Sommario:
- Misure di resistenza degli avvolgimenti dei trasformatori
- Misura della resistenza degli avvolgimenti
- Misura della resistenza degli avvolgimenti: caso pratico
Misure di resistenza degli avvolgimenti dei trasformatori
Scopo delle misure
La misura della resistenza degli avvolgimenti dei trasformatori è di importanza fondamentale per:
- calcolare la componente I²R delle perdite nei conduttori;
- calcolare la temperatura degli avvolgimenti al termine di un ciclo di prova di riscaldamento;
- disporre di una base per valutare eventuali danni in campo.
I trasformatori sono soggetti a vibrazioni. Problemi o guasti si verificano a causa di una progettazione, un montaggio o una movimentazione inadeguati, di un ambiente non sicuro, di sovraccarichi o di una manutenzione scadente. La misura della resistenza degli avvolgimenti conferma che le connessioni sono corrette e il valore di resistenza letto indica che non vi sono scostamenti gravi. Molti trasformatori dispongono di una presa di regolazione incorporata. Queste prese consentono di aumentare o ridurre il rapporto di frazioni di punto percentuale. Ogni variazione del rapporto comporta lo spostamento meccanico di un contatto da una posizione all'altra. Anche questi cambi di presa vengono verificati durante le misure di resistenza degli avvolgimenti.
Indipendentemente dalla configurazione a stella o a triangolo, le misure si eseguono fase a fase e i risultati vengono confrontati per stabilire se le letture sono tra loro comparabili. Si tenga presente che lo scopo della prova è valutare differenze grossolane tra gli avvolgimenti e interruzioni nelle connessioni. Le prove non vengono eseguite per riprodurre la lettura del dispositivo così come fabbricato, che è stato provato in fabbrica in condizioni controllate ed eventualmente a temperature diverse.
Caratteristiche di un trasformatore
Un trasformatore è considerato un dispositivo passivo in grado di accumulare e cedere quantità finite di energia. Praticamente tutti i trasformatori impiegano materiale magnetico per conformare i campi magnetici che fanno da mezzo per il trasferimento dell'energia. La relazione tra l'entità dei campi magnetici e i circuiti elettrici con cui interagiscono ha un ruolo importante nel descrivere il funzionamento del dispositivo. Il materiale magnetico determina le dimensioni dell'apparecchiatura e la sua capacità e introduce limiti dovuti alla saturazione e alla perdita di prestazioni.
Fondamentalmente, un trasformatore è costituito da uno o più avvolgimenti concatenati da un campo magnetico mutuo. Questi avvolgimenti sono semplicemente bobine di filo, ossia induttori. Le caratteristiche del trasformatore possono ora essere analizzate con alcune semplici formule.
La tensione ai capi di un induttore è proporzionale alla velocità di variazione nel tempo della corrente che lo attraversa.
v= L di/dt
Si deve inoltre tenere presente che una variazione brusca della corrente nell'induttore richiede una variazione brusca dell'energia in esso accumulata, e tale variazione istantanea di energia richiederebbe una potenza infinita in quell'istante; la potenza infinita non esiste nel mondo reale. Occorre quindi evitare che la corrente dell'induttore salti istantaneamente da un valore a un altro. Se si tenta di aprire il circuito di un induttore reale percorso da una corrente finita, sull'interruttore comparirà un arco. Il fenomeno è utile nell'impianto di accensione di un'automobile, ma non è certo un evento da provocare durante le prove sugli avvolgimenti di un trasformatore.
L'energia accumulata in un induttore percorso da corrente può essere espressa dalla formula:
w(t) = ½ I²L
dove, w(t) = energia in funzione del tempo
I = corrente in ampere
L = induttanza in henry
Prima che si stabilisca il flusso di corrente desiderato (ai fini della prova), questo fabbisogno di energia deve essere soddisfatto, il che implica un certo tempo di attesa prima di poter eseguire la misura. Tale requisito temporale riguarda solo il tempo di carica. Va previsto un tempo aggiuntivo perché la corrente si stabilizzi prima di prendere la lettura.
Il tempo complessivo necessario per prendere una lettura è limitato dal ritardo intrinseco tra l'applicazione della corrente continua e il tempo che occorre alla magnetizzazione del nucleo per stabilizzarsi. In funzione delle dimensioni e della costruzione del trasformatore, la durata della prova può essere molto breve per i trasformatori piccoli oppure molto lunga per quelli più grandi e fortemente induttivi.
Apparecchiature di prova
Prima delle moderne apparecchiature digitali ed elettroniche si utilizzava il ponte doppio di Kelvin. Per ottenere le misure di resistenza si impiegavano batterie, interruttori, galvanometri, amperometri e regolazioni a filo scorrevole. I regolatori di corrente venivano costruiti e inseriti tra la batteria e il ponte. La tensione di ingresso di 12 V in corrente continua al regolatore, proveniente da una batteria di accumulatori per autoveicoli, forniva una corrente di uscita variabile a gradini adatti alla corrente massima nominale del ponte entro i campi più utilizzati sui trasformatori.
