Un’interruzione di corrente può durare ore, giorni, settimane, persino mesi. Indipendentemente dalla durata, si tratta comunque di un’esperienza frustrante e distruttiva. Un blackout può anche essere pericoloso, quando si verifica in condizioni di caldo o freddo estremi. Per garantire la stabilità, la protezione e la sostenibilità finanziaria di una rete elettrica, ABB usa la simulazione multifisica e le app per sviluppare progetti di impianti elettrici ottimizzati, in particolare trasformatori di misura e sensori.
Garantire la protezione della rete di alimentazione con i trasformatori di precisione
I trasformatori di precisione (Instrument Transformers, IT) sono trasformatori specializzati e estremamente accurati che isolano, trasformano o riducono tensioni e correnti elevate per massimizzare la sicurezza e l’usabilità. Gli utilizzi degli IT includono la misurazione, il monitoraggio, la protezione e il controllo dei sistemi di alimentazione. Un IT è costituito da un avvolgimento primario, collegato a un circuito ad alta tensione o ad alta corrente, e da un contatore o relè, che si collega a un circuito secondario a bassa tensione o a bassa corrente.
In ABB, i progetti dei sensori di corrente (Figura 1) sono basati sul principio della bobina Rogowski. Una bobina Rogowski consiste in una bobina avvolta uniformemente con un nucleo non magnetico e la tensione di uscita è proporzionale alla derivata della corrente primaria. I sensori che misurano la tensione in condizioni di media tensione usano divisori di tensione resistivi, mentre i divisori capacitivi, al contrario, sono usati per la misura e l’indicazione della tensione.
L’industria dell’IT e dei sensori (IT&S) ha registrato sviluppi significativi negli ultimi anni. Gli IT tradizionali si basano su una tecnologia standard e sono in circolazione da più di un secolo, per lo più utilizzati in contatori e relè. Sono costituiti da un circuito ferromagnetico e sono in grado di trasferire potenza dalla bobina primaria a quella secondaria, con un’uscita di 1-5 ampere o 120-240 volt.
I dispositivi elettronici intelligenti (Intelligent Electronic Deviced, IED) utilizzano una tecnologia più avanzata e sono in circolazione solo da 20 anni. Invece di materiali ferromagnetici, questi trasformatori sono costituiti da componenti a stato solido. Poiché non sono in grado di trasferire energia dalle bobine primarie a quelle secondarie, hanno un basso output di energia. Questo li rende utili per molte applicazioni in spazi chiusi o all’aperto, come ambienti isolati ad aria e gas, pali di linea e trasformatori montati su linee.
«Gli IED sono più sicuri, più versatili e hanno una risposta lineare per un’ampia gamma di segnali in ingresso», afferma Nirmal Paudel, consulente tecnico R&D di ABB, aggiungendo che sono «compatibili con i dispositivi elettronici di oggi e con il nostro livello di utilizzo».
Considerazioni multiple per la simulazione e la progettazione IT&S
Quando si progetta un IT, è necessario tenere conto della multifisica. In effetti, Paudel definisce “critica” questa possibilità. Un progetto di successo dovrebbe, naturalmente, restituire il riscaldamento resistivo e induttivo, l’accoppiamento induttivo e capacitivo, la saturazione magnetica e la magnetostrizione. Tuttavia, devono essere considerati anche fenomeni come la fluidodinamica, il raffreddamento convettivo, l’espansione termica, i carichi e i circuiti esterni, il rumore e le vibrazioni e l’effetto pelle (Figura 2).
Per tener conto di un’ampia gamma di effetti fisici, ABB utilizza il software COMSOL Multiphysics®. Un esempio è la simulazione dei campi elettrici dell’IT, sia quelli causati da vuoti nella colata epossidica che quelli presenti durante il basic impulse level (BIL). Questi risultati permettono ai ricercatori di verificare l’efficacia degli strati isolanti e dei materiali dielettrici per la protezione del dispositivo.
