Nei trasformatori immersi in olio l’isolamento degli avvolgimenti è uno degli elementi che più incidono sull’affidabilità, sulla durata e sulla sicurezza della macchina. Tra le soluzioni disponibili, i conduttori ricoperti carta Kraft sono ancora oggi uno standard di riferimento. La cellulosa, impregnata d’olio, forma con il fluido dielettrico un sistema isolante collaudato, economico e adatto a molte taglie e tipologie di trasformatore.
In questa guida vediamo come sono fatti questi conduttori, perché la carta Kraft è così diffusa nei trasformatori, quali differenze ci sono tra fili e piattine e quali parametri valutare per scegliere la configurazione giusta senza commettere errori in fase di progettazione.
Cosa sono i conduttori ricoperti con carta Kraft
Un conduttore ricoperto con carta Kraft è un filo o una piattina in rame o alluminio isolato con uno o più nastri di carta di pura cellulosa avvolti a elica sulla superficie del metallo. È una tecnologia diversa da quella dei conduttori smaltati, in cui l’isolamento è un sottile film di vernice polimerizzata. Qui l’isolante è un nastro applicato meccanicamente, e il suo spessore complessivo è il risultato di tre variabili: lo spessore e la larghezza della carta, il numero di strati applicati e il modo in cui ogni giro di nastro si sovrappone al precedente o lo affianca.
La carta Kraft per uso elettrico è prodotta da cellulosa di conifera con processo al solfato. Ha fibre lunghe, buona resistenza meccanica e un’elevata purezza chimica. In ambito elettrotecnico se ne usano diverse varianti. La Kraft standard è la soluzione tradizionale per gli avvolgimenti in olio. La Kraft termostabilizzata, o Thermally Upgraded (TU), è trattata chimicamente per rallentare l’invecchiamento termico della cellulosa e sopportare temperature di esercizio più alte. La carta crespata calandrata (HDC) ha una struttura che le dà maggiore allungamento e la rende più adatta a seguire curve, pieghe e spigoli dell’avvolgimento.
Per questa famiglia di prodotti L.Pi.Emme indica come riferimento la norma IEC 60317-27 e classi termiche di 105 °C o 120 °C a seconda del tipo di carta, come riportato nella gamma dei conduttori ricoperti per bassa tensione e trasformatori.
Perché la carta Kraft viene usata nei trasformatori
L’isolamento carta Kraft nei trasformatori ha una storia lunga, e le ragioni sono tecniche prima ancora che economiche. La carta da sola, all’aria, ha prestazioni dielettriche modeste. Una volta essiccata sotto vuoto e impregnata d’olio, invece, i suoi pori si riempiono di fluido isolante e il sistema carta-olio raggiunge una rigidità dielettrica molto superiore a quella dei due materiali presi singolarmente. È questa sinergia a rendere la Kraft adatta in modo naturale ai trasformatori in bagno d’olio.
A questo si aggiunge la struttura fibrosa e porosa della cellulosa, che assorbe l’olio in modo uniforme e riduce la presenza di vuoti, cioè i punti in cui tendono a innescarsi le scariche parziali. Le fibre lunghe danno alla carta una buona resistenza alla trazione e alla lacerazione, utile durante la nastratura e l’avvolgimento ma anche in esercizio, quando le correnti di cortocircuito generano sforzi elettrodinamici sugli avvolgimenti. La cellulosa di qualità elettrica, inoltre, non rilascia sostanze che contaminano l’olio, e questo mantiene stabili nel tempo le proprietà del fluido isolante.
Infine, c’è il costo: rispetto a carte aramidiche o film sintetici, la Kraft costa poco e ha una filiera consolidata. Resta quindi la scelta più razionale finché le temperature di esercizio rientrano nelle sue classi termiche.
Il suo limite principale è l’invecchiamento termico, accelerato da temperatura, umidità e ossigeno. Le carte termostabilizzate sono nate proprio per spostare in avanti questo limite. Quando le temperature salgono ancora, il progettista deve orientarsi su altri materiali isolanti per conduttori di trasformatori, scelti in base alla classe termica e al tipo di macchina.
Conduttori per trasformatori in olio
I conduttori per trasformatori in olio lavorano in condizioni molto diverse da quelli per macchine a secco. L’isolamento non deve solo separare elettricamente le spire: deve integrarsi con un fluido che fa insieme da dielettrico e da mezzo di raffreddamento.
Il primo requisito riguarda la fase produttiva. Prima dell’impregnazione, l’avvolgimento passa per un ciclo di essiccazione, in genere sottovuoto e in temperatura, che deve togliere l’umidità dalla cellulosa. Una carta omogenea e applicata in modo regolare rende il processo più efficace. Subito dopo, l’olio deve penetrare attraverso tutti gli strati fino al metallo. Per questo numero di strati, tipo di sovrapposizione e compattezza della nastratura incidono direttamente su tempi e qualità dell’impregnazione.
Una volta in servizio, la ricopertura deve restare stabile dal punto di vista dimensionale, senza ritiri o rigonfiamenti che alterino la geometria dell’avvolgimento e i canali di raffreddamento. Deve anche conservare resistenza meccanica e proprietà dielettriche per tutta la vita del trasformatore, che può superare diversi decenni.
La scelta tra Kraft standard e Kraft TU dipende soprattutto dal regime termico previsto. Quando il progetto spinge in alto le temperature del punto caldo, per esempio per ridurre ingombri e costi o per sostenere sovraccarichi, la carta termostabilizzata offre un margine maggiore contro l’invecchiamento. Lo stesso ragionamento vale per gli avvolgimenti che gestiscono correnti elevate con più conduttori isolati affiancati: i conduttori binati e trinati, molto diffusi nei trasformatori in olio, usano spesso proprio la carta Kraft come isolamento.
