AVVOLGIMENTI
Trascurando le perdite di potenza e le cadute di tensione dovute al
carico:
V1I1  V2 I 2
V1 N1

V2 N 2
• L’avvolgimento di alta tensione (AT) sarà formato da più spire di
sezione minore (perché percorse da corrente minore).
In genere, per l’AT si usano conduttori a filo oppure quelli a piattina
che consentono il riempimento ottimale dello spazio.
• L’avvolgimento di bassa tensione (BT) sarà formato da meno spire di
sezione maggiore (perché percorse da corrente maggiore).
In genere, i conduttori in BT sono a piattina; talvolta presentano una
struttura “a nastro” (poche spire di grande sezione).
La disposizione degli avvolgimenti BT e AT attorno alle colonne del
nucleo è determinata da vari fattori:
• accoppiamento magnetico tra primario e secondario:
l’accoppiamento ideale si ottiene ponendo i due avvolgimenti uno
dentro l’altro (tutto il flusso magnetico si concatena con entrambi gli
avvolgimenti  non si ha flusso magnetico disperso);
• necessità di isolamento tra avvolgimenti e nucleo magnetico e tra
avvolgimento primario e secondario;
• necessità di raffreddamento: nei trasformatori di elevata potenza,
occorre avere dei canali di raffreddamento verticali, paralleli alla
colonna, per consentire la circolazione del fluido refrigerante per
smaltire il calore prodotto dalle perdite nel nucleo e nei conduttori. È
infatti necessario contenere la temperatura entro livelli che non
compromettano la tenuta degli isolanti.
TIPOLOGIE DI AVVOLGIMENTI



Primario e secondario sono di regola disposti sulla
stessa colonna per contenere al massimo le dispersioni di flusso. Da ciò derivano i tipi fondamentali di
costruzione:
Avvolgimenti concentrici:
semplici;
biconcentrici simmetrici;
biconcentrici asimmetrici.
Avvolgimenti alternati:
simmetrici;
asimmetrici.
AVVOLGIMENTO CONCENTRICO
Ciascun avvolgimento occupa tutta la lunghezza della colonna;
l’avvolgimento BT è vicino al nucleo, quello AT è esterno.
L’avvolgimento BT è formato da piattina avvolta a spirale a strato
continuo, quello AT da filo o piattina a bobine separate e collegate tra
loro. L’avvolgimento AT a bobine separate è utilizzato per avere una
tensione tra bobine dello stesso avvolgimento inferiore a qualche kV.
BT
AT
X
1  2
O
L’avvolgimento concentrico è il più diffuso perché presenta i
seguenti vantaggi:
• migliore accoppiamento magnetico;
• facilità di isolamento (con tubi isolanti);
• facilità di circolazione del fluido refrigerante (con canali verticali).
Gli svantaggi sono dati da:
• maggiore reattanza di dispersione;
• maggiori sforzi elettrodinamici: le forze sugli avvolgimenti sono di
compressione dell’avvolgimento BT sul nucleo e di dilatazione
radiale dell’avvolgimento AT verso l’esterno. Sono necessari buoni
ancoraggi per gli avvolgimenti.
AVVOLGIMENTO DOPPIO CONCENTRICO
Nell’avvolgimento
doppio
concentrico,
l’avvolgimento BT è diviso in due metà, una
disposta vicino al nucleo e l’altra all’esterno.
Sono necessari due strati di isolante tra gli
avvolgimenti, al posto di uno solo del caso
concentrico semplice.
Il raffreddamento è realizzato tramite canali
verticali.
Le reattanze di dispersione sono circa un
quarto di quelle con avvolgimento concentrico
semplice.
Anche gli sforzi elettrodinamici sono circa un
quarto di quelli con avvolgimento concentrico
semplice.
Sono ancora necessari buoni ancoraggi per gli
avvolgimenti.
N2/2 N1
X
Fr
N2/2
O
Fr
X
Fr
BT
AT
Fr
h
a1/2 a2 a1/2
b
b
BICONCENTRICI
SIMMETRICI
BICONCENTRICI
DISSIMMETRICI
AT
Regolaz.
AT
BT
AT
BT
X
O
X
X
O
X
1/2 2 1/2


La disposizione geometrica influenza le reattanze di dispersione che
a loro volta determinano la Vcc
La reattanza di dispersine si controlla sia con le dimensioni radiali e
longitudinali dell’avvolgimento, sia con le distanze e gli spazi tra le
bobine
AVVOLGIMENTO ALTERNATO (Simmetrico)
Nell’avvolgimento alternato, gli avvolgimenti BT e AT sono suddivisi in un certo
numero di bobine, disposte attorno alle colonne, isolate tra loro e verso il nucleo.
Come isolamento, è il più sfavorito, perché
necessita di più strati di isolante tra gli
avvolgimenti.
N2/4
N1/2
Il raffreddamento è più difficoltoso, i canali
devono avere sezioni maggiori.
In compenso, gli sforzi elettrodinamici
sono molto attenuati: sono quindi richiesti
ancoraggi meno onerosi.
L’avvolgimento alternato è conveniente nel
caso di trasformatori ad elevate intensità di
corrente.
BT
N2/2
AT
N1/2
N2/4
AVVOLGIMENTI
ALTERNATI
DISSIMMETRICI
AVVOLGIMENTI
ALTERNATI
DISSIMMETRICI
BT
BT
AT
AT
La geometria determina anche gli sforzi elettrodinamici. Dove la
corrente è elevata si adotta gli alternati (forni elettrici, impianti
elettrochimici, etc.)




