Design of a power transformer and HVDC transmission system

Nella rete elettrica i trasformatori hanno una notevole importanza, poiché con tale macchina è possibile variare principalmente i valori della tensione e della corrente. Questo permette di trasmettere l’energia dal punto di generazione fino all’utenza finale riducendo il più possibile le perdite, tenendo conto anche dell’aspetto economico in quanto non conviene avere un sistema con pochissime perdite se per realizzarlo sono necessarie molte risorse di denaro. I trasformatori di potenza vengono progettati su commessa; questo significa che la macchina è pensata e costruita rispetto a delle specifiche caratteristiche richieste dal Cliente stesso. Durante la progettazione di una macchina elettrica non bisogna considerare solamente gli aspetti ingegneristici che mirano a costruire una macchina che si avvicini il più possibile ad una ideale, ma si deve tenere ben presente l’aspetto economico. In relazione a questi due aspetti il progettista deve essere in grado di progettare un trasformatore che rappresenti la soluzione tecnico - economica migliore. I parametri principali che il Cliente solitamente richiede sono la potenza nominale della macchina, la tensione nominale, il numero delle fasi, il tipo di connessione e il gruppo delle fasi, la frequenza nominale alla quale la macchina andrà ad operare, il tipo e il numero dei passi di regolazione del regolatore di tensione, l’impedenza percentuale e il limite delle perdite. Il Cliente deve inoltre fornire ai progettisti alcune informazioni riguardanti il sito in cui il trasformatore andrà ad operare come ad esempio l’altitudine, la temperatura ambiente media nel periodo estivo e quella nel periodo invernale, ecc. Un'altra informazione molto importante che i progettisti richiedono al Cliente riguarda gli standard di riferimento secondo i quali la macchina deve essere progettata e inoltre se esistono delle limitazioni dimensionali relative al trasporto del trasformatore e al suo posizionamento in sito. Il punto di partenza per la progettazione di un trasformatore di potenza, in seguito alle caratteristiche che la macchina deve presentare una volta realizzata, è la determinazione della sezione del nucleo. Questo può essere fatto in relazione alla taglia della macchina, cioè alla sua potenza nominale. Già in questo primo step si deve tenere presente la relazione tra le perdite nel ferro e le perdite nel rame, così si può scegliere una sezione un po’ più grande o più piccola in modo che vada a favorire una o l’altra situazione. Per quanto riguarda le altezze delle colonne vengono determinate in seguito, in relazione all’altezza degli avvolgimenti e al livello di isolamento necessario. Successivamente deve essere determinato il livello d’induzione e qui si deve tener conto che un suo valore elevato va a ridurre il peso del rame e le sue perdite e inoltre riduce il peso del nucleo. A questo punto non si deve comunque dimenticare che una elevata induzione ha lo svantaggio che aumentano le perdite nel ferro. In seguito si va a determinare in maniera molto semplice la tensione per spira, il numero di spire dell’avvolgimento e la corrente di fase. Per quanto riguarda il numero di spire dell’avvolgimento che presenta la regolazione si devono calcolare anche il numero di spire massime, minime e intermedie relative ai vari gradini della regolazione della tensione. Solitamente il commutatore sotto carico viene inserito sul lato “alta tensione” della macchina perché con questo tipo di inserzione è più facile effettuare la commutazione. La commutazione risulta più semplice da effettuare in quanto la corrente nell’avvolgimento “alta tensione” è minore rispetto a quella del lato “bassa tensione”, quindi l’arco elettrico che si crea durante la commutazione è più semplice da estinguere. Ora devono essere determinati gli avvolgimenti e questo rappresenta uno dei passi più importanti durante la progettazione del trasformatore, poiché in relazione alla loro geometria dipendono molti fattori quali ad esempio i flussi dispersi della macchina, la caduta di tensione reattiva percentuale, ecc. Scegliere l’altezza dell’avvolgimento, cioè se questo deve essere più alto oppure più schiacciato, non è una cosa semplice. Infatti questo tipo di scelta dipende dalla densità di corrente che si sceglie per i conduttori, dal livello di tensione del lato “alta tensione”, dal volt-spira che è stato determinato, ecc. Gli aspetti ambientali del sito in cui andrà ad operare il trasformatore, le sovratemperature ammesse e il sistema di raffreddamento che si andrà ad adottare per la macchina, giocano un ruolo fondamentale nella scelta della densità di corrente. Infatti questo parametro è strettamente legato alle perdite che poi dovranno essere dissipate per far si che la macchina non vada ad operare in condizioni di sovratemperature non ammissibili. Gli avvolgimenti possono essere ad elica oppure a disco e questo rappresenta la principale suddivisione sul tipo di avvolgimenti dei trasformatori. In queste due differenti categorie poi troviamo molte diverse soluzioni che vengono adottate in relazione a certe caratteristiche della macchina. Tra i principali fattori che influenzano l’utilizzo di un tipo di avvolgimento rispetto ad un altro sono il livello di tensione dell’avvolgimento, il livello di flusso disperso che si vuole avere, le perdite e il tipo di raffreddamento. Determinato il tipo di avvolgimento, il quale normalmente non è lo stesso per l’avvolgimento di bassa tensione, per quello di alta tensione e nemmeno per quello di regolazione, si passa a determinare il tipo di conduttore che deve essere utilizzato. Per questo tipo di scelta un ruolo fondamentale è sicuramente rappresentato dal limite delle perdite nel rame che si possono avere e dalla sovratemperatura alla quale il conduttore andrà ad operare. A questo punto si può stabilire l’ingombro geometrico degli avvolgimenti ed in seguito si possono determinare le dimensioni della finestra del nucleo. A questo punto si possono determinare