Isolamento elettrico

Nei trasformatori elettrici l’isolamento è garantito principalmente dalla somma di materiale solido, ad esempio carta kraft, e fluidi isolanti, principalmente oli minerali. Questa importante innovazione è stata inventata e rivendicata dal noto scienziato Nikola Tesla a partire dal brevetto n. 655,838 “Method of Insulating Electric Conductors” del 14 agosto 1900 “my invention any kind of fluid capable of meeting the requirements (75…) as oil, may be used (130…)” e da molti altri brevetti.

L’isolante solido, chiamato anche carte isolanti o cartogeni, deriva principalmente dai processi di produzione della carta kraft (vd. definizioni per approfondire). Il risultato è un prodotto che offre sorprendenti proprietà sia dal punto di vista meccanico che elettrico. In questo settore la carta kraft ha trovato una delle sue più importanti applicazioni, in particolare nell’isolamento delle apparecchiature elettriche fino ad altissime tensioni. Nel tempo, grazie all’impiego di specifici additivi, la carta kraft è stata migliorata soprattutto nel suo comportamento in relazione alla temperatura dando origine alle carte TUP (Thermal Upgraded Paper). Sul mercato sono disponibili anche prodotti basati su polimeri sintetici, per esempio il materiale Nomex della Dupont, un composto a base di meta-aramide.

Per quanto riguarda l’isolante liquido, oltre agli oli minerali, ci sono anche gli esteri naturali, gli esteri sintetici, i fluidi siliconici ed in passato anche l’Askarel a base di PCB.

La carta kraft

Le carte isolanti vengono impregnate con olio o altri liquidi isolanti. Al termine del ciclo di impregnazione (tipicamente sotto vuoto, 60-80 °C, e almeno 72 ore) la carta kraft arriva ad impregnarsi di olio fino al 150-180% della sua massa iniziale.
La carta kraft ricopre i conduttori in rame o alluminio, al fine di isolarli elettricamente, ed è quindi esposta a stress di tipo termico, elettrico e meccanico.
La proprietà principale della carta è il DP (IEC 450:1974), grado di polimerizzazione. Questo parametro caratterizza le proprietà del materiale che sono principalmente: resistenza alla trazione, allungamento, resistenza alla flessione, modulo di elasticità, fattore di perdita, resistività specifica. Una tipica carta Kraft nuova ha un DP compreso fra 1000 e 1500.
Durante il ciclo di vita reale del trasformatore il DP decresce progressivamente fino a raggiungere il valore di circa 200 (riduzione dell’80% circa rispetto al nuovo) al quale convenzionalmente corrisponde il termine della vita “termica”. In questa condizione la carta perde le sue proprietà meccaniche, ma non quelle elettriche, che invece rimangono idonee a garantire l’isolamento richiesto.

L’isolamento elettrico può essere considerato il cuore del trasformatore, se viene meno la conseguenza diretta è  il guasto elettrico (metaforicamente come un infarto). In presenza di forti archi elettrici di potenza, il guasto può innescare l’olio isolante, che è combustibile, determinando scoppi e incendi del trasformatore e possibili incidenti rilevanti.

La vita termica delle carte

Semplificando molto potremmo dire che la vita termica degli isolanti solidi (a base di carta Kraft senza specifici additivi anti invecchiamento) è stimata in circa 160.000 ore al carico nominale del trasformatore.
In concreto, per un trasformatore di generazione tipo elevatore (GSU) di una centrale termica, con una disponibilità operativa di 7500 ore/anno ed un profilo di carico medio dell’80%, in assenza di specifiche criticità si stima una vita termica convenzionale di circa 25 anni. Per lo stesso trasformatore, installato però in una centrale idroelettrica, e quindi con un profilo di carico medio del 40% (stagionalità dell’acqua), in assenza di specifiche criticità si stima una vita termica convenzionale di circa 50 anni. I reattori shunt invece, sono dimensionati per operare intensivamente a valori vicini al carico nominale e quindi con una vita termica attesa più bassa.

La vita operativa del trasformatore non dipende solamente dalla vita termica delle carte, ma anche da altri cofattori quali ad esempio i difetti elettrici, che, evolvendo in guasti elettrici, interrompono la disponibilità operativa della macchina. In presenza di questa criticità è necessario valutare anche l’opzione di rimpiazzo del trasformatore; in questo caso è opportuno scegliere una macchina che risponda ai requisiti di ecodesign in particolare in termini di riduzione delle perdite a vuoto e riduzione delle emissioni in termini di CO2 equivalenti. (link alla direttiva)

Il degrado della carta

I processi di degrado termico della carta sono il risultato dell’interazione di 3 meccanismi: idrolisi, ossidazione, pirolisi.
I processi di degrado della carta sono di per sé estremamente complessi, se sommati poi agli effetti del degrado dell’olio (data l’interazione olio-carta) ne derivano meccanismi influenzati da numerosi fattori critici di difficile formalizzazione quantitativa. I fattori critici che determinano l’invecchiamento delle carte isolanti sono la temperatura, l’acqua, l’ossigeno, se il sistema è chiuso o aperto, i cicli termici e la relazione con il profilo di carico del trasformatore.

