Due trasformatori possono avere la stessa potenza e tensione nominale ma comportarsi in modo molto diverso nello stesso sistema. Uno dei motivi principali è l'impedenza di cortocircuito.

Questo parametro influisce sulla corrente di guasto presunta, sulla regolazione della tensione, sul coordinamento della protezione, sull'avviamento del motore e sulla condivisione del carico in parallelo. Influisce anche sulla classificazione dei quadri, delle sbarre collettrici, dei cavi e di altre apparecchiature attorno al trasformatore.

Un valore inferiore o superiore può essere entrambi ragionevole, a seconda del sistema. Solitamente i problemi sorgono quando l'impedenza viene selezionata senza fare riferimento allo studio del cortocircuito, al profilo di carico e al progetto della protezione.

L'impedenza di cortocircuito è solitamente espressa in percentuale. Durante la prova, un avvolgimento viene cortocircuitato e all'altro avvolgimento viene applicata una tensione ridotta finché non passa la corrente nominale. La tensione applicata, espressa come percentuale della tensione nominale, è il valore dell'impedenza del trasformatore.

Ad esempio, un trasformatore con impedenza del 5% richiede circa il 5% della tensione nominale per produrre corrente nominale in condizioni di test di cortocircuito.

Ignorando l'impedenza del sistema a monte, la corrente di guasto simmetrica iniziale ai terminali del trasformatore può essere stimata come:

Isc ≈ Irated ÷ Zpu

Un'impedenza del 5% corrisponde a circa 20 volte la corrente nominale. Un'impedenza dell'8% corrisponde a circa 12,5 volte la corrente nominale. La corrente di guasto effettiva del sistema dipenderà anche dall'impedenza della sorgente, dall'impedenza del conduttore, dal metodo di messa a terra e dal rapporto X/R del sistema.

Un'impedenza inferiore generalmente migliora la regolazione della tensione. La caduta di tensione attraverso il trasformatore è inferiore sotto carico, il che può facilitare l'avviamento del motore, l'avviamento di carichi di grandi dimensioni e le applicazioni sensibili alla variazione di tensione.

Il compromesso è una corrente di guasto potenziale più elevata. Gli interruttori automatici possono richiedere una maggiore capacità di interruzione, mentre le sbarre collettrici, i cavi e i quadri devono resistere a un carico di cortocircuito più elevato.

All'interno del trasformatore, un guasto passante produce forti forze elettromagnetiche sugli avvolgimenti. Queste forze aumentano rapidamente con la corrente di guasto e possono sollecitare i conduttori degli avvolgimenti, i distanziatori, i conduttori e le strutture di serraggio. Guasti esterni ripetuti possono aumentare il rischio di spostamento dell'avvolgimento o deformazione meccanica se il trasformatore e il sistema di protezione non sono coordinati correttamente.

La bassa impedenza può anche aumentare i costi del progetto al di fuori del trasformatore. Quadri più resistenti ai guasti, sistemi bus più robusti e misure aggiuntive di limitazione della corrente possono costare più di quanto risparmia la progettazione stessa del trasformatore.

Un'impedenza più elevata limita la corrente di guasto. Ciò può ridurre il carico di interruzione imposto agli interruttori automatici e ridurre lo stress da cortocircuito sulle apparecchiature a valle.

La preoccupazione principale è la caduta di tensione. In condizioni di carico pesante, avviamento del motore o spunto improvviso del carico, un trasformatore ad alta impedenza può produrre un calo di tensione maggiore. Ciò può influire sull'accelerazione del motore, sul funzionamento dei contattori, sulle apparecchiature di processo e su altri carichi sensibili alla tensione.

L'alta impedenza può anche ridurre la corrente di guasto a un livello che rende più difficile il coordinamento della protezione. Per guasti remoti o di livello inferiore, le impostazioni di relè e fusibili potrebbero richiedere una revisione più approfondita per mantenere sensibilità e tempo di ripristino adeguati.

Un valore di impedenza più elevato non significa automaticamente perdite del trasformatore più elevate o minore affidabilità. Il risultato dipende dalla geometria dell'avvolgimento, dal controllo del flusso di dispersione, dalla disposizione dei conduttori e dalla progettazione termica. Tuttavia, un'impedenza personalizzata insolitamente elevata può richiedere ulteriore lavoro di progettazione e può aumentare le perdite parassite o il riscaldamento locale se il flusso di dispersione non viene gestito correttamente.