La configurazione di gran lunga più usata è quella
concentrica con la BT contro il nucleo
Gli avvolgimenti biconcentrici sono usati in
macchine di grande potenza e ad alta tensione, dove
un elevato grado di dispersione rende difficile far
scendere la tensione di corto circuito ai valori
desiderati.
Gli avvolgimenti alternati sono usati in macchine di
piccole potenza, o quando si voglia accedere con pari
facilità ai due avvolgimenti. La BT, per motivi di
isolamento e in genere all’esterno.
L’altezza, h, dell’avvolgimento è determinata dalle
sollecitazioni magnetiche



al fine di ridurre al minimo le sollecitazioni assiali
negli avvolgimenti, causate dagli sforzi
elettrodinamici prodotti da eventuali correnti di corto
circuito, è necessario che gli avvolgimenti BT ed AT
abbiano la stessa altezza e siano per quanto possibile
centrati fra loro;
tale disposizione consente anche di minimizzare la
reattanza di dispersione e quindi la tensione di corto
circuito del trasformatore;
gli avvolgimenti sono bloccati mediante blocchetti di
resina fissati sulle armature con tiranti filettati che
lavorano su piastre di acciaio, fogli di gomma
consentono di ottenere una certa elasticità e di evitare
possibili cricche nella resina.
I Materiali Conduttori per Trasformatori
Resistività 
a 20°C
Coeff. di
temperatura 0
Peso specifico
(mm2/m)
(×10-3)
(kg/dm3)
0,01724
0,01786
3,93
3,91
8,9
8,9
0,02825
0,02898
4,0
4,0
2,6
2,6
0,0164
3,8
10,5
Oro
0,100
4,0
21,4
Piombo
0,210
4,0
11,4
Zinco
0,060
3,7
7,1
Ferro
0,100
4,5
7,8
1,00
0,15
8,4
35÷45
14÷75
0,25÷2



Materiale




Rame elettrolitico
ricotto
crudo
Alluminio elettrolitico
ricotto
crudo
Argento (puro al 99,98%)
Nichelcromo (Ni 80% + Cr 20%)
Materiali per spazzole:

impasto di carbone

elettrografite

metalgrafite
1,5÷1,6
1,45÷1,6
2,7÷5
Proprietà determinanti nella scelta di un conduttore
 resistività elettrica e sua dipendenza dalla temperatura
 proprietà meccaniche:
resistenza alla trazione, modulo di elasticità, allungamento
(parametri importanti nelle linee aerere), resistenza alla torsione e la
piegamento (importante per i conduttori cordati), durezza, resilienza
ecc.
 proprietà tecnologiche (lavorabilità):
malleabilità, duttilità (importante per ottenere fili sottili alla trafila),
aldabilità
 proprietà termiche:
conducibilità termica (sempre elevata nei metalli), coefficiente di
dilatazione termica (importante nelle linee aeree e negli
avvolgimenti), temperatura di fusione
i materiali conduttori impiegati nell’industria elettrica sono quasi
esclusivamente il rame e l’alluminio
Proprietà fisiche del
rame e dell’alluminio
La scala IACS è una scala
internazionale di conducibilità
che attribuisce il valore 100 %
alla conducibilità a 20 °C del
campione internazionale del
rame ricotto
(s = 58,00 m/mm2)
rame
alluminio
Temperatura di fusione (°C)
1083
658
Peso specifico (kg/dm3)
8,89
2,7
Resistenza a trazione (N/mm2)
150÷200
70÷90
Modulo di elasticità (kg/mm2)
12.000
6.500
Calore specifico (J/kgK)
903
385
Conduttività termica (W/mK)
392
~210
Coeff.di dilatazione termica (m/mK)·10-6
17,3
23,6
45
18÷25
Durezza (HBN)
Conducibiltà (m/mm2)
Resisitività (mm2/m)
58
35,21
(100% IACS)
(62% IACS)
0,017421
0.0284
FILI E PIATTINE CONDUTTRICI

La produzione dei conduttori (forme, dimensioni, isolamento
e tolleranze) è regolata dalle norme:
UNEL 01722/3-5 per i fili
UNEL 01612/13 per le piattine




