Come si confrontano le dimensioni di un trasformatore trifase a olio con quelle di un trasformatore a secco?

Se hai mai cercato trasformatori di potenza, probabilmente hai notato che compaiono continuamente due grandi categorie: quelli a bagno d'olio e le unità a secco. In qualità di proprietario di un'azienda di fornitura di trasformatori a olio trifase, mi viene chiesto continuamente perché le unità a olio sembrano molto più voluminose delle loro controparti a secco. Non si tratta solo di estetica: ci sono un sacco di casi d'uso pratici e ingegneristici legati a quella differenza di dimensioni che contano molto per chiunque acquisti attrezzature per fabbriche, sottostazioni o edifici commerciali.

Per prima cosa, analizziamo le differenze fondamentali tra il modo in cui ciascun tipo si raffredda da solo, perché questo è il principale fattore di dimensione. I trasformatori di olio utilizzano olio minerale (o talvolta olio sintetico oggigiorno) per allontanare il calore dal nucleo e dagli avvolgimenti. I trasformatori a secco, d'altro canto, si affidano all'aria (convezione naturale o aria forzata con ventilatori) per svolgere lo stesso lavoro. Potrebbe sembrare che l’aria sia un mezzo di raffreddamento più efficiente, ma in realtà l’olio ha una conduttività termica e una capacità termica molto più elevate rispetto all’aria. Quindi l'olio può estrarre più calore dalle parti calde del trasformatore più velocemente. Ma per contenere quel petrolio e il calore che trasporta, è necessario più spazio fisico. Un trasformatore a olio trifase standard potrebbe essere dotato di serbatoi in acciaio, alette di raffreddamento, a volte anche radiatori o ventole (sebbene molte unità di grandi dimensioni utilizzino la convezione naturale) e boccole che isolano le linee ad alta tensione in entrata e in uscita. Le unità di tipo a secco sono spesso racchiuse in involucri metallici, ma questi involucri sono più piccoli e gli avvolgimenti sono rivestiti in resina epossidica che gestisce direttamente il calore.

Mettiamolo in numeri per renderlo reale. Per un'unità trifase da 1 MVA, un trasformatore di potenza in bagno d'olio (puoi controllare le nostre offerte qui) potrebbe essere largo circa 5 piedi, alto 7 piedi e profondo 3 piedi, e pesare circa 3.000 libbre. Un'unità di tipo a secco con lo stesso valore MVA? Di solito è grande circa la metà: forse 3 piedi di larghezza, 4 piedi di altezza, 2 piedi di profondità e pesa solo la metà, circa 1.500 libbre. Questo divario diventa ancora più ampio quanto più grande diventa l’unità. Per un'unità da 10 MVA, quelle a petrolio colpiscono più di 12 piedi di larghezza, 15 piedi di altezza e 6 piedi di profondità, mentre le unità da 10 MVA di tipo secco sono ancora alte meno di 8 piedi e pesano la metà. Perché? Maggiore è la potenza di cui hai bisogno, maggiore è il calore che devi dissipare e l'olio è molto più efficace nel spostare quel calore rispetto all'aria. Le unità a secco diventerebbero enormi se provassero a gestire MVA elevati solo con l'aria, quindi a dimensioni più grandi (si pensi sopra i 5 MVA), i trasformatori in olio iniziano ad avere molto più senso di quelli a secco, dimensioni incluse.

Non fraintendetemi, la dimensione non significa solo essere più grandi o più piccoli. Ci sono dei compromessi per ciascuno che si ricollegano al punto in cui stai posizionando il trasformatore. Le dimensioni ridotte delle unità di tipo a secco rappresentano un enorme vantaggio se lavori in uno spazio ristretto, come il seminterrato di un edificio per uffici cittadino o uno stabilimento industriale affollato dove lo spazio è limitato. Inoltre, non contengono olio infiammabile, quindi sono più sicuri nelle aree in cui una perdita o un incendio potrebbero rappresentare un grosso pericolo, come in prossimità di dispositivi elettronici sensibili o in edifici con molte persone. Ma le dimensioni così ridotte comportano anche degli svantaggi. I trasformatori a secco sono più caldi delle unità a olio per lo stesso MVA, quindi sono più sensibili alle temperature ambientali elevate, alla polvere o all'umidità. È possibile far funzionare i ventilatori per raffreddarli, ma ciò aggiunge rumore e consumo di energia e non riescono comunque a gestire lo stesso carico nel tempo di un'unità petrolifera della stessa dimensione fisica.

