Qual è il ruolo del nucleo in un trasformatore immerso nell'olio?

Il ronzio delle sottostazioni elettriche è un suono familiare nel mondo moderno, una testimonianza della vasta rete invisibile che alimenta le nostre vite. Al centro di questo sistema, all’interno degli iconici serbatoi cilindrici, si trova un elemento tecnologico fondamentale: il trasformatore immerso nell’olio. Sebbene l'intera unità sia una meraviglia dell'ingegneria, il suo eroe silenzioso e indispensabile è il nucleo del trasformatore. Questo componente non è semplicemente un elemento strutturale; è il percorso fondamentale del flusso magnetico, l'essenza stessa della funzione del trasformatore. Ma cos’è esattamente questo nucleo, perché il suo design è così importante e in che modo l’immersione nell’olio ne migliora le prestazioni?

Il nucleo del trasformatore immerso nell'olio è una struttura multistrato a circuito chiuso meticolosamente laminata da fogli di acciaio al silicio di alta qualità. La sua funzione primaria è quella di fornire un percorso ad alta permeabilità per il flusso magnetico generato dalla corrente alternata che scorre attraverso gli avvolgimenti del trasformatore. Questa efficiente canalizzazione del flusso è ciò che consente l'accoppiamento induttivo tra gli avvolgimenti primario e secondario, consentendo l'aumento o la diminuzione dei livelli di tensione con una perdita di energia minima. Senza questo nucleo, il trasformatore sarebbe irrimediabilmente inefficiente e praticamente inutilizzabile per applicazioni ad alta potenza.

La scelta del materiale e della costruzione del nucleo è quindi fondamentale. L'acciaio al silicio, noto anche come acciaio elettrico, è il materiale preferito. L'aggiunta di silicio alla lega di ferro ne aumenta la resistività elettrica, che è una proprietà fondamentale. Una resistività più elevata riduce l’entità delle correnti parassite, correnti circolanti parassite indotte all’interno del nucleo stesso dal campo magnetico alternato. Queste correnti parassite rappresentano una significativa fonte di perdita di energia, che si manifesta sotto forma di calore. Riducendoli, l'acciaio al silicio aumenta direttamente l'efficienza del trasformatore. Inoltre, il nucleo non è un blocco solido di metallo ma è costituito da sottili laminazioni. Ogni lamina è rivestita da un sottile strato isolante. Questo design ostacola ulteriormente il percorso delle correnti parassite, confinandole a singole laminazioni e riducendo drasticamente le perdite complessive del nucleo, note come perdite di ferro.

La geometria del nucleo è altrettanto intenzionale. Il design più comune è un nucleo a sezione trasversale a gradini disposto in una cornice rettangolare o circolare. Questo "stepping" è una tecnica di ottimizzazione che consente al nucleo di approssimare una sezione trasversale circolare all'interno di una cornice quadrata, massimizzando l'area effettiva per il flusso magnetico e minimizzando la quantità di materiale e la lunghezza media di una spira, migliorando così l'efficienza. I giunti tra le lamiere sono precisamente sfalsati o intercalati per ridurre al minimo il traferro agli angoli, garantendo un percorso magnetico continuo e impedendo la fuoriuscita del flusso magnetico, che causerebbe ulteriori perdite e ronzio udibile.

È qui che l'aspetto "immerso nel petrolio" diventa critico. Il nucleo, insieme agli avvolgimenti, è immerso in un olio minerale appositamente progettato all'interno della vasca del trasformatore. Questo olio svolge molteplici funzioni sinergiche, tutte vitali per la longevità e le prestazioni del nucleo. Innanzitutto, agisce come un refrigerante altamente efficace. Il nucleo, nonostante la sua progettazione efficiente, subisce ancora perdite di energia che generano calore. L’olio circola naturalmente o tramite pompe, assorbendo questo calore dal nucleo e dagli avvolgimenti e trasferendolo alle alette del radiatore del trasformatore, dove viene dissipato nell’atmosfera. Ciò impedisce il surriscaldamento del nucleo, che degraderebbe i rivestimenti isolanti sulle laminazioni e alla fine porterebbe a guasti catastrofici.

In secondo luogo, l'olio fornisce un isolamento superiore. Mentre il nucleo è messo a terra, gli intensi campi elettromagnetici e le alte tensioni presenti richiedono un robusto isolamento tra il nucleo, gli avvolgimenti e il serbatoio stesso. L’elevata rigidità dielettrica dell’olio previene la formazione di archi e guasti elettrici. Infine, l'olio funge da barriera protettiva, proteggendo le laminazioni di acciaio al silicio rifinite con precisione da due nemici dannosi: umidità e ossigeno. L’esposizione a questi elementi causerebbe una rapida corrosione e ossidazione, danneggiando i delicati rivestimenti isolanti e alterando le proprietà magnetiche dell’acciaio, portando ad un forte aumento delle perdite del nucleo e ad un calo dell’efficienza complessiva.

In sostanza, il nucleo del trasformatore immerso in olio è un capolavoro di ingegneria elettromagnetica e dei materiali. È un componente perfettamente bilanciato in cui le proprietà dell'acciaio al silicio, l'innovazione della costruzione laminata e l'ambiente protettivo dell'olio dielettrico convergono per un unico scopo: facilitare la trasformazione altamente efficiente e affidabile dell'energia elettrica. Funziona silenziosamente all'interno del suo bagno d'olio, nascosto alla vista, eppure è la pietra angolare assoluta della trasmissione e distribuzione dell'energia, consentendo all'elettricità di percorrere grandi distanze dalle centrali elettriche alle nostre case con notevole efficienza. Il suo design duraturo è il motivo principale per cui possiamo fare affidamento sul flusso costante di potere che definisce la civiltà moderna.