Sea Marconi ha condotto una serie di sperimentazioni per determinare la relazione fra il degrado della carta e quello dell’olio. Uno di questi test, in conformità alla IEC 62535 (in un vial da 20 ml, con 10 ml di olio, si inserisce un provino in rame di circa 3 g di peso, avvolto con circa 23 g di carta, a 150°C per 72 ore), ha evidenziato una progressiva perdita di peso della carta (fino al 25%) ed una riduzione del DP (fino all’80% rispetto al valore a nuovo e del 60% in meno rispetto rispetto ad un olio inizialmente non acido) all’aumentare dell’acidità dell’olio analizzato (TAN). (vd. grafico sotto).

Perdita peso della carta e diminuzione DP al crescere dell’acidità

I principali prodotti di degrado delle carte isolanti sono: acqua, acidi, CO2, CO, composti furanici, metanolo, etanolo, particelle. Questi composti si amalgamano allo sludge derivante dall’invecchiamento dell’olio formando lo sludge totale.

Clicca qui per accedere alle principali pubblicazioni Sea Marconi sull’argomento

A. De Pablo, R. Andersson, H.J. Knab, B. Pahlavanpour, M. Randoux, E. Serena, V. Tumiatti – “Furanic compounds analysis a tool for diagnostic and maintenance of oil-paper insulation systems” – Proceedings of the CIGRE Conference – Berlin Germany – April 22-27-1993.


V. Tumiatti, S. Levchik, G. Camino “Paper ageing esperiments” CIGRE Task Force 15.01.03 – Lubliana november 1995.


S. Levchik, J. Scheirs, G. Camino, V. Tumiatti – “Study of the origin of furanic compounds in the thermal degradation of cellulosic insulating in electrical transformers” – Polymer degradation and stability 61 (1998) 507-511.


J. Diana, V. Tumiatti, G. Camino – “Diagnostic testing of oil samples and interpretation of results” – Proceeding of the Conference – Power Transformer Maintenance – Faculty of Engineering – University of Pretoria – R.S. Africa, 26-27 may 1998.


V. Tumiatti – “L’analisi dei fluidi tecnici come strumento di diagnosi del degrado per l’efficace prevenzione dei guasti” – Seminario dall’Istituto di Ricerca Internazionale sulla manutenzione produttiva ai sistemi oleodinamici ed alla lubrificazione degli impianti, Milano 25-26 novembre 1998.


J. Scheirs, G. Camino, V. Tumiatti, M. Avidano: “study of mechanism of thermic degradation of cellulosic paper insulation in electrical transformers oil”. Die Angewandte Makromulekalare chemie (1998) 19-24 (Mr 4504).


V. Tumiatti, R. Actis, A. Armandi, G. Di Iorio, G. Camino – “Diagnostic testing of oil samples on electric transformers” – (to be presented for SMI-99 – 3° Convegno internazionale sulla manutenzione di impianti industriali, Bologna 17-20 febbraio 1999).


J. Scheirs, G. Camino, V. Tumiatti, E. Serena, D. Allan, C. Jones, A. Emsley, M. Avidano – “Review of some developments in cellulose insulation condition monitoring” (to be submitted).


S. Kapila, P. Nam, V. Tumiatti, A. Armandi “Evaluation of Analysis Techniques for Finger printing Mineral Transformer Oil” CIGREWG15.01.TF06 – Leatherhead (UK) 13.01.1999.


J. Scheirs, G. Camino, M. Avidano, V. Tumiatti – “Origin of Furanic Compounds in Thermal Degradation of Cellulosic Insulating Paper” – Journal of Applied Polymer Science, Vol. 69 2541-2547 (1998).


M. Pompili, F. Scatiggio, V. Tumiatti. (2009) – “Liquidi isolanti: nuove prospettive ed evoluzione normativa.” U & C. Unificazione e Certificazione, vol. LIV.; p. 41-44, ISSN: 0394-9605


R. Actis, S. Flet – “Water in insulating system of oil-filled electrical equipment De-hydration techniques of power transformers in service on-load treatment” – Proceedings of My Transfo 2008, Turin (IT) December 17-18, 2008 pag. 53