Come persona che vende trasformatori in olio trifase, sarò il primo a dirti che la differenza di dimensioni è il motivo per cui le unità a olio sono la scelta giusta per la maggior parte delle applicazioni pesanti. Pensa a una sottostazione che alimenta un intero quartiere: i trasformatori di servizio della stazione (controlla quelli qui) devono gestire un carico costante ed elevato 24 ore su 24, 7 giorni su 7, e la capacità di raffreddamento dell'olio significa che puoi ottenere molta più potenza da un'unità che, sebbene più grande, non si surriscalda così facilmente. Quei grandi serbatoi dell'olio e le alette di raffreddamento non sono solo un peso morto: sono progettati per trattenere l'olio, impedirne le perdite e lasciare che il calore fuoriesca lentamente in modo che il trasformatore non venga danneggiato. Un'unità di sottostazione a secco sarebbe troppo ingombrante per contenere il carico di oltre 10 MVA necessario per un'intera suddivisione, anche se ha le stesse dimensioni di un'unità petrolifera più piccola.

Un'altra cosa a cui le persone non sempre pensano: i costi di installazione sono legati direttamente alle dimensioni e al peso. Un trasformatore di olio da 3.000 libbre ha bisogno di una gru più grande per sollevarlo, di piastre di cemento più resistenti per sostenere il peso e di più lavoro per livellarlo. Un'unità di tipo a secco grande la metà è molto più facile da spostare, soprattutto se la stai inserendo attraverso una porta stretta in un vecchio edificio. Ma per le installazioni esterne, come una centrale elettrica o un magazzino con un piazzale elettrico dedicato, riuscire a montare un trasformatore più grande non è affatto un problema, e la potenza extra che ottieni da un'unità petrolifera vale lo spazio che occupa.

Aspetta, parliamo un attimo del petrolio stesso, perché anche questo influisce sul design. L'olio non è solo un refrigerante, è anche un isolante. Pertanto, le proprietà dielettriche dell'olio aiutano a evitare cortocircuiti negli avvolgimenti ad alta tensione, il che significa che non è necessario tanto materiale isolante spesso e pesante attorno agli avvolgimenti quanto in un'unità di tipo a secco. Le unità di tipo a secco utilizzano resina epossidica per l'isolamento, che è solida, quindi occupa spazio attorno agli avvolgimenti e rende l'unità più ingombrante rispetto alla sua potenza? No, aspetta, no, in realtà la resina epossidica è sottile, ma è necessaria una maggiore distanza tra gli avvolgimenti per evitare la formazione di archi, poiché l'aria è un isolante peggiore dell'olio. Oh giusto, questo è un altro driver di grandi dimensioni! L'olio ha una resistenza isolante molto migliore dell'aria, quindi gli avvolgimenti in un trasformatore a olio possono essere più vicini tra loro e l'unità complessiva non necessita di spazio aggiuntivo per gli spazi isolanti. Le unità di tipo a secco devono distribuire maggiormente gli avvolgimenti per evitare la formazione di archi nell'aria, che ne aumentano le dimensioni, anche con il ridotto ingombro complessivo dell'unità.

Affrontiamo anche un mito comune: la gente pensa che i trasformatori a olio siano più grandi solo a causa del serbatoio dell'olio, ma non è tutta la storia. Il nucleo e gli avvolgimenti, le parti effettive che generano energia, hanno quasi le stesse dimensioni in entrambi i tipi per lo stesso MVA. Lo spazio extra nelle unità petrolifere è destinato all'olio, all'hardware di raffreddamento e alle boccole. Lo spazio extra delle unità di tipo a secco è destinato all'isolamento epossidico e ai canali dell'aria. Quindi, quando vedi un grande trasformatore a olio, sono soprattutto le parti di raffreddamento e contenimento che fanno il loro lavoro per mantenere il nucleo e gli avvolgimenti in funzione a una temperatura sicura.