Il software viene utilizzato anche per eseguire analisi termiche. In un trasformatore di linea, si usa la simulazione per calcolare le perdite del nucleo e le perdite resistive sia nell’avvolgimento primario che in quello secondario della bobina. La modellazione termica viene utilizzata anche per individuare il flusso di calore sui confini esterni dell’IT e il contorno di temperatura fissa sulla piastra di base. Questi risultati mostrano l’aumento e la perdita di temperatura nel progetto, oltre a dare un’idea del processo di indurimento termico e del flusso nello stampo delle epossidiche.
Un terzo esempio è l’analisi strutturale. Il team di ABB calcola il livello di sollecitazione dell’IT per ottimizzare la geometria (ved. Figura 3). Vengono esaminati anche i livelli di deformazioni da sforzo dei dispositivi e dei componenti per ottimizzarli prima della stampa 3D dei prototipi da testare – o, più importante ancora, prima della produzione in serie. La modellazione non è utile solo per vedere in anticipo le prestazioni del dispositivo, ma anche per determinare la sua integrità strutturale.
Risultati molto veloci per fenomeni transitori molto veloci
I fenomeni transitori molto veloci (Very Fast Transient, VFT) sono un fattore importante da considerare nei dispositivi di rete elettrica che comportano la commutazione, come gli interruttori a vuoto. Quando la commutazione provoca un VFT, può sollecitare il sistema di isolamento e causare risonanze interne nell’avvolgimento primario di un trasformatore. La distribuzione della sovratensione transitoria, quando diventa altamente non lineare, provoca guasti interni. Una maggiore incidenza della sovratensione VFT (Very Fast Transient Overvoltage, VFTO) si verifica in prossimità delle fonti di energia rinnovabile, come l’energia eolica, a causa della nuova generazione di reti, dei carichi, delle caratteristiche della linea e dell’aumento della commutazione. La ripidità dei VFTO (cioè la velocità di distribuzione della sovratensione) può arrivare fino a tre MV/microsecondo, molto maggiore rispetto a quella dei fulmini! (Si noti che la ripidità è dannosa per i sistemi di isolamento tanto quanto l’ampiezza).
I tipici approcci progettuali all’IT&S non danno risultati sufficienti per resistere alla VFTO. Questo perché tali progetti richiedono un’approfondita modellazione della distribuzione della tensione ad alta frequenza nell’avvolgimento, per la quale finora non esistevano modelli software. ABB, in collaborazione con la Hochschule für Technik di Rapperswil, ha creato uno strumento per modellare questo comportamento e comprendere la distribuzione della tensione in un IT spira per spira. I risultati? Nuovi metodi di progettazione e un nuovo tipo di isolamento a secco in grado di resistere agli effetti negativi della VFTO.
Progettazione di un trasformatore di corrente split-core per la commutazione sotterranea
Il design di tipo split-core è una caratteristica importante per i trasformatori perché permette di effettuare la manutenzione della rete elettrica senza interruzioni. ABB si è posta l’obiettivo di progettare un trasformatore di corrente split-core (un sensore) che consenta la misurazione di corrente ad alta precisione mentre la commutazione viene effettuata da altri dispositivi e la necessità di commutazione viene valutata da IED sulla base dei segnali del sensore. Il sensore è impermeabile e resistente all’immersione, in modo da poter essere utilizzato nel sottosuolo. (Le linee elettriche sotterranee stanno diventando lo standard del settore perché hanno meno probabilità di essere influenzate da forti venti o da condizioni climatiche avverse, specialmente nelle città).
Questo sensore split-core comporta una serie di sfide di progettazione, tra cui la definizione di forma, dimensione e peso, così come il tipo di avvolgimento, la forma e le dimensioni del nucleo (ved. Figura 4). Inoltre, c’è il rischio di cross-talk della corrente, a seconda della configurazione del dispositivo. Infine, il sensore deve essere conforme agli standard industriali prima di poter essere testato per la produzione e l’uso. «Tutti i tipi di standard IEEE e IEC devono essere soddisfatti prima dei test in laboratorio», spiega Paudel.
