espelle completamente l'aria, isola efficacemente gli avvolgimenti ad alta tensione da quelli a bassa tensione e separa gli avvolgimenti dal nucleo di ferro messo a terra e dal guscio del serbatoio dell'olio.
Quando il trasformatore resiste alla tensione a frequenza industriale e alla tensione impulsiva del fulmine, l'olio isolante sopprime la concentrazione del campo elettrico locale e riduce i rischi di scariche parziali. Secondo la norma IEC 60156, il nuovo olio isolante minerale qualificato deve raggiungere un livello di tensione di rottura specificato per garantire un funzionamento sicuro in condizioni di tensione nominale e di sovratensione temporanea. Se l'olio isolante diventa umido, contaminato o invecchiato, la sua tensione di rottura diminuirà rapidamente e il rischio di rottura dell'isolamento interno aumenterà notevolmente. Questo è il motivo fondamentale per cui i trasformatori immersi in olio necessitano di regolari test di tensione di resistenza all'olio.

Durante il funzionamento del trasformatore, la perdita di isteresi e la perdita di corrente parassita del nucleo di ferro insieme alla perdita di carico dell'avvolgimento generano continuamente calore. L'alta temperatura è la causa principale dell'invecchiamento dell'isolamento solido. Se il calore non può essere dissipato in tempo, l'isolamento degli avvolgimenti si deteriorerà rapidamente, accorciando la vita utile del trasformatore e, nei casi più gravi, portando addirittura al surriscaldamento dell'apparecchiatura.
L'olio isolante ha una conduttività termica favorevole e forma una circolazione interna attraverso la circolazione naturale dell'olio (ONAN) o il raffreddamento ad aria forzata (ONAF). L'olio isolante riscaldato vicino al nucleo di ferro e agli avvolgimenti ha una densità inferiore e scorre verso l'alto. Il calore viene trasferito alla parete del serbatoio e ai radiatori, mentre l'olio raffreddato rifluisce verso il basso per sottrarre continuamente calore alle fonti di calore. Questo sistema di raffreddamento a circolazione dell'olio presenta una struttura semplice e un'elevata efficienza di scambio termico. Rispetto al raffreddamento ad aria, il raffreddamento ad olio può supportare una capacità maggiore con un ingombro ridotto, il che è uno dei motivi principali per cui i trasformatori di distribuzione di grande capacità preferiscono il design immerso in olio.

L'isolamento in carta avvolto attorno agli avvolgimenti del trasformatore è materiale organico. Si ossiderà gradualmente e diventerà fragile alle alte temperature e all'esposizione all'ossigeno, perdendo la capacità di isolamento. Dopo che il serbatoio dell'olio è stato riempito con olio isolante, l'ossigeno e l'umidità possono essere isolati per proteggere l'isolamento della carta dell'avvolgimento. L'olio isolante può dissolvere una piccola quantità di ossigeno, ridurre le reazioni di ossidazione dell'isolamento in carta, rallentare l'invecchiamento dell'intero sistema di isolamento e prolungare la durata complessiva del trasformatore.
Nel frattempo, l'olio isolante riveste i componenti metallici e riduce il rischio di corrosione ossidativa sulle superfici metalliche del nucleo e degli avvolgimenti in ferro. Va notato che questo effetto protettivo non è permanente. Nel funzionamento a lungo termine, l'olio isolante si ossida lentamente e produce acidi organici e morchie d'olio. I fanghi d'olio aderiscono agli avvolgimenti e alle superfici dei radiatori, ostacolando la dissipazione del calore e accelerando ulteriormente il degrado delle apparecchiature. Pertanto, i trasformatori immersi in olio necessitano di un rilevamento regolare del valore di acidità e del contenuto di umidità. Se necessario, è necessario il filtraggio o la sostituzione dell'olio.