Per i miei clienti, inizio sempre chiedendo loro dove va il trasformatore e quale carico deve gestire prima ancora di parlare delle dimensioni. Se si tratta di un edificio commerciale in centro con un seminterrato stretto, il trasloco è di tipo a secco: dimensioni ridotte, sicurezza, nessun rischio di perdite di olio. Se si tratta di un impianto di produzione con un grande piazzale o di una sottostazione che deve alimentare decine di macchine, un trasformatore a olio trifase è migliore, anche se più grande, perché può gestire il carico elevato e costante senza surriscaldarsi. Le unità petrolifere durano anche più a lungo, generalmente 20-30 anni se mantenute correttamente, contro 15-25 per il tipo a secco, il che compensa un po' i problemi iniziali di dimensioni e peso.

Aspetta, e la manutenzione? Ciò si lega anche alle dimensioni. I trasformatori dell'olio necessitano di test periodici dell'olio per verificare la presenza di umidità o contaminanti e talvolta la sostituzione dell'olio, ma è semplice. Le unità di tipo a secco necessitano di una pulizia regolare dei canali dell'aria per evitare che la polvere blocchi il flusso d'aria: se la polvere si accumula, si surriscaldano rapidamente, riducendone la durata. Le dimensioni ridotte facilitano la pulizia delle unità interne, ma per i grandi edifici commerciali con più unità asciutte si tratta di un lavoro settimanale, mentre le unità petrolifere nei piazzali esterni necessitano solo di un controllo visivo ogni pochi mesi.

Alcuni clienti sono venuti da me dicendo che pensano che il tipo a secco sia migliore perché è più piccolo, solo per rendersi conto un anno dopo che la loro unità a secco non è in grado di gestire il carico di punta estivo, quindi devono passare a una più grande. È qui che conta conoscere i compromessi dimensionali. La differenza di dimensioni non è un difetto in nessuno dei due design: è una funzionalità su misura per i casi d'uso. La forza dell'olio risiede nelle applicazioni a carico elevato e di lunga durata, quindi le sue dimensioni sono un compromesso per potenza e durata. I punti di forza del tipo a secco sono l'ingombro ridotto e la sicurezza, quindi è dimensionato per adattarsi a spazi ristretti con carichi inferiori.

Se stai cercando un nuovo trasformatore, non sceglierne uno solo in base alle dimensioni. Pensa a dove lo metti, quanta energia ti serve e quanto spesso verrà utilizzato. Se preferisci le unità petrolifere, i nostri trasformatori trifase in olio (puoi controllare la nostra linea completa qui) sono costruiti per qualsiasi cosa, dai piccoli usi commerciali alle grandi installazioni industriali e sottostazioni. Disponiamo anche di trasformatori di potenza immersi in olio (vedi quelli qui) per progetti su scala industriale, tutti dimensionati per soddisfare le vostre esigenze di carico rimanendo affidabili.

E se non sei sicuro di quale dimensione o tipo sia adatto al tuo spazio, non esitare a contattarci per parlare delle tue esigenze. Possiamo aiutarti a capire esattamente cosa si adatta alla tua configurazione senza pagare più del dovuto o acquistare un'unità troppo piccola per il lavoro.

Riferimenti

1. Associazione per gli standard IEEE. (2020).IEEE Std C57.12.00-2020: Requisiti generali per trasformatori di distribuzione, alimentazione e regolazione immersi in liquido.
2. Associazione nazionale dei produttori elettrici (NEMA). (2021).Trasformatori a secco: linee guida per la selezione, installazione e manutenzione.
3. Energy.gov. (2022).Nozioni di base sui trasformatori e guida alla selezione per applicazioni commerciali e industriali.
4. Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC). (2019).IEC 60076-1: Trasformatori di potenza – Parte 1: Requisiti generali.