I trasformatori di prova ad alta tensione (AT) sono dispositivi specifici progettati per generare alta tensione a frequenza industriale, noti anche come trasformatori di prova. Classificati come trasformatori elevatori di tensione, le loro funzioni principali includono il collaudo delle prestazioni di isolamento dei prodotti elettrici, il collaudo della tensione di tenuta a frequenza industriale e la misurazione delle scariche parziali, caratterizzati da un funzionamento di breve durata.
La loro tensione di esercizio varia da 0.4 kV a 10 kV sul lato primario e può raggiungere valori compresi tra 100 e 2000 kV o superiori sul lato secondario, con una potenza che va da 3 kVA a 9000 kVA. I trasformatori adottano una struttura autoraffreddante a bagno d'olio o con isolamento in gas SF₆.
L'avvolgimento ad alta tensione adotta una configurazione a torre multistrato, solitamente con un'estremità messa a terra, mentre l'avvolgimento a bassa tensione è montato esternamente. I modelli con una potenza superiore a 10 kVA sono dotati di ruote in ferro mobili, che si distinguono per dimensioni compatte e peso ridotto. L'impedenza di tensione di una singola unità varia dal 4.5% al 10% e può raggiungere il 30%-40% quando più unità vengono utilizzate in cascata. La forma d'onda della tensione di uscita è quasi sinusoidale. I materiali isolanti degli avvolgimenti sono costituiti da filo smaltato in poliestere e materiali compositi resistenti alle alte tensioni. Il corpo del trasformatore è sottoposto a trattamento di essiccazione sottovuoto e, per i prodotti con una tensione nominale superiore a 100 kV, è richiesto il riempimento con olio sottovuoto.
- Classificazione per tipologia strutturale
- Trasformatori di prova ad alta tensione immersi in olio
Nella tipologia più comune, il corpo del trasformatore è immerso in olio isolante, che funge sia da mezzo isolante che da mezzo di dissipazione del calore.
Vantaggi: Eccellenti prestazioni di isolamento, elevata capacità, alto livello di tenuta alla tensione. Adatto per test di tenuta alla tensione a frequenza industriale e ampiamente utilizzato in centrali elettriche, sottostazioni e produttori di apparecchiature elettriche ad alta tensione.
Svantaggi: volume elevato, peso elevato, relativamente scomodo da trasportare e installare.
- Trasformatori di prova ad alta tensione a secco
Incapsulati mediante colata o avvolgimento di materiali isolanti solidi come la resina epossidica, non contengono olio isolante.
Vantaggi: Dimensioni compatte, peso ridotto, non inquinante, facile manutenzione, elevata resistenza all'umidità e alla contaminazione. Adatto per test di laboratorio, test in ambienti interni o ambienti umidi.
Svantaggi: Capacità e tensione nominale limitate rispetto alle controparti immerse in olio; costo leggermente superiore rispetto ai prodotti immersi in olio con le stesse specifiche.
- Trasformatori di prova ad alta tensione isolati in gas
Come mezzi di isolamento e raffreddamento vengono utilizzati gas isolanti quali l'esafluoruro di zolfo (SF₆) o l'azoto, racchiusi in un involucro metallico sigillato.
Vantaggi: Elevata capacità di isolamento, buon effetto di dissipazione del calore, struttura compatta, nessun rischio di perdite d'olio. Adatto ad ambienti speciali come zone ad alta quota e siti a rischio di esplosione.
Svantaggi: Elevati requisiti di tenuta del gas; è necessario un monitoraggio regolare della pressione del gas durante il funzionamento, il che comporta costi di manutenzione relativamente elevati.
- Trasformatori di prova ad alta tensione a cascata
Composto da più trasformatori di prova singoli collegati in serie, si ottiene una tensione di uscita ultraelevata tramite un aumento graduale della tensione.
Vantaggi: in grado di generare tensioni di uscita estremamente elevate, che vanno da centinaia di migliaia a milioni di volt, soddisfacendo i requisiti di collaudo delle apparecchiature ad altissima tensione.
Svantaggi: Struttura complessa, elevata difficoltà nella regolazione e nel controllo della tensione e requisiti rigorosi per la progettazione dell'isolamento e dell'equalizzazione della tensione.
| Alto voltaggio immerso in olio Trasformatore di prova | Trasformatore di prova ad alta tensione a secco | Trasformatore di prova ad alta tensione isolato in gas | Trasformatore di prova ad alta tensione a cascata |
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- Classificazione in base alla modalità di regolazione della tensione
Trasformatori di prova regolati da autotrasformatore
Dotate di un autotrasformatore incorporato, regolano la tensione di ingresso modificando il numero di spire dell'avvolgimento primario, variando così l'alta tensione di uscita.
Vantaggi: Struttura semplice, funzionamento facile e basso costo. Adatto a scenari di test con capacità medio-bassa e bassi livelli di tensione.
Trasformatori di prova regolati separatamente
Il corpo del trasformatore è separato dal regolatore di tensione, che di solito adotta un regolatore di tensione elettrico o un regolatore di tensione a induzione.