La scelta tra sezione circolare e quella rettangolare
dipende dalla sezione complessiva che si intende
realizzare e dalla In
Nelle sezioni rettangolari la scelta delle dimensioni in
base ed altezza sono lasciate alla discrezionalità del
progettista per ottenere forme larghe/strette o
basse/alte
I conduttori vengono forniti in rotoli e possono essere
isolati o no. Se sono isolati si fa riferimento in primo
luogo alla classe di isolamento del materiale.
Si deve considerare lo spessore dell’isolamento che
cambia in rapporto alle prestazioni ed alle
caratteristiche del materiale isolante scelto
Tutti questi materiali sono termo-indurenti con
funzioni cementanti
Vengono anche forniti grafici per la scelta delle
dimensioni. Es:
MATERIALI E SISTEMI ISOLANTI
Si distinguono in
 Isolanti Interni (isolamento di spira, isolamento tra strati e
fra bobine)
 Isolanti Esterni (isolamenti tra avvolgimenti e parti
metalliche a terra, isolamento tra le fasi)
per l’isolamento di spira si fa riferimento ai dati di catalogo
forniti dai costruttori di fili e piattine
l’isolamento di sezione viene realizzato con fogli di carta o film
di materiale termo-plastico
l’isolamento di bobina con dei nastri di cotone, tela o materiale
plastico termo indurente dalle buone proprietà di conducibilità
termica
ISOLAMENTI DI RICOPRIMENTO DI FILI E PIATTINE
Polivinilacetalico (Cl-B)
bisp_1 0.04-0.06 mm
bisp_2 0.07-0.10 mm
bisp_3 0.11-0.15 mm
Appl. BT
Poliuretano (Cl-B E F)
bisp_2 0.07-0.10 mm
bisp_3 0.11-0.15 mm
bisp_4 0.14-0.17 mm
Appl. Fili sottili e basse I
Poliesteri (Cl-H)
poliamidico-imidico
bisp. da 2 a 4
Appl. AT
Poliimidico (Cl-H)
bisp. da 2 a 4
Appl. AT
CARTE E CARTONI PER USO ELETTRICO







Carte e cartoni sono, assieme alle tele di cotone, gli unici prodotti di
origine naturale largamente impiegati nell’ingegneria elettrica.
Si tratta di prodotti a base di cellulosa purissima, con grado di
acidità praticamente nullo.
D’altra parte la carta costituisce un’ottima barriera di filtro per
sistemi di isolamento a base di fluidi liquidi o gassosi.
Le sue caratteristiche sono molto influenzate dall’umidità e ciò limita
la classe di isolamento
La porosità limita la rigidità dielettrica a 3 - 5 kV/mm
Se impregnata in olio la rigidità può arrivare a 35 - 50 kV/mm e varia
con la temperatura.
La carta è prodotta a partire da spessori di 0.005 mm. Nei
trasformatori si impiegano carte con spessori unitari di 0.06 - 012
mm.
Le CEI 15-2 ed UNEL 02711 classificano 4 tipi di carta:
Tipo A: PRESSPAN, cartone pressato senza trattamenti (Er=57 kV/mm in aria e 10-20 kV/mm in olio a 90°, spessori da 0.5 ad
1.5 mm, r=4-5.5

Tipo
B: TRANSFORMERBOARD, poco porosa ma con elevato
grado di assorbenza di olio e rigidità di 5-12 kV/mm (aria) - 16
kV/mm (olio), spessori da 0.2 a 5 mm, r=1.6-2
Tipo C cartone poco poroso meno denso, stessa rigidità e stesse
dimensioni rispetto al tipo A

Tipo
D, cartoni sottili , spessori 0.1 - 0.5 mm e rigidità sui 10
kV/mm
SISTEMI DI ISOLAMENTO
NOMEX: carta in fibre corte e legante di poliamide
aromatico (resistente in temperatura). Viene fornita in
fogli e presenta buona stabilità termica fino ai 300°.
Viene collocata nelle classi tra C ed H. 38 kV/mm la
sua rigidità di riferimento, r=2.6 - 3.8
Film plastici per fogli sottili (sotto 0.01 mm)
 Mylar: poliestere (teraftalato di polietilene). Viene
utilizzato tra -60° - +150°C. La sua rigidità raggiunge i
280 - 200 kV/mm , r=3 -4
 Kapton a base di resine polimidiche, viene considerato
di classe C. Opportunamente trattato (es. combinato
con teflon) è in classe H o F, r=2.7 - 3.7

NOMEX: carta in fibre corte e legante di poliamide
aromatico (resistente in temperatura). Viene fornita in
fogli e presenta buona stabilità termica fino ai 300°.
Viene collocata nelle classi tra C ed H. 38 kV/mm la
sua rigidità di riferimento
Film plastici per fogli sottili (sotto 0.01 mm)
 Mylar: poliestere (teraftalato di polietilene). Viene
utilizzato tra -60° - +150°C. La sua rigidità raggiunge i
280 - 200 kV/mm
 Kapton a base di resine polimidiche, viene considerato
di classe C. Opportunamente trattato (es. combinato
con teflon) è in classe H o F. Viene incollato ad altri
materiali per aumentare la consistenza meccanica. E’
disponibile in spessori di 0.5 - 5 mm e larghezze di 0.5 30 mm. E’ costoso

