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02 Forma del nucleo di ferro

Il nucleo di ferro è costituito da una colonna di ferro e da un giogo di ferro. La colonna di ferro è ricoperta da avvolgimenti e il giogo di ferro collega la colonna di ferro a formare un circuito magnetico chiuso.

La FIG. 1A mostra un trasformatore monofase, la FIG. 1B mostra un trasformatore trifase. La struttura del nucleo di ferro può essere suddivisa in due parti: C è la parte dell'avvolgimento, nota come colonna del nucleo, e Y è la parte utilizzata per chiudere il circuito magnetico, chiamata giogo di ferro. Un trasformatore monofase ha due colonne del nucleo, mentre un trasformatore trifase ne ha tre.

Poiché il flusso magnetico nel nucleo di ferro del trasformatore è un flusso alternato, per ridurre le perdite per correnti parassite, il nucleo di ferro del trasformatore è generalmente costituito da trucioli di ferro di una certa dimensione ricavati da lamierini di acciaio al silicio ad alta resistività. I ​​lamierini di acciaio al silicio che compongono il nucleo di ferro vengono prima tagliati nella forma e dimensione richieste, ovvero nei fogli tranciati, e poi combinati tra loro in modo sovrapposto. La Figura 2A mostra il nucleo di ferro di un trasformatore monofase. Ogni strato è costituito da 4 fogli tranciati. La Figura 2B mostra il nucleo di ferro di un trasformatore trifase, ogni strato è composto da 6 pezzi e la combinazione dei fogli tranciati di ogni coppia di strati applica diversi metodi di disposizione per sfalsare la giunzione del circuito magnetico di ogni strato. Questo metodo di assemblaggio è chiamato assemblaggio sovrapposto e può evitare il flusso di correnti parassite tra i fogli di acciaio. Inoltre, poiché gli strati sono intrecciati e incastrati, è possibile utilizzare un minor numero di elementi di fissaggio, semplificando la struttura durante la pressatura del nucleo. Durante l'assemblaggio, i pezzi punzonati vengono prima sovrapposti per formare un nucleo di ferro completo, quindi il giogo inferiore viene bloccato, i pezzi punzonati del giogo superiore vengono estratti per esporre la colonna del nucleo di ferro, gli avvolgimenti prefabbricati vengono posizionati sulla colonna del nucleo di ferro e infine vengono inseriti i pezzi punzonati del giogo superiore precedentemente estratti.

In base alla disposizione degli avvolgimenti nel nucleo, i trasformatori si dividono in due tipi: a nucleo e a guscio. La differenza principale risiede nella distribuzione del circuito magnetico: nel trasformatore a guscio, il nucleo è circondato da un giogo di ferro che avvolge la bobina, mentre nel trasformatore a nucleo la maggior parte della bobina è avvolta dal nucleo stesso, e solo una parte della bobina si trova all'esterno del giogo di ferro, utilizzato per formare un circuito magnetico.

03 Dissipazione del calore del nucleo di ferro

Quando il trasformatore è in normale funzionamento, il nucleo di ferro genera calore a causa delle perdite nel ferro; maggiore è il peso e il volume del nucleo di ferro, maggiore sarà il calore generato. Una temperatura dell'olio del trasformatore superiore a 95 gradi può causare invecchiamento precoce, pertanto la temperatura della superficie del nucleo deve essere mantenuta il più possibile al di sotto di tale valore. Ciò richiede che la struttura di dissipazione del calore del nucleo sia progettata per espellere rapidamente il calore. La struttura di dissipazione del calore ha lo scopo principale di aumentare la superficie di dissipazione del calore del nucleo. La dissipazione del calore del nucleo di ferro comprende principalmente la dissipazione del calore attraverso i canali dell'olio e attraverso i condotti dell'aria.

Nei trasformatori a bagno d'olio di grande potenza, tra le lamelle del nucleo di ferro vengono spesso ricavate delle scanalature per migliorare la dissipazione del calore. Le scanalature per l'olio si dividono in due tipologie: una parallela alla lamiera di acciaio al silicio e l'altra perpendicolare alla lamiera d'acciaio, come mostrato in Figura 4. Quest'ultima configurazione offre una migliore dissipazione del calore, ma la sua struttura è più complessa.

Il nucleo di ferro del trasformatore a secco è raffreddato ad aria. Per garantire che la temperatura del nucleo di ferro non superi il valore consentito, spesso vengono installati condotti d'aria nella colonna del nucleo di ferro e nel giogo di ferro.

