In un trasformatore di potenza in olio la velocità di invecchiamento della carta isolante cresce esponenzialmente con la temperatura. A fissare la vita non è quindi la media ma il punto più caldo — e quel punto sta di solito nella parte alta dell'avvolgimento, in un luogo non strumentabile.
Come scorre l'olio
Circolazione naturale (ONAN). L'olio si scalda nell'avvolgimento, sale, si raffredda nel radiatore e scende. È mosso interamente dal galleggiamento, quindi è un classico problema di convezione naturale che dà un flusso lento e stratificato.
Circolazione forzata (OFAF/ODAF). Con una pompa. Fornisce una capacità di raffreddamento maggiore, ma diventa critico come il flusso si distribuisce fra i canali dell'avvolgimento.
La trappola del flusso inverso
Nel raffreddamento forzato guidato l'avvolgimento è diviso in sezioni separate da canali orizzontali. Se la distribuzione di pressione è sfavorevole, in alcuni canali il flusso si inverte o si ferma. La sezione di avvolgimento su quel canale resta quasi del tutto senza raffreddamento, e lì si forma il punto caldo.
In un calcolo che guarda solo la portata totale questo è del tutto invisibile — è un classico problema di distribuzione, risolto dalla disposizione delle rondelle deviatrici.
Le proprietà dell'olio variano fortemente con la temperatura
La viscosità dell'olio per trasformatori cambia di ordini di grandezza con la temperatura. A un avviamento a freddo la circolazione è molto debole; un trasformatore a raffreddamento naturale può scaldarsi più del previsto in una partenza a freddo. Un modello a proprietà costanti manca questo comportamento.
Modellazione
Il problema è coniugato: conduttore, isolamento, olio e cassa insieme. Risolvere l'avvolgimento spira per spira non è praticabile; si usa una regione equivalente anisotropa.
La distribuzione delle perdite viene dall'analisi elettromagnetica e non è uniforme — il flusso disperso produce picchi locali di perdita alle estremità dell'avvolgimento e nella parete della cassa. L'ipotesi di perdite uniformi manca il punto caldo.
Anche il flusso d'aria sui radiatori fa parte del modello; se i radiatori respirano l'aria calda l'uno dell'altro, la capacità cala. Vedi la nota sulle unità esterne delle pompe di calore.
Riferimenti
- Churchill, S. W. & Chu, H. H. S. (1975). Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate. International Journal of Heat and Mass Transfer, 18(11), 1323–1329. DOI: 10.1016/0017-9310(75)90243-4
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605