Il team di ABB si è rivolto ancora una volta al software per ottimizzare la progettazione del sensore di corrente split-core prima della prototipazione. Paudel lo usa da molto tempo e ne apprezza «la semplicità d’uso, e il fatto che utilizza la stessa interfaccia per ogni fisica ed è facile accoppiare diverse fisiche». Il software COMSOL include impostazioni incorporate per l’implementazione della legge di Maxwell-Ampère e un’interfaccia per risolvere i campi magnetici nel dominio della frequenza (ved. Figura 5).
Utilizzando la simmetria geometrica, il team di ABB deve modellare solo un quarto della bobina, risparmiando tempo, fatica e risorse di calcolo. Una speciale funzione di modellazione della bobina consente al team di impostare la bobina primaria come conduttore solido e la bobina secondaria come bobina omogenea ad avvolgimenti multipli. Una condizione al contorno descrive l’area in cui la componente tangenziale del campo magnetico e della densità di corrente superficiale è pari a zero, come conduttore magnetico perfetto, e i contorni esterni sono impostati come isolanti magnetici. Le caratteristiche del solutore permettono al team di regolare facilmente le impostazioni tra i conduttori solidi e quelli omogeneizzati e dei conduttori solidi rispetto ai fili.
Rapidità di calcolo con le app di simulazione
Un aspetto che richiede molto tempo nella progettazione di IT&S è la conversione tra una curva magnetica non lineare B-H (magnetizzazione DC) e una curva H-B efficace equivalente in AC. ABB ha utilizzato una app dell’Application Library per eseguire questi calcoli. Dopo aver trovato la curva H-B efficace grazie all’app, il team ha usato quel valore per modellare il nucleo magnetico del sensore di corrente split-core. Hanno scoperto che la permeabilità magnetica è quasi lineare in tutto il nucleo a causa della diminuzione della densità del flusso magnetico.
Sulla base di questi risultati, il team ha concluso che si dovrebbe usare una conduttività anisotropa e una permeabilità anisotropa omogenea.
Osservando i risultati della simulazione per il flusso magnetico e la densità di corrente, il team ABB ha scoperto che il livello di flusso per il loro progetto è molto piccolo, ideale per il loro caso, ovvero l’utilizzo a media tensione. Inoltre, il gruppo ha notato qualcosa di interessante: di solito, quando il numero di spire sulla bobina secondaria aumenta, aumenta anche la tensione a vuoto (come nel caso di uno dei loro studi, da 130 a 196 V). Tuttavia, quando il carico è collegato attraverso la bobina, la tensione non sempre aumenta, e a volte addirittura diminuisce.
Una delle analisi finali che ABB ha portato a termine per questo progetto è stata l’analisi del cross-talk trifase per diverse configurazioni, finalizzata alla progettazione di trasformatori di corrente split-core. Hanno scoperto che il cross-talk era diverso a seconda che le bobine secondarie fossero posizionate più vicine o più lontane dai traferri del trasformatore.
Il prodotto finale: progettazione ottimizzata e processi di sviluppo potenziati
L’iterazione di progetto finale di ABB, il sensore split-core resistente all’immersione, ha soddisfatto gli standard stabiliti da IEEE e IEC (ved. Figura 6). Alla domanda sui loro progetti futuri, Paudel afferma che il suo team sta lavorando allo sviluppo di uno strumento per far avanzare l’analisi dei VFTO e dei trasformatori, riducendo le tempistiche del processo di analisi da settimane a giorni. Lo strumento si affiderà principalmente a MATLAB® ma potrebbe offrire un’integrazione con il software COMSOL® tramite il LiveLink™ per il prodotto di interfaccia MATLAB®. I progetti per questo nuovo strumento mostrano che ABB si impegna per l’ottimizzazione del flusso di lavoro e dei processi tanto quanto per i risultati finali. Lavorano duramente per ottimizzare dispositivi che aumentano l’accessibilità alla rete elettrica. Come dice Paudel, quando un dispositivo come un sensore di corrente IT o split-core può sopravvivere in tutte le condizioni, «tutti ne traggono vantaggio».
MATLAB è un marchio registrato di The MathWorks, Inc.
COMSOL Multiphysics è un marchio registrato di COMSOL AB.