04 Rumore del nucleo di ferro

I trasformatori producono rumore durante il funzionamento. La fonte del rumore del trasformatore è la magnetostrizione della lamiera di acciaio al silicio del nucleo di ferro, ovvero il rumore del nucleo del trasformatore è fondamentalmente causato dalla magnetostrizione. La magnetostrizione si riferisce all'aumento delle dimensioni della lamiera di acciaio al silicio lungo la linea di induzione magnetica quando il nucleo di ferro viene eccitato. Le dimensioni della lamiera di acciaio al silicio diminuiscono nella direzione perpendicolare alla linea di induzione magnetica, fenomeno chiamato magnetostrizione. Inoltre, la struttura e le dimensioni geometriche del nucleo di ferro, nonché la tecnologia di lavorazione e fabbricazione del nucleo di ferro, influiscono in una certa misura sul livello di rumore.

Il livello di rumorosità del nucleo di ferro può essere ridotto mediante le seguenti misure tecniche:

(1) Utilizzare lamiere di acciaio al silicio di alta qualità con un piccolo valore magnetostrittivo ε.

(2) Ridurre la densità del flusso magnetico del nucleo.

(3) Migliorare la struttura del nucleo di ferro.

(4) Scegliere una dimensione del nucleo ragionevole.

(5) Adottare tecnologie di elaborazione avanzate.

05 Messa a terra del nucleo di ferro

Durante il normale funzionamento del trasformatore, il campo elettrico che si forma tra gli avvolgimenti e i conduttori elettrificati e il serbatoio dell'olio è un campo elettrico non uniforme, e il nucleo di ferro e le sue parti metalliche si trovano all'interno di questo campo elettrico. Poiché il potenziale di induzione elettrostatica non è uniforme, anche il potenziale di sospensione del nucleo di ferro e dei suoi componenti metallici non è lo stesso. Quando la differenza di potenziale tra due punti può causare la rottura dell'isolamento tra di essi, si genera una scarica elettrica. Questa scarica può corrodere l'olio del trasformatore e danneggiare l'isolamento solido. Per evitare ciò, sia il nucleo che i suoi componenti metallici devono essere collegati a terra in modo affidabile.

Il nucleo deve essere messo a terra in un punto. Quando il nucleo di ferro o altri componenti metallici hanno due o più punti di messa a terra, il punto di terra formerà un circuito chiuso, con conseguente circolazione di corrente che a volte può raggiungere decine di A, causando surriscaldamento locale, decomposizione dell'olio e persino la fusione dell'elemento di messa a terra, con conseguente bruciatura del nucleo di ferro. Questi fenomeni sono inaccettabili. Pertanto, il nucleo deve essere messo a terra, e in modo più efficiente.

II. Struttura dell'avvolgimento del trasformatore

Funzione dell'avvolgimento 01

L'avvolgimento è la parte più fondamentale del trasformatore, è responsabile della creazione del campo magnetico e della trasmissione del circuito elettrico. Generalmente, è avvolto con carta isolante e filo di rame o alluminio, e inserito nel nucleo del trasformatore. Il nucleo del trasformatore deve possedere sufficiente resistenza all'isolamento, resistenza meccanica e resistenza al calore.

Tipo di avvolgimento

La struttura degli avvolgimenti dei trasformatori può essere generalmente suddivisa in due categorie: struttura a strati e struttura a torta. La struttura a strati prevede che le spire dell'avvolgimento siano disposte in modo continuo lungo il suo asse, ed è generalmente utilizzata nelle serie S8 e S9 di trasformatori di potenza a basse perdite. La struttura a torta, invece, prevede che le spire dell'avvolgimento siano avvolte in modo continuo a formare una torta (segmento) lungo la sua direzione radiale, e che a sua volta sia composta da molte torte disposte lungo la direzione assiale. Quest'ultima è generalmente utilizzata nei trasformatori di grandi e grandissime dimensioni con alta tensione pari o superiore a 110 kV.

In sostanza, gli avvolgimenti dei trasformatori di potenza prodotti in Cina adottano una struttura concentrica. Avvolgimento concentrico significa che gli avvolgimenti sono avvolti all'esterno del nucleo con la stessa linea cilindrica in qualsiasi sezione trasversale del nucleo stesso. Tra gli avvolgimenti ad alta e bassa tensione e tra gli avvolgimenti a bassa tensione e il nucleo di ferro deve essere presente un certo spazio di isolamento e un canale di dissipazione del calore (canale dell'olio), separati da un tubo di cartone isolante. La distanza di isolamento dipende dal livello di tensione dell'avvolgimento e dallo spazio richiesto dal canale di dissipazione del calore. Quando l'avvolgimento a bassa tensione è posizionato all'interno, vicino al nucleo, la distanza di isolamento richiesta tra esso e il nucleo è relativamente piccola, quindi le dimensioni dell'avvolgimento possono essere ridotte, e di conseguenza anche le dimensioni complessive del trasformatore.