CARTE CARICATE
Bachelite: carte impregnate in resine fenoliche rigidità sui 10
kV/mm, r=5-8
Carta Kraft: Cellulosa caricata con solfati ed impregnata con
resine fenoliche, Spessori da 1 -3 mm con rigidità da 20 a 15
kV/mm all’aumentare della temperatura, r=2.5-4
Nomex: carta impregnata con resine poliammidiche per
rigidità di 20 kV/mm e spessori da 1 a 3 mm. Presenta le
migliori prestazioni in fogli sottili, r=2.6-3.8
Legno
Faggio trattato con vapore di acqua per liberarlo dai sali
minerali (conduttori). Viene poi impregnato con olii o vernici
per ridurre l’igroscopicità. La rigidità è di 2 - 6 kV/mm. Trova
impiego per supporto meccanico
FIBRE TESSILI
Sono buoni isolanti solo se trattati per ridurre il tenore di
acqua e verniciati per impedirne il riassorbimento
Cotone: i filati di cotone hanno spessori di 0.05 - 0.15 mm e
vengono avvolti più volte per conferire anche una robustezza
meccanica alle bobine. Data la sua naturale porosità, viene
impregnato dopo la applicazione. Si possono raggiungere
rigidità di 20 -40 kV/mm, r=1
Lino: le tele di lino servono per dare consistenza meccanica a
forme realizzate con resine
Seta: ha le stesse proprietà del cotone. Si realizzano spessori
minori con un maggiore costo
Fibre di Vetro (Elettrovetro)
Proprietà:
stabilità in temperatura strutturale e dimensionale (fino a 700°)
 elevata conducibilità termica e bassa igroscopicità
elevata resistenza meccanica e buona flessibilità (non curvare
molto)
 buona tenuta agli agenti chimici
I nastri sono prodotti a partire da spessori di 0.025 -0.08
Grezzi sono classificati in classe C e si prestano ad essere
polimerizzati con qualsiasi tipo di resina impregnante
La rigidità allora raggiunge i 40 - 50 kV/mm e può essere
raggiunta la classe F con impregnazione di epossidiche
Vengono utilizzate nei bendaggi contro massa e per la
realizzazione di anelli e piastre di tenuta meccanica
r=4-10 per il vetro comune

REQUISITI PRINCIPALI RICHIESTI AD
UN LIQUIDO ISOLANTE











Rigidità dielettrica e resistività di massa elevate.
Basse perdite.
Elevata o bassa costante dielettrica.
Conducibilità termica e calore specifico elevati.
Stabilità chimica e buon assorbimento dei gas.
Bassa viscosità a bassa temperatura.
Bassa volatilità ed elevato punto di accensione.
Basso potere solvente e bassa densità.
Buone capacità di estinzione dell’arco.
Non infiammabile, non tossico.
Economico e facilmente reperibile.
PRINCIPALI ISOLANTI LIQUIDI
I principali liquidi isolanti sono:
 idrocarburi derivati dal petrolio (oli minerali).
 idrocarburi di sintesi
 oli siliconici
 esteri organici
Fra gli idrocarburi alogenati ricordiamo i PCB il cui
uso è vietato per il loro impatto ambientale.
OLI MINERALI



Derivano dalla distillazione frazionata del
petrolio.
Le Norme IEC li suddividono in tre classi,
adatte per diverse temperature ambientali.
Queste classi si differenziano per la diversa
viscosità (16,5 - 3,5 mm2/s a 40 °C), i valori di
densità (888 - 872 g/dm3 a 20 °C) ed il punto
di rammollimento (- 30, - 60 °C).
DENSITÀ, VISCOSITÀ E POUR POINT
DI OLI DI CLASSE I, II E III.
Insulating oil
Class I
Class II
Class III
Density
20 °C - (kg/m3)
888
879
872
Viscosity
20 °C - (cSt)
70
32
6,5
Pour point
(°C)
-30
-45
-60
PROPRIETÀ DIELETTRICHE DI UN
OLIO MINERALE
PROPRIETÀ
TENSIONE DI SCARICA (kV)
D = 2,5 mm, SFERE IEC
TENSIONE DI SCARICA AD IMPULSO (kV)
D = 25 mm, PUNTA PIANO
COS  (90 °C)
RESISTIVITÀ (G m, 90 °C)
PERMITTIVITÀ (90 °C)
VALORI TIPICI
60 - 70
140 - 160
-3
1 - 5 10
20 - 2000
2,1 - 2,5
IDROCARBURI DI SINTESI
Si possono avere:
 Idrocarburi olefinici
 Idrocarburi alchil- aromatici
Presentano una composizione più riproducibile e
una chimica più semplice degli oli minerali
rispetto ai quali hanno caratteristiche
dielettriche migliori.
PROPRIETÀ DIELETTRICHE DI
IDROCARBURI DI SINTESI
PROPRIETÀ
TENSIONE DI SCARICA (kV)
D = 2,5 mm, SFERE IEC
TENSIONE DI SCARICA AD IMPULSO (kV)
D = 25 mm, PUNTA PIANO
COS  (90 °C)
RESISTIVITÀ (T m, 90 °C)
COSTANTE DIELETTRICA (90 °C)
OLEFINE
> 80
ALCHIL-BENZENI
> 80
6 10-3 - 3 10-5
90 (+)
312 (- )
4 10-4
2,1 - 2,3
1,0
2,15
OLI SILICONICI ED ESTERI ORGANICI





