Qual è la funzione del nucleo in un trasformatore immerso nell'olio?

Nel sistema di alimentazione, il trasformatore in olio è un dispositivo elettrico fondamentale utilizzato per ottenere la conversione di potenza tra diversi livelli di tensione. Nella struttura interna del trasformatore, il nucleo di ferro è uno dei componenti principali che ne determinano prestazioni, efficienza e stabilità.

1. La funzione di base del nucleo di ferro
La funzione principale del Il trasformatore immerso nell'olio si è strappato consiste nel trasferire potenza tra l'avvolgimento primario e l'avvolgimento secondario attraverso il principio dell'induzione elettromagnetica. Il nucleo di ferro è il mezzo chiave in questo processo di conversione dell'energia.

1. Fornire un percorso del flusso magnetico
La funzione primaria del nucleo di ferro è fornire un canale a bassa resistenza magnetica per il flusso magnetico del trasformatore. Quando la corrente scorre attraverso l'avvolgimento primario, viene generato un campo magnetico alternato e questi flussi magnetici fluiscono attraverso il nucleo di ferro e inducono tensione nell'avvolgimento secondario. L'esistenza del nucleo di ferro migliora notevolmente l'efficienza dell'accoppiamento magnetico.

2. Ridurre la perdita di energia
Rispetto all'aria, la permeabilità magnetica del materiale del nucleo di ferro (come la lamiera di acciaio al silicio laminata a freddo) è molto più elevata, il che può concentrare efficacemente il flusso magnetico e ridurre il fenomeno delle perdite magnetiche, riducendo così significativamente la perdita di energia e migliorando l'efficienza del trasformatore.

3. Supportare la stabilità della struttura
Il nucleo di ferro non è solo un percorso del flusso magnetico, ma anche una struttura di supporto meccanico per l'intero avvolgimento. Può resistere alla forza elettromagnetica durante il cortocircuito e mantenere la stabilità della struttura interna del trasformatore.

2. Materiale e struttura del nucleo di ferro

1. Selezione del materiale
Il nucleo di ferro è solitamente costituito da **lamiere di acciaio al silicio orientato laminate a freddo (CRGO)** con elevata permeabilità magnetica e basse perdite. L'acciaio al silicio contiene dal 2% al 3% di silicio, che può aumentare significativamente la permeabilità magnetica e ridurre la perdita di correnti parassite.

2. Struttura di laminazione (laminazione)
Per ridurre le perdite per correnti parassite (Eddy Current Loss), il nucleo di ferro non è un blocco intero, ma è composto da strati di fogli sottili separati da vernice isolante. Lo spessore tipico è 0,23 mm o 0,27 mm.

3. Forma strutturale
Le forme comuni con nucleo in ferro dei trasformatori immersi in olio sono:

Struttura del nucleo (Core Type): L'avvolgimento circonda il nucleo di ferro;

Struttura a guscio (Shell Type): Il nucleo di ferro circonda l'avvolgimento;

Struttura trifase a tre colonne: comunemente utilizzata nei trasformatori trifase per ridurre il consumo di materiale e il consumo di energia.

3. Proprietà elettromagnetiche del nucleo ferroso e rendimento dei trasformatori
La qualità del nucleo di ferro influisce direttamente sulle prestazioni del trasformatore, soprattutto nei seguenti aspetti:

1. Perdita del nucleo
Include la perdita per isteresi e la perdita per corrente parassita, che sono le principali fonti di perdita quando il trasformatore è scarico. Le lamiere di acciaio al silicio di alta qualità possono ridurre notevolmente questa parte di perdita.

2. Problema della saturazione del flusso magnetico
Il nucleo di ferro ha un certo limite di trasporto del flusso magnetico. Quando questo limite viene superato (ovvero la saturazione magnetica), la tensione indotta non cambierà più in modo lineare e causerà un aumento di calore e un guasto elettrico. Pertanto, durante la progettazione si dovrebbe considerare una densità di flusso magnetico ragionevole (generalmente controllata a 1,5~1,7 T).

3. Controllo magnetico delle perdite
La perdita di flusso magnetico porterà a una riduzione dell'efficienza di induzione, al surriscaldamento locale e persino all'interferenza con le apparecchiature circostanti. L'ottimizzazione della forma del nucleo di ferro e della disposizione degli avvolgimenti può aiutare a ridurre l'impatto del flusso magnetico disperso.

4. Lavoro collaborativo del nucleo di ferro e del sistema di raffreddamento a bagno d'olio
Nei trasformatori immersi in olio, l'olio del trasformatore svolge sia un ruolo isolante che viene utilizzato per raffreddare i componenti che generano calore. Il nucleo di ferro genererà molto calore a causa dei frequenti cambiamenti del flusso magnetico, quindi è necessario l'olio del trasformatore per dissipare il calore.

L'olio scorre attraverso lo spazio vuoto del nucleo, eliminando efficacemente il calore;

Migliorare l'efficienza del raffreddamento attraverso il sistema di circolazione forzata dell'olio;

Garantire il pieno contatto e isolamento tra il nucleo e il materiale isolante dell'olio.

5. Tecnologie chiave nella produzione di base

1. Tecnologia di taglio e impilamento
I pezzi centrali devono essere tagliati accuratamente per garantire la consistenza geometrica. Il processo di impilamento utilizza tecnologie come "step lap" e "staggered stacking" per ridurre efficacemente la resistenza magnetica e gli spazi vuoti.

2. Design antirumore
Il nucleo genererà rumore a causa dell'effetto magnetostrittivo sotto campi magnetici alternati ad alta frequenza, chiamato "ronzio". Per ridurre il rumore è necessario:

Controllare rigorosamente lo spazio tra i nuclei;

Utilizzare struttura antivibrante e cuscinetti oleosi;

Utilizzare "giunti smussati completi" o "sovrapposizione a 45°" per ridurre le vibrazioni.

6. Guasti comuni e punti di manutenzione
Durante il funzionamento a lungo termine, il nucleo di ferro potrebbe presentare i seguenti problemi:

Surriscaldamento locale: può essere causato da uno scarso contatto o da un cortocircuito del nucleo di ferro;

Nucleo di ferro allentato: provoca un aumento del rumore e la staffa deve essere serrata;

Scarico parziale o guasto: solitamente causato da un guasto dell'isolamento o dall'inquinamento da petrolio.

Le misure preventive includono:

Misurazione regolare della temperatura a infrarossi per controllare la distribuzione della temperatura del nucleo di ferro;

Analisi della qualità dell'olio per garantire la resistenza dell'isolamento;

Rilevamento online delle scariche parziali per comprendere lo stato operativo.

Essendo il componente principale del trasformatore in olio, il nucleo di ferro ha più funzioni oltre alla semplice "conduzione magnetica". Svolge molteplici ruoli come condurre il flusso magnetico, ridurre le perdite, supportare le strutture e migliorare la stabilità. È un fattore chiave nel determinare le prestazioni, la durata e la sicurezza del trasformatore. Man mano che il sistema di alimentazione si sviluppa verso l'alta tensione, la grande capacità, il risparmio energetico e la protezione ambientale, anche il materiale e il design del nucleo di ferro sono in continua evoluzione, fornendo una solida base per il funzionamento efficiente del trasformatore.