Un altro valore chiave dell’olio isolante facilmente trascurato è quello di fungere da mezzo per la diagnosi dei guasti. Quando all'interno del trasformatore si verificano guasti latenti come surriscaldamento locale, archi elettrici e scariche da una parte all'altra, l'alta temperatura innesca la decomposizione termica dell'olio isolante e genera gas caratteristici tra cui idrogeno, metano e acetilene. Questi gas si dissolvono nell'olio isolante. I tecnici della manutenzione eseguono l'analisi dei gas disciolti (DGA) raccogliendo campioni di olio per testare la composizione e la concentrazione dei gas disciolti. I pericoli latenti possono essere identificati prima che i guasti si trasformino in gravi incidenti da cortocircuito.
Questo è un vantaggio diagnostico unico dei trasformatori immersi in olio. I trasformatori a secco difficilmente consentono il campionamento per ottenere le caratteristiche del guasto interno. Al contrario, i trasformatori immersi in olio realizzano avvisi tempestivi di guasto non intrusivi basandosi sull'olio isolante, riducendo notevolmente i rischi di improvvise interruzioni di corrente e danni alle apparecchiature. Il relè Buchholz agisce anche sulle miscele olio-gas generate da guasti per attivare allarmi o protezioni di intervento e questo meccanismo di protezione è costruito sul sistema di olio isolante.

Olio isolante minerale: il tipo più diffuso sul mercato con costi moderati e prestazioni dielettriche e termiche stabili, conforme alla norma IEC 60296. La maggior parte dei trasformatori di distribuzione convenzionali da 11 kV utilizza olio minerale. Il suo svantaggio è l'infiammabilità. Sono necessari schemi di protezione antincendio se utilizzati in ambienti chiusi e aree densamente popolate.
Olio estere sintetico e olio estere naturale: oli isolanti biodegradabili ecologici con alto punto di infiammabilità e basso rischio di incendio. Le perdite causano meno inquinamento del suolo e dei corpi idrici. Sono ampiamente utilizzati nelle sale di distribuzione elettrica sotterranee urbane, nei quartieri residenziali, nelle zone di protezione delle fonti d'acqua e in altri progetti con rigorosi requisiti ambientali e di sicurezza antincendio. Lo svantaggio è rappresentato dai costi di approvvigionamento più elevati rispetto all’olio minerale.
La selezione sarà determinata in modo esaustivo in base all'ambiente di installazione, alle norme antincendio, agli standard di rete locali e al budget del progetto.

Anche l'adozione di olio isolante presenta degli inconvenienti. Esiste il rischio di perdite di olio isolante, che possono essere causate dall'invecchiamento delle saldature del serbatoio e delle guarnizioni di tenuta. L'olio minerale è infiammabile e devono essere predisposte misure di protezione antincendio. L'olio isolante si degrada nel tempo ed è obbligatorio eseguire regolarmente test di qualità dell'olio.
Le principali attività di manutenzione quotidiana includono il monitoraggio del livello dell'olio e il controllo delle perdite del serbatoio; campionamento regolare dell'olio per tensione di rottura, umidità, indice di acidità e test DGA; mantenere puliti i radiatori per garantire la circolazione del calore; mantenendo gli sfiati per ridurre al minimo l'ingresso di umidità nel serbatoio. Con manutenzione standardizzata, 11kVtrasformatori immersi in oliopuò funzionare stabilmente per decenni.

Per riassumere, l'olio isolante svolge quattro funzioni principali a 11 kVtrasformatori immersi in olio: funge da mezzo isolante ad alta tensione, fa circolare e rimuove il calore, protegge l'isolamento solido interno dall'invecchiamento e funge da mezzo per il rilevamento dei guasti interni latenti. Combinati, questi quattro vantaggi rendono i trasformatori immersi in olio l'opzione principale per le applicazioni di distribuzione globale a 11 kV grazie all'elevata affidabilità, all'eccellente dissipazione del calore e ai costi vantaggiosi.
Tuttavia, le prestazioni dell'olio isolante si deteriorano con il tempo di funzionamento, la temperatura e l'umidità ambiente e il livello di contaminazione. I professionisti nei progetti energetici devono comprendere il principio di funzionamento dell'olio isolante e attribuire importanza ai test periodici della qualità dell'olio, in modo da sfruttare appieno i vantaggi prestazionali dei trasformatori immersi in olio e garantire un'alimentazione elettrica stabile a lungo termine delle reti di distribuzione.