Il regolatore di corrente aumentava la rapidità e la precisione delle letture del ponte. La disponibilità di circa 11 V veniva sfruttata per accelerare la salita iniziale della corrente e scendeva a circa 5 V poco prima che si raggiungesse la corrente selezionata e iniziasse la regolazione. Una volta avviata la regolazione, la corrente rimaneva praticamente costante nonostante l'induttanza degli avvolgimenti e la fluttuazione della tensione di batteria o della resistenza dei cavi.
La durata delle prove è stata ridotta enormemente grazie alle moderne apparecchiature di prova basate su microprocessore. Le letture dirette si ottengono da strumenti digitali con segnalazioni automatiche che avvisano l'operatore quando è disponibile una misura valida. Alcuni tester dispongono di due strumenti di misura e consentono quindi due misure di resistenza simultanee.
Attenzione
A causa dell'enorme quantità di energia che può essere accumulata in un campo magnetico, occorre adottare precauzioni prima di scollegare i cavi di prova dal trasformatore in prova. Non scollegare mai i cavi durante il processo di prova e lasciare sempre il tempo necessario perché il trasformatore si scarichi completamente prima di iniziare le prove. I trasformatori di grandi dimensioni possono richiedere diversi minuti per scaricarsi.
La maggior parte dei nuovi ohmmetri per avvolgimenti disponibili oggi è dotata di indicatori che segnalano quando i cavi possono essere rimossi in sicurezza.
Principi di funzionamento
L'idea di base consiste nell'iniettare una corrente continua nell'avvolgimento da misurare e leggere poi la caduta di tensione ai capi di tale avvolgimento.
Gli strumenti di prova elettrici fanno circolare la corrente continua attraverso l'avvolgimento e attraverso uno shunt di corrente campione interno. Dopo la misura, le cadute di tensione in corrente continua vengono messe in rapporto e il valore visualizzato viene letto come resistenza sullo strumento del pannello frontale. Questo metodo consente di prescindere dalla resistenza dei cavi, poiché la lettura è indipendente dalla corrente. Inoltre, non sono necessari fattori di moltiplicazione quando si cambia campo di corrente.
La sorgente di corrente continua deve essere estremamente stabile. Facendo riferimento alla formula della tensione in corrente continua di un trasformatore riportata di seguito:
v = I * R + (L di/dt)
dove, vdc = tensione di un avvolgimento del trasformatore
I = corrente continua attraverso l'avvolgimento del trasformatore
R = resistenza dell'avvolgimento del trasformatore
L = induttanza dell'avvolgimento del trasformatore
di/dt = velocità di variazione della corrente (corrente di ondulazione)
Si presume che il tester disponga di una sorgente molto stabile (ossia priva di ondulazione residua), quindi di/dt è nullo e il termine L di/dt si annulla.
Commutatori di prese
I commutatori di prese si dividono in due tipi: sotto carico e a vuoto. Il commutatore di prese sotto carico consente di variare il rapporto mentre il trasformatore è in funzione. Ciò significa che il rapporto di un trasformatore può essere modificato mentre la corrente lo attraversa. L'esempio più comune di questo tipo di commutatore di prese sotto carico è il regolatore di tensione.
Commutatore di prese sotto carico
Il misuratore di resistenza QRM-10P è ideale per verificare i commutatori di prese sotto carico, poiché lo strumento può rimanere acceso durante il passaggio da una presa all'altra. Ciò consente all'operatore di eseguire le misure molto rapidamente senza scaricare, per poi ricaricare il trasformatore a ogni presa. Il tester di resistenza degli avvolgimenti si riequilibra dopo ogni cambio di presa. Se la presa è difettosa (aperta) o se il circuito resta aperto anche solo per una frazione di secondo, il tester avvia automaticamente il proprio ciclo di scarica. In questo modo l'operatore riceve un'indicazione chiara, tramite una spia sul display, di un possibile guasto all'interno del commutatore di prese. In questa condizione di circuito aperto l'apparecchiatura di prova non provoca alcun danno al trasformatore.
Commutatore di prese a vuoto
Questo tipo di commutatore richiede la scarica tra un cambio di presa e il successivo. Per cambiare la presa, il trasformatore deve essere messo fuori servizio o almeno scollegato dal carico. Questo tipo di commutatore può in generale operare con minore rapidità del precedente, a causa dei cambi di presa non intenzionali durante il servizio. Il tester di resistenza funziona anche su questo commutatore, ma occorre scaricarlo tra i cambi di presa.