Il trasformatore a tre avvolgimenti è il più comunemente utilizzato nei sistemi di alimentazione. L'utilizzo di un trasformatore a tre avvolgimenti per collegare un sistema di trasmissione con tre diverse tensioni è più economico, occupa meno spazio e offre una manutenzione e una gestione più agevoli rispetto all'utilizzo di due trasformatori comuni. Il trasformatore trifase a tre avvolgimenti adotta solitamente una connessione YY-△, ovvero gli avvolgimenti primario e secondario sono collegati a stella (Y), mentre il terzo avvolgimento è a triangolo (△), come mostrato in Figura XX. La connessione a triangolo (△) è di per sé un circuito chiuso, attraversato dalla corrente di terza armonica nella stessa fase, in modo che gli avvolgimenti primario e secondario collegati a stella non presentino la terza armonica di tensione. In questo modo si crea un punto neutro sia per il primario che per il secondario. Nei sistemi di trasmissione a lunga distanza, il terzo avvolgimento può anche essere collegato a una telecamera sincrona per migliorare il fattore di potenza della linea.

III. Struttura dei conduttori del trasformatore

01 Materiale e classificazione del piombo

Gli avvolgimenti del trasformatore sono collegati esternamente all'estremità del filo, chiamata conduttore, attraverso il quale avviene il collegamento all'alimentatore esterno, ovvero al trasformatore di alimentazione in ingresso, e attraverso il conduttore viene trasmessa la potenza elettrica in uscita dal trasformatore verso l'esterno.

Esistono principalmente le seguenti tipologie di lead:

(1) il filo conduttore collegato all'estremità del filo di avvolgimento e all'involucro;

(2) collegare i conduttori tra le estremità dell'avvolgimento;

(3) la presa dell'avvolgimento è collegata al conduttore di presa collegato all'interruttore

Il materiale di base è generalmente:

(1) Barra di rame nudo, ambito di applicazione: trasformatore di classe 10kV 6300kVA e inferiore;

(2) Barra di rame rotonda avvolta in carta, campo di applicazione: trasformatore di piccola capacità da 10 a 35 kV;

(3) Barra di rame nudo, ambito di applicazione: conduttori di avvolgimento a bassa tensione da 10 kV e inferiori;

(4) Filo di rame intrecciato, ambito di applicazione: tutti i livelli di tensione, in particolare 110 kV e oltre il conduttore;

(5) Tubo di rame, campo di applicazione: cavo del trasformatore da 220 kV in su.

Per garantire una distanza di isolamento sufficiente, il conduttore che attraversa l'isolamento in legno laminato o cartone deve soddisfare i requisiti di prestazioni elettriche, resistenza meccanica e aumento di temperatura. La selezione dei conduttori si basa anche sull'intensità del campo elettrico e sulla resistenza meccanica, nonché sull'aumento di temperatura in cortocircuito e sull'aumento di temperatura a lungo termine sotto carico.

02 Collegamento del cavo

Le forme di connessione dei conduttori del trasformatore sono: brasatura, saldatura a gas, saldatura a freddo sotto pressione e collegamento tramite bulloni.

L'elettrodo di brasatura deve essere realizzato in lega di rame fosforoso per il collegamento tra l'uscita dell'avvolgimento e il conduttore e tra i conduttori stessi.

La saldatura a gas viene utilizzata per saldare barre di rame, fili conduttori e giunti perforanti per cavi.

La saldatura a freddo consiste nell'inserire i due terminali collegati dal conduttore in un tubo metallico, quindi utilizzare uno stampo per comprimere il tubo metallico e unire i due terminali. La saldatura a freddo non richiede riscaldamento, è relativamente sicura, non presenta saldature errate e non brucia i conduttori e le altre parti, garantendo un buon isolamento, qualità di estrusione e resistenza alla trazione. Pertanto, la saldatura a freddo è il metodo principale di collegamento dei conduttori per i trasformatori di grandi dimensioni.

Il collegamento a bullone viene utilizzato principalmente per il filo conduttore collegato al manicotto dell'asta guida. Il filo conduttore può essere smontato e può compensare la deviazione della lunghezza del conduttore. Solitamente, la struttura del conduttore ad arco curvo può espandersi liberamente, ed è anche nota come connessione flessibile.

03 Fissaggio del piombo

Per garantire la distanza di isolamento del cavo e resistere alle vibrazioni e agli urti della corrente elettrica durante il funzionamento e ai cortocircuiti senza spostamenti o deformazioni, è necessario utilizzare elementi di fissaggio per serrare il cavo.

Le parti di serraggio dei cavi devono avere sufficiente resistenza meccanica ed elettrica, quindi la struttura delle parti di serraggio dei cavi adotta generalmente una struttura di supporto in legno, le parti di serraggio e le parti metalliche del corpo del trasformatore sono fissate, al fine di migliorare la resistenza meccanica dei bulloni metallici disponibili, ma tra le parti di serraggio devono essere fissati con bulloni epossidici, ed è presente un dispositivo allentato. Una lastra isolante dovrebbe essere aggiunta per bloccare il cavo come isolamento aggiuntivo per evitare che il cavo si incastri.

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