Vantaggi: Elevata precisione nella regolazione della tensione, tensione di uscita stabile e supporto per il controllo remoto. Adatto per test di precisione con elevata capacità e alti livelli di tensione.
III. Classificazione in base alla forma d'onda/frequenza del test
Trasformatori di prova a frequenza industriale
Questi trasformatori emettono corrente alternata sinusoidale a 50 Hz/60 Hz e vengono utilizzati per i test di tenuta alla tensione a frequenza industriale delle apparecchiature elettriche. Rappresentano il tipo più semplice di trasformatore di prova.
Trasformatori di prova risonanti in serie a frequenza variabile
In quanto apparecchiature di elevazione di tensione risonanti, sono costituite da un trasformatore di prova, un trasformatore di eccitazione, un reattore, un partitore di tensione a condensatore e altri componenti per formare un circuito risonante.
Vantaggi: Dimensioni compatte, peso ridotto ed elevato tasso di utilizzo della capacità. Adatto per prove di tenuta alla tensione di oggetti capacitivi come cavi lunghi, condensatori e generatori, e può ridurre efficacemente il fabbisogno di capacità delle apparecchiature di prova.
Trasformatori di prova a impulsi
Progettati specificamente per generare impulsi di tensione da fulmine o impulsi di commutazione, simulano le sovratensioni nei sistemi di alimentazione.
Caratteristiche: Elevato picco di tensione di uscita istantanea e breve durata. Devono essere utilizzati con un generatore di tensione impulsiva e trovano applicazione nei test di tenuta alla tensione impulsiva di apparecchiature quali trasformatori e scaricatori di sovratensione.
- Altri tipi speciali
Trasformatori di prova ad alta tensione portatili: per lo più di tipo a secco o di piccole dimensioni a bagno d'olio, sono compatti, leggeri e facili da trasportare per i test in loco. Adatti per il rilevamento in loco di linee elettriche e apparecchiature di distribuzione.
Trasformatori di prova AC-DC a doppio scopo: in grado di erogare alta tensione CA o alta tensione CC, commutabile tramite un raddrizzatore. Un unico dispositivo svolge molteplici funzioni, riducendo i costi di investimento in apparecchiature.
Introduzione di base
Le apparecchiature elettriche devono essere sottoposte a prove di tenuta alla tensione CA dopo aver lasciato la fabbrica, la consegna o una manutenzione importante, al fine di valutare il livello di isolamento delle apparecchiature contro le sovratensioni in condizioni operative. Pertanto, le apparecchiature per le prove di tenuta alla tensione CA devono essere installate in laboratori ad alta tensione o in aree di prova sia dei reparti di produzione che di quelli operativi.
I trasformatori di prova ad alta tensione, detti anche semplicemente trasformatori di prova, sono generalmente trasformatori elevatori di tensione. Questi trasformatori di prova utilizzano l'alta tensione a frequenza industriale indotta sul loro lato secondario per eseguire test sulle prestazioni di isolamento di vari prodotti elettrici e materiali isolanti.
I trasformatori di prova sono apparecchiature elettriche indispensabili per le prove di tenuta alla tensione nella manutenzione e nella produzione di motori, trasformatori e prodotti elettrici.
Le principali applicazioni dei trasformatori di prova includono i test di tenuta alla tensione a frequenza industriale di prodotti elettrici, la misurazione delle scariche parziali , i test di stabilità termica dei materiali isolanti, ecc. Per le apparecchiature elettriche a media e alta frequenza, è possibile utilizzare trasformatori di prova con frequenze speciali anche per i test di tenuta alla tensione e la misurazione dei relativi parametri elettrici.
I trasformatori di prova presentano un elevato rapporto di tensione tra gli avvolgimenti primario e secondario. La tensione primaria varia da 0.4 kV, 3 kV, 6 kV a 10 kV, mentre la tensione secondaria può essere progettata per valori compresi tra 100 e 2000 kV o superiori, con una potenza che va da 3 kVA a 9000 kVA.
Per le prove in loco delle apparecchiature elettriche, si utilizzano generalmente trasformatori di prova leggeri; per le prove di tenuta alla tensione di apparecchiature elettriche come i trasformatori da 6 kV e 10 kV si impiegano trasformatori di prova elevatori da 50 kV; per le prove di tenuta alla tensione di apparecchiature elettriche ad alta e altissima tensione con livelli di tensione superiori a 35 kV, si adottano trasformatori di prova ad altissima tensione con una tensione superiore a 5 volte la tensione nominale primaria dell'apparecchiatura testata, come ad esempio i trasformatori di prova elevatori da 500 kV, 700 kV e 800 kV con specifici livelli di capacità.