Gli oli siliconici sono derivati dalla chimica del silicio,
con elevata stabilità termica e temperatura di
infiammabilità > 340 °C.
Hanno costante dielettrica pari a 2,7 - 3
Le loro caratteristiche dielettriche sono paragonabili a
quelle degli oli minerali.
Gli esteri organici hanno caratteristiche dielettriche
meno buone degli oli isolanti.
Presentano, invece, ottima stabilità termica e costante
dielettrica più elevata (2,9 - 4,3).
PROPRIETÀ DIELETTRICHE DI UN
OLIO SILICONICO
PROPRIETÀ
TENSIONE DI SCARICA 50 Hz (kV)
D = 2,5 mm, SFERE IEC (prima scarica)
TENSIONE DI SCARICA 50 Hz (kV)
D = 2,5 mm, SFERE IEC (seconda-sesta scarica)
TENSIONE DI SCARICA AD IMPULSO (kV)
D = 12,5 mm,
negativa
positiva
Tan  (90 °C)
RESISTIVITÀ (T m, 90 °C)
PERMITTIVITÀ (90 °C)
VALORI TIPICI
35 - 60
10 - 16
270
80
1 10-4
0,5 - 1
2,7

È molto utile la verifica annuale degli olii con
una prova di rigidità dielettrica. Se è troppo
bassa si verifica la causa

se c’è contaminazione di acqua si provvede ad
una separazione mediante centrifugazione
(l’acqua pesa di più dell’olio)

Se ci sono troppi prodotti di degradazione
dell’olio si provvede alla sua sostituzione (olio
esausto)
SISTEMI DI ISOLAMENTO
IMPREGNATI CON GAS O LIQUIDI




La forte dipendenza dalle impurità delle caratteristiche
dielettriche di isolamenti gassosi o liquidi suggerisce di
interporre barriere isolanti solide fra parti a diverso
potenziale per ottenere migliori prestazioni.
In pratica si effettuano nastrature intorno all’elemento
in tensione utilizzando due possibili tipologie di
materiali:
nastri porosi realizzati con carta naturale, cotone
elettrovetro (daglas) o polimerici (Kapton a base di
poliimmidica, Teflon).
nastri ottenuti da film polimerici microcorrugati su
una faccia




I nastri microcorrugati contribuiscono alla tenuta
dielettrica del sistema sia con azione di filtraggio
che con la creazione di barriere ad elevata
rigidità dielettrica.
È fondamentale un accurato filtraggio,
degasaggio ed essicamento del fluido, effettuato
con centrifugazione e filtrazione a caldo dell’olio.
È necessario che queste operazioni vengano
effettuate sottovuoto.
Si usano per cavi MT ed AT, trasformatori,
condensatori, passanti.
SISTEMI DI ISOLAMENTO IMPREGNATI
CON LIQUIDI O GAS ISOLANTI