Sicurezza
Sebbene alcuni aspetti dell'ispezione possano essere eseguiti senza mettere fuori tensione il trasformatore, la misura della resistenza degli avvolgimenti non è uno di essi. Per garantire la massima sicurezza dell'operatore, i cavi di alta e di bassa tensione devono essere scollegati dal trasformatore. È preferibile che vi sia una distanza visibile tra i terminali del trasformatore e le linee di alta e bassa tensione.
Conclusioni
I trasformatori sono dispositivi molto affidabili e durano molti anni se sottoposti a manutenzione regolare. I guasti dei trasformatori, quando si verificano, hanno in genere carattere grave e possono richiedere riparazioni costose e lunghi fuori servizio. La migliore garanzia contro un guasto del trasformatore è assicurarsi che sia installato e mantenuto correttamente. Occorre verificare che la misura della resistenza degli avvolgimenti sia compresa tra le prove eseguite su un trasformatore. I moderni strumenti autonomi rendono le prove semplici e precise. È opportuno conservare una registrazione accurata dei valori di resistenza rilevati e confrontarli con le letture precedenti per individuare eventuali scostamenti.
Misure di resistenza degli avvolgimenti
ANSI/IEEE - C57.12.90 - 1987
Le misure di resistenza sono fondamentali per gli scopi seguenti:
- Calcolo della componente I²R delle perdite nei conduttori
- Calcolo della temperatura degli avvolgimenti al termine di una prova di riscaldamento.
- Base per la valutazione di eventuali danni in campo.
- 4.1. Determinazione della temperatura a freddo La temperatura a freddo dell'avvolgimento deve essere determinata con la massima precisione possibile durante la misura della resistenza a freddo. Devono essere osservate le precauzioni seguenti:
- 4.1.1 Generalità Le misure di resistenza a freddo non devono essere eseguite su un trasformatore esposto a correnti d'aria o collocato in un locale in cui la temperatura varia rapidamente.
- 4.1.2 Avvolgimenti di trasformatori immersi in liquido isolante Si assume che la temperatura degli avvolgimenti sia pari a quella del liquido isolante, purché:
- (1) gli avvolgimenti siano rimasti immersi nel liquido isolante senza alcuna eccitazione e senza corrente negli avvolgimenti per un periodo da 3 h a 8 h (in funzione delle dimensioni del trasformatore) prima della misura della resistenza a freddo;
- (2) la temperatura del liquido isolante si sia stabilizzata e la differenza tra la temperatura in alto e quella in basso non sia superiore a 5 °C.
- 4.1.3 Avvolgimenti di trasformatori senza liquido isolante La temperatura degli avvolgimenti deve essere registrata come media di più termometri o termocoppie inseriti tra le spire, avendo cura di collocare i punti di misura il più vicino possibile al contatto con i conduttori dell'avvolgimento. Non si deve presumere che gli avvolgimenti siano alla stessa temperatura dell'aria circostante.
- 4.2 Conversione delle misure di resistenza Le misure di resistenza a freddo degli avvolgimenti vengono normalmente convertite alla temperatura di riferimento normalizzata, pari alla sovratemperatura media nominale degli avvolgimenti più 20 °C. Può inoltre essere necessario convertire le misure di resistenza alla temperatura alla quale sono state eseguite le misure delle perdite di impedenza. Le conversioni si eseguono con la formula seguente:
dove, Rs = resistenza alla temperatura desiderata Ts
Rm = resistenza misurata
Ts = temperatura di riferimento desiderata
Tm = temperatura alla quale è stata misurata la resistenza
Tk = 234,5 (rame)
= 225 (alluminio)
Misura della resistenza degli avvolgimenti: caso pratico
Caso pratico - Fonte - IEEE - C57.125 - 1991
C7 Giunzioni surriscaldate
Il caso riguarda un autotrasformatore da 17,9/22,4 MVA – 34,5 – 13,8 kV con avvolgimenti interamente in alluminio.
C7.1 Non idoneo al servizio - Durante le prove di manutenzione periodica sono state rilevate misure anomale di resistenza in corrente continua tra i terminali di alta tensione. I risultati delle altre prove sono risultati tutti normali.
Questa società elettrica verifica la resistenza in corrente continua di tutti i trasformatori dotati di commutatore di prese come prova di manutenzione periodica, per stabilire se vi siano indizi di problemi ai contatti.
C7.2 Raccolta dei dati Sono state registrate le misure seguenti:
 | Terminali | Resistenza in c.c. |
|---|---|---|
| H1 H2 | 0,142 | |
| H2 H3 | 0,153 | |
| H3 H1 | 0,153 | |
| H1 - H0X0 | 0,072 | |
| H2 - H0X0 | 0,072 | |
| H3 - H0X0 | 0,084 |