Non esiste una regola semplice che dica che un trasformatore con impedenza maggiore o minore costerà sempre di più. Il raggiungimento di un'impedenza specifica del progetto può richiedere modifiche alle dimensioni dell'avvolgimento, alla disposizione dei conduttori, alle distanze di isolamento, alla schermatura magnetica e al supporto strutturale.

Un valore al di fuori del normale intervallo di progettazione del produttore spesso richiede ulteriore controllo ingegneristico e di produzione. Tolleranze strette di impedenza possono anche aumentare i costi di progettazione, materiale e test.

Il costo del sistema più ampio potrebbe essere più significativo:

Una bassa impedenza può richiedere interruttori, quadri e sistemi bus con classificazione di guasto più elevata.

L'alta impedenza può richiedere un supporto di tensione aggiuntivo, diverse disposizioni di avviamento del motore o modifiche al dimensionamento dei conduttori e alle impostazioni di protezione.

Per i team di approvvigionamento, il prezzo di acquisto del trasformatore più basso può quindi comportare un costo di installazione totale più elevato se l'impedenza selezionata sposta requisiti aggiuntivi al resto del sistema.

I trasformatori paralleli necessitano di rapporti di tensione, gruppi di vettori, posizioni delle prese e caratteristiche di impedenza compatibili. Quando due trasformatori hanno impedenze percentuali diverse, non condivideranno il carico equamente.

Per due trasformatori con uguale potenza MVA, l'unità con impedenza inferiore trasporta più corrente. Se un trasformatore ha un'impedenza del 5% e l'altro del 7%, l'unità al 5% assorbirà una quota maggiore del carico totale e potrebbe raggiungere prima la sua capacità nominale.

L'entità dell'impedenza da sola non è sufficiente per uno studio dettagliato sul funzionamento in parallelo. Anche il rapporto X/R, il rapporto di tensione, l'impostazione delle prese e il collegamento dell'avvolgimento influiscono sulla condivisione della corrente e sulla corrente circolante.

L'impedenza di cortocircuito è un parametro importante del sistema, ma non può essere utilizzata da sola per giudicare l'affidabilità del trasformatore.

Per i progetti a bassa impedenza, la resistenza meccanica dell'avvolgimento e la capacità di resistenza ai cortocircuiti richiedono un'attenzione particolare. Per i progetti ad alta impedenza, la regolazione della tensione, il flusso di dispersione, il riscaldamento locale e la sensibilità della protezione necessitano di una revisione più approfondita.

La progettazione dell'isolamento, la temperatura del conduttore, il bloccaggio dell'avvolgimento, l'uniformità della produzione, i test di routine e il tempo di ripristino della protezione contribuiscono tutti alle prestazioni a lungo termine.

L'impedenza appropriata è il valore che funziona con l'intero sistema elettrico e può essere prodotto, testato e mantenuto nell'ambito del progetto approvato.

• MVA nominali e base di capacità utilizzata per il valore di impedenza

• Tensione nominale, frequenza e coppia di avvolgimenti applicabili

• Posizione della presa utilizzata come riferimento di impedenza

• Temperatura di riferimento per il valore garantito e testato

• Impedenza target o intervallo di impedenza accettabile

• Tolleranza applicabile secondo lo standard vigente o le specifiche del progetto

• Rapporto X/R se richiesto per studi su cortocircuito o protezione

• Livello di guasto della rete disponibile e impedenza della sorgente a monte

• Requisiti di avviamento del motore, spunto di carichi elevati e regolazione della tensione

• Requisiti di funzionamento in parallelo con trasformatori esistenti o futuri

• Rapporto di test di fabbrica e impedenza misurata finale

Per i trasformatori multi-avvolgimento, la richiesta di offerta dovrebbe indicare a quale coppia di avvolgimenti si applica ciascun valore di impedenza. Un unico valore percentuale può essere insufficiente quando sono coinvolte più uscite di tensione o avvolgimenti terziari.

Non esiste un'impedenza di cortocircuito universale “migliore”. Un valore inferiore migliora la regolazione della tensione ma aumenta la corrente di guasto. Un valore più elevato limita la corrente di guasto ma crea una maggiore caduta di tensione e può complicare la protezione o l'avvio del carico.

Il valore finale dovrebbe provenire dallo studio del cortocircuito del sistema, dall'analisi della regolazione della tensione, dal coordinamento della protezione e dal piano operativo. I team di procurement possono quindi confrontare i preventivi dei trasformatori sulla base dell’impatto totale del sistema piuttosto che sul solo prezzo del trasformatore.

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