La maggior parte dei trasformatori, specialmente
quelli di grande potenza, adottano sistemi di
isolamento costituiti da barriere porose in carta
cellulosica, impregnate con olio minerale, costituito
da idrocarburi aciclici.
Si hanno anche numerosi esempi di trasformatori
di distribuzione impregnati con liquidi isolanti di
sintesi o con oli di tipo siliconico.
Si hanno infine alcuni esempi di macchine
impregnate con esafluoruro di zolfo.
Sistema isolante carta-olio
Il sistema isolante carta-olio è quello più affidabile per le apparecchiature in
alta ed altissima tensione (trasformatori, isolatori passanti, cavi). Esso consiste
in carta o cartone di cellulosa pura accuratamente impregnata di olio isolante:
 la carta è un materiale molto poroso che contiene al suo interno aria e
altri gas; può avere quindi una bassa rigidità dielettrica;
 la scarica nell’olio è agevolata dai movimenti del fluido provocati
anche dal campo elettrico;
L’unione dei due materiali permette di avere prestazioni superiori a quelle dei
singoli componenti
 l’olio riempie le porosità e le cavità gassose della carta impedendo
l’innesco della scarica nei gas
 la carta agisce da barriera, impedendo i movimenti dell’olio che
agevolano il processo di scarica
Rigidità dielettrica del sistema carta-olio
Perché il sistema carta-olio funzioni è necessario che l’olio impregni bene la
carta, e le prestazioni sono maggiori quanto più accurato è il processo di
impregnazione.
La rigidità dielettrica del sistema dipende quindi molto da
 le modalità (tempi, temperature, ecc.) del processo di impregnazione;
 il contenuto di gas e di umidità ancora presenti al termine di tale processo;
 la presenza di impurezze e di prodotti del deterioramento determinato dai
processi d’invecchiamento;
 la complessità del processo di scarica nei liquidi che risente dei movimenti
fluidodinamici provocati anche dal campo elettrico applicato.
 la forma d’onda della tensione applicata e dalla geometria degli elettrodi
(molto complessa in una macchina).
La rigidità dielettrica dipende quindi da fattori difficilmente valutabili ed i
risultati sperimentali hanno una notevole dispersione.
Per tutto questo è possibile dare solo valori indicativi che possono variare
ampiamente nei vari nei singoli casi particolari.
Tensione di scarica a 50 Hz (kVeff) per una isolamento carta-olio
50 Hz
(kVeff)
150
1/50
(kVc)
d
1/50
300

carta: fra piattine
50 Hz
100
200
• La tenuta all’impulso atmosferico è
superiore a quella a frequenza
industriale;
50
• le sovratensione atmosferiche hanno
però valore di cresta molto più elevato
100
• il dimensionamento dell’isolamento
è determinato dalle prove all’impulso
atmosferico
0
0
1
2
3
4
5
6
7
d (mm)
Effetto dell’umidità
L’umidità assorbita da un isolamento carta-olio:
 riduce la rigidità dielettrica
 riduce il tempo di vita operativa
 favorisce l’insorgere di scariche parziali
Er
(%)
100
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
Umidità (%)
Riduzione della rigidità dielettrica di un isolamento
carta-olio in funzione dell’umidità assorbita
Riduzione del tempo di vita dell’isolamento in carta-olio di un
trasformatore in funzione dell’umidità
Criterio di guasto: 50% della rottura a trazione della carta
tv
(anni)
50
40
30
20
10
1
2
3
4
5
Umidità percentuale per peso a secco (%)
6
 le impurità e le particelle sospese vengono eliminate con operazioni di
filtraggio
 l’umidità viene ridotta con trattamenti di essicazione e degasificazione a caldo
che si possono prolungare per alcune settimane
 tuttavia una elevata temperatura provoca un processo di decomposizione della
carta che origina gas e acqua
 non è quindi pensabile di ottenere strutture isolanti completamente esenti da
