I trasformatori elettrici di potenza sono un elemento essenziale, se non forse il più importante componente delle reti elettriche mondiali. I trasformatori sono connessi al sistema elettrico le cui tensioni di esercizio devono essere mantenute entro limiti prefissati; se non esistesse alcuna forma di regolazione della tensione questa varierebbe anche notevolmente in funzione dei transiti di potenza e di altri aspetti, tra i quali, per esempio, i fuori servizio di elementi di rete (programmati e non).

Uno   dei   più   importanti   sistemi   utilizzati  per la regolazione della tensione consiste nell’installare, nel trasformatore, un dispositivo in grado di variare il rapporto di spire primarie    e secondarie, quindi, il rapporto delle tensioni primaria e secondaria. Detto dispositivo è noto come “variatore di rapporto” o “commutatore” (in inglese, “Tap Changer”) e ha la funzione di inserire o escludere una o più spire (sino a oltre 30) poste nell’avvolgimento di regolazione, permettendo la modulazione della tensione entro un certo intervallo (tipicamente ±15% nelle reti di trasmissione in alta tensione).

La variazione di tensione può avvenire sia col trasformatore “de-energizzato” – e parleremo allora di commutatori a vuoto; oppure  molto  più    comunemente,    specialmente     quando le variazioni sono richieste di frequente, col trasformatore “energizzato” – e parleremo allora di commutatori/variatori sotto carico (VSC/CSC), in inglese “On Load Tap Changer” (OLTC).

I CSC sono tutti basati sul principio di trasferire la corrente tra prese contigue, chiudendo la tensione del gradino  interposto  su  impedenze o resistenze, così da limitare la corrente di circolazione che  interessa  il  gradino  durante  la manovra. In fase di commutazione si stabiliscono e s’interrompono correnti di breve durata ma molto elevate, secondo una sequenza ben prefissata ed  in  tempi  rapidi  (dell’ordine  di decine di ms). Il movimento meccanico è pertanto comandato da un motore elettrico (che precarica dei dispositivi, tipicamente molle), mentre nei commutatori a vuoto il movimento è di solito manuale.

Il primo brevetto risale agli anni ‘20 e da allora   le modalità costruttive si sono evolute, per cui esistono in servizio molteplici tipi diversi di CSC che, ad esempio, possono essere alloggiati esternamente (figura 1) o internamente (figura 2) al trasformatore nelle macchine di maggior potenza.

La commutazione avviene usando resistenze o impedenze immerse in olio isolante, ma in tempi recenti si sta sempre più diffondendo l’impiego dei commutatori sotto vuoto, nei quali la commutazione avviene in una speciale ampolla tenuta rigorosamente a vuoto quasi assoluto.

Stante la loro grande complessità e la severità d’impiego, inevitabilmente il tasso  di  guasto  dei CSC è significativo. Una recente indagine condotta dal CIGRE (Technical Brochure 642) ha riportato che oltre il 14% dei guasti, alcuni anche catastrofici, dei grandi trasformatori di potenza, è dovuto ai commutatori sotto carico.

Ne deriva l’evidente necessità di una corretta manutenzione preventiva e soprattutto di ispezioni atteaverificare il corretto funzionamento del variatore di rapporto; la strategia di controllo e manutenzione può essere basata sul numero di commutazioni piuttosto che su base temporale. Esistono sostanzialmente due diversi tipi di approccio diagnostico, uno di tipo elettro- meccanico ed uno di tipo chimico.

Ad esempio, la Norma IEC CEI EN 60214-1 (test di routine per i CSC) prevede che vadano misurati molteplici parametri meccanici ed elettrici quali, ad esempio: Controllo delle resistenze; Verifica dei tempi di commutazione; Tempi di contatto (verifica di coordinamento tra i vari componenti); Test meccanici dopo 500 operazioni; Test di ermeticità con gas elio.

Inoltre, la Norma IEC  CEI  EN  60422  (guida  alla  manutenzione  degli  oli  isolanti   in servizio) e la Norma IEC CEI EN 60599 (guida all’interpretazione delle analisi dei gas disciolti in olio) guidano l’utente ai controlli di tipo chimico- fisico da eseguire sull’olio dei CSC.

È possibile così diagnosticare preventivamente anomalie incombenti dei CSC quali, ad esempio, trafilamento di gas/olio verso la cassa del trasformatore, scariche anomale, punti caldi eccessivi, carbonizzazione dei contatti, invecchiamento dell’olio, movimenti e tempi imprecisi, etc.

Approcci, questi, che lungi dall’essere antagonisti tra loro, vanno invece usati complementarmente traendone così il massimo profitto possibile. Tale sinergia è purtroppo tutt’altro che semplice da ottenersi, infatti, le competenze degli esperti sono usualmente o di tipo elettro-meccaniche o di tipo chimico.

Questi ed altri argomenti correlati saranno approfonditi in occasione della prossima Giornata di Studio  CEI  “I  commutatori  sotto  carico  nei trasformatori di potenza: progettazione, costruzione, utilizzo, manutenzione e diagnostica” che si terrà il 28 marzo 2018 a Milano presso la sede del CNR.

La giornata, organizzata congiuntamente dai Comitati Tecnici CEI CT 10 (Fluidi  isolanti)  e  CT 14 (Trasformatori) ospiterà conclamati esperti internazionali provenienti dal mondo dei costruttori, dei manutentori e degli utilizzatori, che illustreranno lo stato dell’arte in materia di:

• Principi di funzionamento dei CSC e le loro diverse modalità costruttive;
• Tipi di diagnosi predittiva (elettrica echimica);
• Manutenzione necessaria e raccomandata;
• Esperienze di esercizio.

La partecipazione alla giornata è gratuita previa iscrizione. È in corso la procedura di rilascio dei Crediti Formativi da parte del CNPI e del CNI.  Per iscrizioni: www.ceinorme.it > Eventi > Seminari
Per informazioni: relazioniesterne5@ceinorme.it tel. 0221006.202