Il principio di funzionamento dei trasformatori di prova è lo stesso di quello dei trasformatori di potenza. Le differenze consistono nel fatto che i trasformatori di prova presentano un'elevata tensione di esercizio, una breve durata di servizio e un basso aumento di temperatura, e generalmente non sono dotati di dissipatori di calore. Inoltre, i trasformatori di prova hanno carichi ridotti, per lo più carichi capacitivi, e la loro capacità è relativamente inferiore a quella dei trasformatori di potenza.
Caratteristiche
Alta tensione: la tensione primaria dei trasformatori di prova è di 220 V o 380 V, mentre la tensione secondaria di un singolo trasformatore di prova raggiunge spesso diverse migliaia o decine di migliaia di volt. I trasformatori di prova con una tensione secondaria superiore a 750 kV adottano solitamente una struttura a cascata multi-unità.
Bassa corrente: la corrente nominale dei trasformatori di prova è in realtà la corrente capacitiva dell'oggetto in prova, quindi è generalmente inferiore a 1 A. Tuttavia, i trasformatori di prova utilizzati per test su cavi e motori di grandi dimensioni, test di inquinamento dell'isolamento esterno, test di effetto corona su linea e altri progetti possono avere una corrente secondaria di diversi ampere.
Tempo di funzionamento ridotto: a causa del breve tempo di tenuta alla tensione dei prodotti testati, i trasformatori di prova adottano generalmente un sistema di funzionamento a breve termine di 0.5 ore o 1 ora, ad eccezione di quelli utilizzati nei test di inquinamento dell'isolamento esterno, nei test di effetto corona su linea e nei test sui cavi.
Installazione monofase e interna: i trasformatori di prova sono generalmente dispositivi monofase e per interni (alcuni sono progettati per l'uso esterno). Tutti adottano una struttura autoraffreddante a bagno d'olio con spessi strati di isolamento degli avvolgimenti e l'avvolgimento ad alta tensione è solitamente messo a terra a un'estremità.
Livello di isolamento non uniforme dell'avvolgimento secondario: l'estremità anteriore dell'avvolgimento secondario è ad alto potenziale, mentre l'estremità posteriore è collegata direttamente a terra o tramite un amperometro.
Elevati requisiti di progettazione e produzione: a causa dell'elevata tensione di esercizio, la struttura dell'isolamento ha un impatto decisivo sulle dimensioni complessive del trasformatore di prova. Il corpo del trasformatore richiede generalmente l'asciugatura sottovuoto, mentre per i prodotti con tensione superiore a 100 kV è necessario il riempimento con olio sottovuoto.
Classificazione
In base alla struttura: trasformatori di prova con involucro in ferro e trasformatori di prova con involucro isolato.
In base alla frequenza di rete: testare i trasformatori con livelli di frequenza quali frequenza di rete, frequenza moltiplicata, media frequenza e alta frequenza.
Per livello di tensione: trasformatori di prova a bassa tensione, alta tensione e altissima tensione.
Per tipologia di applicazione: trasformatori mobili leggeri e fissi; trasformatori di prova per uso singolo e per uso in cascata di due o più unità.
I trasformatori di prova sono generalmente dispositivi monofase per interni con struttura autoraffreddata a bagno d'olio. A causa dell'elevata tensione di esercizio, gli strati isolanti degli avvolgimenti sono relativamente spessi e un'estremità dell'avvolgimento ad alta tensione è collegata a terra.
Le tipologie strutturali specifiche dei trasformatori di prova comprendono generalmente tre tipi: a boccola singola, a doppia boccola e a cilindro isolante.
Requisiti tecnici
Forma d'onda della tensione di uscita: La forma d'onda della tensione di uscita dei trasformatori di prova dovrebbe essere il più possibile simile a un'onda sinusoidale. Per ridurre la distorsione della forma d'onda della tensione causata dalle armoniche generate dal passaggio delle componenti armoniche della corrente a vuoto attraverso l'impedenza del regolatore di tensione e del trasformatore, la densità di flusso magnetico dovrebbe essere selezionata nel segmento lineare della curva di magnetizzazione del nucleo di ferro. Allo stesso tempo, è opportuno adottare apparecchiature di regolazione della tensione con bassa distorsione della forma d'onda e, se necessario, è possibile aggiungere dispositivi di filtraggio.
Tensione di impedenza: La corrente secondaria dei trasformatori di prova è generalmente una corrente capacitiva. Quando la corrente secondaria scorre attraverso l'impedenza del regolatore di tensione e del trasformatore di prova, la tensione di uscita supererà il valore determinato dal rapporto di tensione. Pertanto, la tensione di impedenza dei trasformatori di prova non dovrebbe essere troppo elevata, altrimenti potrebbe compromettere la precisione dei risultati del test e ridurre la capacità di cortocircuito dell'apparecchiatura di prova. Tuttavia, se la tensione di impedenza è troppo bassa, la corrente di cortocircuito potrebbe aumentare in caso di guasto o scarica superficiale dell'oggetto in prova. La tensione di impedenza di un singolo trasformatore di prova è generalmente compresa tra il 4.5% e il 10%, e può raggiungere il 30% o il 40% quando più unità sono collegate in cascata.
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