umidità o gas, ma è solamente possibile ridurne il contenuto entro limiti
ragionevoli
Prima della messa in servizio di un trasformatore, di solito debbono essere
verificate le seguenti condizioni relative all’olio presente nella cassa:
Contenuto totale d’acqua
10 p.p.m
Contenuto totale di gas
0,25%
Tensione di scarica (*)
50 kV
Particelle residue di diametro
10mm
(*) sfere ø = 10 mm, d = 2,5 mm
Isolamenti in carta per trasformatori
Film di carta (tipo
Kraft)
Cartoni per l’isolamento di un
avvolgimento
Trasformatori isolati in carta olio
Isolamento in carta di un trasformatore trifase - 1986 (prima
dell’impregnazione con olio)
Inserimento della parte attiva isolata in
carta nella cassa dell’olio – trasformatore
da 8 MVA - 1922
AVVOLGIMENTI PER BASSA TENSIONE (<500-1000 V)
Gli avvolgimenti di bassa tensione possono essere a
spirale semplice o multipla o a eventualmente costituiti
da una spirale a più principi posti in parallelo.
A SPIRALE SEMPLICE
A SPIRALE MULTIPLA
Per rendere meccanicamente compatta la struttura si
inseriscono, in testata, gli anelli di livellamento di base
ht altezza di una spira.
GLI AVVOLGIMENTI
Gli avvolgimenti sono realizzati in
rame o, più spesso, in alluminio
(meno costoso e meno pesante, con
una conducibilità di poco inferiore
al rame).
L’avvolgimento viene realizzato
con l’ausilio di speciali macchine
bobinatrici che avvolgono il
conduttore su un apposito supporto
a forma di cilindro cavo, che verrà
poi infilato su una colonna del
trasformatore.
Possono essere in filo tondo ma,
dato che le correnti sono piuttosto
elevate, si realizzano in piattina
Trasposizioni
 In pratica la necessità di ridurre
le perdite addizionali obbliga quasi
sempre ad adottare avvolgimenti
trasposti. La trasposizione rende
uniformi le perdite
Lo schema di trasposizione più
frequentemente adottato è il tipo
Rœbel.
1
2
3
4
2
3
4
1
3
4
4
1
1
2
2
3
SCHEMA DI
TRASPOSIZIONE
PER AVVOLGIMENTO
DI BASSA TENSIONE
5
4
1
2
4
3
5
1
3
2
4
5
2
1
3
4
1
5
2
3
3
2
1
5
4
SCHEMA DI
TRASPOSIZIONE
TIPO ROEBEL
Con la trasposizione ogni fase è sottoposta allo stesso
regime di campo, rendendo con ciò uniformi le perdite
ed, in fase di progetto, non è necessario introdurre dei
coefficienti per tener conto delle dissimmetrie
AVV. B.T. IN FOGLIO PER I CAST RESIN
COLLARI ISOLANTI
FOGLIO CONDUTTORE
ISOLAMENTO IN NOMEX
O PREPREG
Preparazione di conduttori in nastro di rame per l’avvolgimento di un
trasformatore
AVVOLGIMENTO B.T. IN FOGLIO
12mm
COLLARI ISOLANTI IN
CARTA ARAMIDICA
FOGLIO CONDUTTORE
IN ALLUMINIO
ISOLAMENTO IN
CARTA ARAMIDICA
2 STRATI 0,08 mm
Il tutto viene inserito in
apposite forme per la
colata di resina
AVVOLGIMENTO MULTI-STRATO BT (2 o 3)
Sia 1 lo spessore dell’avv. BT.
1=(d+c+a)ns-c
dove
d è lo spessore del cartone isolante
c
“
del canale di raff.
a
“
lordo del conduttore
ns è il numero di strati
Sia N1 in numero di spire BT
dca
1
Le spire di una colonna sono n1=N1/ns
Se b è lo spessore lordo della piattina, s è
lo spessore del canale di raffreddamento
allora l’altezza dell’avvolgimento è:
h1=n1(b+2s)-2s
Se le spire sono appoggiate una all’altra
si considera un aumento di spessore del
3% (1.03) per tenere conto del non
perfetto appoggio
Lo spessore dei cartoncini di BT è
limitato a 0.1 - 0.5 mm perché non deve
tenere sollecitazioni elettriche
Deve evitare che i difetti presenti nel
raffreddante corto-circuitino le spire e
che le vibrazioni non danneggino la
ricopertura dei conduttori
Il multistrato è facilmente raffreddabile
perché consente di aumentare le superfici
di scambio termico
AVVOLGIMENTO A FILO PER BT
Sono utilizzati fino a
che la potenza lo
consente (limite per le
sezioni di Sc=5 mm2)
Oltre non si va per:
ingombri eccessivi
dovuti ai vuoti
inutilizzabili

