Correnti di Inrush e Risonanza Armonica nei Trasformatori
Analisi tecnica delle correnti di inrush nei trasformatori e rischi di risonanza armonica secondo la norma IEEE C57.110.
Dinamica Elettromagnetica della Corrente di Inrush
L'eccitazione di un trasformatore di potenza induce un transitorio elettromagnetico complesso governato dalla saturazione non lineare del nucleo magnetico. In condizioni di regime, il flusso magnetico è sfasato di 90 gradi rispetto alla tensione applicata. Tuttavia, quando l'interruttore si chiude in un istante casuale, il flusso deve partire dal suo valore residuo precedente, Φr, per soddisfare la legge di Faraday. Se la chiusura avviene sullo zero della tensione, il flusso totale richiesto raggiunge teoricamente:
Questo valore supera ampiamente il punto di saturazione del lamierino magnetico al silicio a grani orientati (tipicamente tra 1.7 e 1.8 Tesla). Entrando in saturazione profonda, l'induttanza magnetizzante dell'avvolgimento, Lm, si riduce drasticamente, approssimandosi all'induttanza di dispersione in aria. Di conseguenza, l'impedenza dell'avvolgimento crolla e la corrente di inserzione (inrush) sale esponenzialmente, presentando un'onda fortemente asimmetrica ad alto contenuto armonico.
Spettro Armonico e Rischi di Risonanza
La corrente di inrush non è sinusoidale. L'analisi di Fourier mostra una distorsione armonica totale (THD) elevatissima, dove la seconda armonica (100 Hz nei sistemi a 50 Hz) è la componente dominante, rappresentando dal 20% al 60% della fondamentale. La terza armonica è altrettanto significativa, insieme a componenti in corrente continua (DC) che provocano la magnetizzazione unidirezionale del nucleo.
Quando queste correnti armoniche circolano nella rete, interagiscono con le capacità equivalenti dei cavi di potenza e dei banchi di condensatori. Se la frequenza di risonanza naturale del sistema coincide con una delle armoniche iniettate, si verifica una risonanza armonica parallela. Ciò causa sovratensioni transitorie severe che possono danneggiare gli scaricatori e causare scatti intempestivi delle protezioni differenziali (ANSI 87T).
Mitigazione e Calcoli Tecnici con Vexten
Per mitigare l'inrush si utilizzano controllori di chiusura in fase (Point-on-Wave) e resistenze di preinserzione. La suite di ingegneria Vexten permette di calcolare con precisione la portata dei cavi (ampacity) soggetti a distorsione armonica secondo la norma IEC 60287 e di determinare il fattore K tramite il modulo Trasformatori (IEEE C57.110), garantendo un funzionamento sicuro entro i limiti termici.