il peso del nucleo e degli avvolgimenti e poi proseguire con la determinazione delle dimensioni della cassa. Il passo successivo è rappresentato dal calcolo delle perdite da dissipare in modo tale che la macchina operi in condizioni garantite al Cliente senza eccedere nei livelli imposti dalle norme. Questo tipo di calcolo è fondamentale poiché va a determinare il tipo di raffreddamento che deve essere realizzato sul trasformatore. Un ultimo passo nel processo è quello della scelta dei vari accessori e componenti presenti sulla macchina. Viene effettuato anche il calcolo del peso del trasformatore completamente montato e anche smontato e pronto per il trasporto per verificare che non si siano superati i limiti imposti. La progettazione di un trasformatore di potenza è sicuramente molto complicata in quanto bisogna tenere in considerazioni un numero notevole di parametri. Inoltre tale processo non è lineare ma deve essere fatto in maniera “iterativa”, cioè ad ogni passo bisogna tornare a quello precedente e verificare che non si siano modificati alcuni parametri che non rispettino più le richieste del Cliente e gli standard delle normative. Per un progettista è sicuramente molto importante avere molta esperienza in tale settore poiché questo lo aiuta nelle varie scelte tecnico – economiche che devono essere fatte per riuscire ad ottenere la soluzione migliore, la quale deve soddisfare le esigenze e richieste del Cliente, e inoltre il profitto dell’azienda per cui lavora. Per quanto riguarda la trasmissione di energia elettrica in questi ultimi anni ha preso sempre più importanza il sistema di trasmissione di energia in alta tensione a corrente continua. Analizzando la situazione a livello globale, al giorno d’oggi assistiamo all’urbanizzazione, cioè grandi masse di popolazione si stanno spostando verso le città per creare delle “mega città”. Gli esperti dicono che nei prossimi 20 anni la richiesta di energia elettrica aumenterà del 70% rispetto al valore attuale. Per riuscire a soddisfare questa richiesta è necessario lo sviluppo di nuove tecnologie e trovare delle soluzioni di trasmissione che permettano di ridurre il più possibile le perdite. Ciò significa che sarà necessario produrre energia anche in luoghi molto distanti rispetto al consumatore finale, ma il trasporto di tale energia deve essere fatto con dei valori di perdite che siano le più contenute possibile. Una soluzione che soddisfa queste richieste e che ha sempre una maggiore importanza è la trasmissione in alta tensione in corrente continua. Un sistema HVDC (High Voltage Direct Current) può presentare tre diverse strutture. La prima struttura è rappresentata dalla HVDC long distance line che serve per la trasmissione di energia elettrica per lunghe distanze. La seconda struttura è rappresentata dalla HVDC cable line che viene principalmente utilizzata via mare. Queste due strutture sono caratterizzate da una stazione di conversione AC/DC all’inizio della linea, poi dalla linea elettrica e infine da un’altra stazione di conversione ma questa volta DC/AC. La terza struttura invece è la stazione HVDC back - to - back, che rappresenta l’unica soluzione per interconnettere sistemi che operano a frequenze diverse. Questa struttura è caratterizzata dal fatto che la conversione AC/DC e DC/AC sono fatte nella stessa stazione e la distanza tra le loro valvole è la più piccola possibile. I trasformatori HVDC vengono così chiamato solamente per indicare in maniera specifica in quale sistema vengono utilizzati, ma nella pratica sono dei trasformatori che funzionano in corrente alternata. Un trasformatore HVDC è quindi un trasformatore “tradizionale” per il quale però devono essere fatte alcune considerazioni che dipendono dal particolare sistema nel quale viene utilizzato. Solitamente queste macchine elettriche sono costituite da unità monofasi che poi vengono opportunamente connesse tra di loro per andare a formare un sistema trifase. Non vengono progettate delle macchine trifase di grandi potenza poiché queste andrebbero ad avere delle dimensioni enormi e sarebbe quindi molto difficoltoso il trasporto (se non impossibile); inoltre anche dal punto di vista ingegneristico e di costruzione non sarebbe conveniente. Il nucleo dei trasformatori HVDC è formato solitamente da due colonne principali e due colonne di ritorno. Per quanto riguarda gli avvolgimenti bisogna considerare molti parametri i quali sono principalmente legati al livello di isolamento in quanto queste macchine vanno a lavorare con tensioni molto elevate, quindi le distanze tra parti attive per garantire l’isolamento sono maggiori rispetto a trasformatori di potenza che generalmente operano con tensioni minori. I trasformatori HVDC hanno due avvolgimenti secondari che vanno collegati ai convertitori per la conversione ed essi sono montati uso su una colonna principale e uno sull’altra. Bisogna tenere presente che uno di questi due avvolgimenti viene collegato a stella mentre l’altro viene collegato a triangolo. Questo particolare collegamento va a favorire la tensione in uscita dal convertitore che così risulta essere prossima ad un valore ideale. Per quanto riguarda invece l’avvolgimento primario, esso è “diviso” in due parti uguali, ognuna delle quali è montata su una colonna principale. Un’altra particolarità che presenta questo tipo di macchina riguarda la cassa che non è di tipo convenzionale. Questo dipende dal particolare posizionamento degli isolatori sul lato dove ci si collega poi ai convertitori da una parte, mentre il sistema di raffreddamento è posto sul lato opposto per facilitare lo scambio di calore. In conclusione quando si deve costruire una nuova linea di trasmissione si deve valutare se conviene realizzarla in corrente alternata oppure in corrente continua. Per quanto riguarda i sistemi in corrente continua presentano sicuramente degli investimenti economici iniziali maggiori. Si è visto che se la linea di trasmissione è molto lunga (al di sopra di circa 700 km) è conveniente utilizzare il sistema in corrente continua