fenomeni di
addensamento di
corrente

Sezione avv.
A filo
Filo

difficile lavorabilità
AVVOLGIMENTI PER ALTA TENSIONE



Sono normalmente a bobine (o gallette), con anello
diffusore per migliorare il comportamento delle
prime spire alle sollecitazioni impulsive.
Talvolta per tensioni dell’ordine delle decine di kV si
usano avvolgimenti a spirale semplice.
Per tensioni da 100 kV in su si usano avvolgimenti
con accorgimenti tali da ottimizzare il loro
comportamento in presenza di sovratensioni di
origine atmosferica (a spire interposte o a strati).
AVVOLGIMENTI A BOBINA PER AT
Quando si superano i 2000 - 3000 V è preferibile passare agli
avvolgimenti a bobine.
Questo viene favorito dalla
relativamente bassa I2n ed elevato N2 che si ha in AT
fare si che l’isolamento permetta l’impiego di elevatissime
tensioni

creare dei canali di
raffreddamento
che
attraversino il nucleo
dell’avvolgimento
 equilibrare
le
sollecitazioni unitarie
nelle varie sezioni del
trasformatore

Per garantire il flusso del fluido
refrigerante prevedo dei canali
interbobina di 3 - 5 mm
si avvolge il conduttore a strati.
Il numero degli strati deve essere
dispari perché viene favorita la
simmetria
Se gli strati sono molti, inserisco dei
fogli di isolante per evitare il
contatto elettrico tra spire di
diversa tensione (200 V max.)
Se il n. di strati è eccessivo si divide
la bobina in sezioni interne separate
da un cartone di rinforzo
meccanico ed elettrico
Le sezioni devono essere simmetriche e si realizzano prendendo
una semi bobina, ribaltandola in modo che l’uscita di una sia
subito affacciata all’ingresso dell’altra, dalla stessa parte
Le bobine vengono nastrate con cotone in modo da conferire
robustezza meccanica.
Nei Cast-Resin, le bobine vengono incapsulate in resina
Nei raffreddamenti a liquido, il cotone è da preferirsi per la sua
capacità di far circolare il liquido
Ogni bobina deve tenere circa 2500 - 3000 Val massimo
Trasposizioni
Anche le bobine di AT devono essere realizzate le trasposizioni di
conduttori per limitare le dissimmetrie geometriche che
provocano dissimmetrie elettriche e disuniformità di perdite
AVVOLGIMENTI A. T. PER TRASFORMATORI
INGLOBATI IN RESINA TERMOINDURENTE
RESINA
RESINA
FILO
SMALTATO
NASTRO IN
METALLO
(Cu, Al)
FILM
ISOLANTE
FILM
ISOLANTE
AVVOLGIMENTO A. T. INGLOBATO IN RESINA
TERMOINDURENTE
5 mm
5 mm
RESINA EP
NASTRO IN
METALLO
(Cu, Al)
6 mm
2 strati PET
0,025 mm
FILM
ISOLANTE
5 mm
AVVOLGIMENTO A DISCHI CON
CONDUTTORI IN PIATTINA ISOLATA
ANELLO DIFFUSORE
PIATTINA ISOLATA
AVVOLGIMENTI A STRATI PER A. T.
V
V2
V12
x
V1
Tra le bobine di alta e di bassa vengono inseriti dei
distanziatori isolanti per impedire che le impurità del
liquido/gas di raffreddamento creino dei corti.
Sono da prevedere dei canali di raffreddamento
Tra uno strato e l’altro deve essere previsto un canale
di raffreddamento
La tenuta e la canalizzazione sono assicurate da
separatori di legno trattato, vetroresina o plastica
Per correnti nominali In<2500 A
Altezza h (mm)
Canale di raffreddamento (mm)
< 300
300 – 350
350 - 400
400 – 450
450 – 500
500 - 600
5
5.5
6
6.5
7
8
Queste scelte determinano i diametri interni, esterni e
medi degli avvolgimenti
ANCORAGGI DEGLI AVVOLGIMENTI
I serraggi possono essere rigidi o elastici
Tra le viti di serraggio e le bobine vengono inseriti dei
distanziatori di legno, vetroresina o acciaio (anello
aperto) che hanno lo scopo di distribuire le forze di
tenuta su tutto l’avvolgimento
VERIFICA DEL GRADIENTE ELETTRICO
 Lo spessore dei materiali isolanti viene calcolato o verificato
tenendo conto di un coefficiente di sicurezza che può variare tra
0.4 - 0.6 (Veff=KsEr)
Es.: considero un tratto di trasformatore dalla superficie unitaria
La tensione sia Vp=21KV
Parete del
cassone
Avvolgimento
esterno
Lama di
Olio
isolante
aria
Isolante
Solido
x1
x2
x3
X1=0.1 mm di aria (r=1,
Er=2.5 kV/mm)
X2=3 mm di carta
impregnata di olio (r=4.5,
Er=30kV/mm)
X3=7 mm di olio refrigerante
(r=2.5, Er=15kVmm)
Verifichiamo se i gradienti effettivi sono al di sotto della soglia di
sicurezza
Considero due condensatori a facce piane e parallele con la stessa
superfice s, diversi spessori e diversi materiali isolanti. Se Vp è la
tensione di prova, la tensione ai capi dei condensatori è
C2
V1 
Vp
C1  C 2
s
V1 
2
x2
1
2
s
s
x1
x2
C1
V2 
Vp
C1  C 2
s
Vp
V2 
1
x1
1
2
s
s
x1
x2
Vp
 2 Vp
 2 Vp
x1 Vp
V1 


1  2
x 2  1  x1 2
x 2  1  x1 2
x2[  ] [
] [
]
x1 x 2
x1
2
Vp
V1
x1Vp
g1 

V1 
x1  [ x1  x 2 ]
x1 x 2
1
1[  ]
1  2


1
2
Vp
g2 
Allo stesso modo
x1 x 2
 2[  ]
1  2
Vp
gi 
In generale
xj
 i [ ]
j
Esempio 1: solo isolante ed olio
21000
g2 
 12kV / cm  1.2kV / mm
0.3 0.7
4.5[

]
4.5 2.5
21000
g3 
 24.2kV / cm  2.42kV / mm
0.3 0.7
2.5[

]
4.5 2.5
Ho un gradiente di 1.23 kV/mm per la carta per una rigidità di 30
ed un gradiente di 2.42 kV/mm per l’olio che tiene fino a 15
kV/mm. L’isolamento è sovra dimensionato ed andrebbe ridotto (a
meno di problemi meccanici o tecnologici)
Esempio 2: c’è anche la lama di aria di 0.1 mm con solido ed olio
Vp
21000
gi 

 47kV / cm  4.7kV / mm
xj
 0.1 0.3 0.7 


 i [ ] 1
4.5 2.5 
j
 1
Per l’aria ho un gradiente di 4.7 kV/mm effettivo per una rigidità
di 2.5. L’aria non tiene il campo impresso e scarica. Si generano
così scariche parziali nel sistema isolante che ne riducono la vita