Fili e piattine ricoperti: differenze progettuali
La carta Kraft si applica sia su conduttori a sezione circolare sia su conduttori a sezione rettangolare. La scelta tra filo ricoperto carta Kraft e piattine ricoperte carta però non è indifferente e dipende da corrente, geometria e processo di avvolgimento.
Il filo tondo è indicato per sezioni contenute e per avvolgimenti in cui servono flessibilità e semplicità di lavorazione, come gli avvolgimenti di alta tensione dei trasformatori di distribuzione o le bobine con molte spire. La sezione circolare distribuisce le sollecitazioni sul nastro in modo uniforme e non ha spigoli. Il rovescio della medaglia è un fattore di riempimento più basso, perché tra spire tonde restano inevitabilmente spazi vuoti.
La piattina è invece la scelta tipica quando le correnti sono elevate, come negli avvolgimenti di bassa tensione. La sezione rettangolare sfrutta meglio lo spazio disponibile e permette avvolgimenti più compatti. Chiede però più attenzione nella definizione degli spigoli: i raggi devono essere controllati e uniformi, perché è lì che il nastro subisce le sollecitazioni maggiori durante la nastratura e l’avvolgimento. Anche il rapporto tra larghezza e spessore ha il suo peso, perché influisce sulla stabilità della piattina quando si avvolge di piatto o di costa e sul suo comportamento sotto gli sforzi di cortocircuito.
C’è poi la scelta del metallo. Il rame, a parità di prestazioni, permette sezioni più compatte grazie alla maggiore conducibilità. L’alluminio riduce il peso e il costo del materiale, ma richiede sezioni maggiori e particolare cura nelle giunzioni. Il confronto, come si vede nelle applicazioni delle piattine in rame e alluminio, va fatto sul componente finito e non solo sul prezzo del materiale.
Che si tratti di filo o di piattina, il progettista deve sempre tenere conto dell’incremento dimensionale dovuto all’isolamento. Lo spessore della carta moltiplicato per il numero di strati si somma a ogni spira e incide sulle dimensioni complessive dell’avvolgimento.
Vantaggi dell’isolamento in carta Kraft
Il primo vantaggio della carta Kraft è la qualità del sistema isolante che forma con l’olio. Una volta impregnata, offre prestazioni dielettriche elevate e un’affidabilità confermata da una lunga esperienza d’uso nei trasformatori di ogni taglia. Unisce a questo una buona resistenza meccanica, che protegge l’avvolgimento sia durante la produzione sia nelle sollecitazioni dell’esercizio.
È anche un isolamento molto flessibile dal punto di vista progettuale. Regolando il tipo di carta, il numero di strati e la configurazione della nastratura, si può calibrare lo spessore isolante sulle reali esigenze di tensione e ingombro, senza sovradimensionare. Le varianti standard, TU e HDC permettono poi di adattare il comportamento termico e meccanico al singolo progetto. Lo stesso vale per la geometria: la carta si applica bene su rame e alluminio, su fili e su piattine.
A tutto questo si aggiunge un costo contenuto rispetto a materiali sintetici o aramidici, che rende la Kraft particolarmente competitiva nei trasformatori di distribuzione prodotti in serie.
Va però detto che non è una soluzione universale. Nei trasformatori a secco e nelle macchine con classi termiche superiori si usano altri materiali, come la carta aramidica, il poliestere o le ricoperture poliimidiche per alte temperature, che però hanno costi e logiche progettuali diverse.
Parametri da valutare nella scelta
Definire correttamente un conduttore ricoperto con carta Kraft significa considerare insieme aspetti elettrici, termici, meccanici e di processo.
Si parte dal conduttore: materiale, diametro del filo oppure spessore e larghezza della piattina, da dimensionare in base a corrente, densità di corrente ammessa e perdite. Le piattine ricoperte L.Pi.Emme coprono spessori da 1 a 6 mm e larghezze da 4 a 16 mm, mentre i fili partono da 1 mm di diametro.
Il secondo passaggio riguarda il comportamento termico. La scelta tra Kraft standard, in classe 105 °C, e Kraft TU, in classe 120 °C, va fatta sul profilo termico reale del trasformatore, guardando alla temperatura del punto caldo e non solo a quella media dell’avvolgimento.
Lo spessore totale dell’isolamento si ricava dalla tensione tra spire e tra strati e dai margini di sicurezza richiesti, combinando spessore della carta e numero di strati. Altrettanto importante è la configurazione della nastratura: sovrapposta, accostata, a strati sfalsati o incrociati. Ognuna di queste soluzioni incide in modo diverso su tenuta dielettrica, flessibilità, impregnabilità e ingombro.
Le dimensioni finali del conduttore isolato, con le relative tolleranze, devono poi essere compatibili con lo spazio in finestra e con i canali di raffreddamento. Vanno anche valutate le condizioni di lavorazione: raggi di curvatura, avvolgimento di piatto o di costa, trasposizioni e tutti i punti in cui la carta è più sollecitata, dove una carta crespata può dare un margine aggiuntivo.
Infine, bisogna verificare che il sistema isolante sia compatibile con il ciclo di essiccazione e impregnazione del costruttore e con il fluido scelto, e definire in fase d’ordine la conformità alla norma di riferimento, per questa famiglia di prodotti, la IEC 60317-27, e alle specifiche del capitolato.
Errori da evitare in fase di progettazione
Anche con un buon materiale, alcune scelte sbagliate possono compromettere il risultato finale.
L’errore più frequente è sottovalutare l’incremento dimensionale. Calcolare l’avvolgimento sulle dimensioni del metallo nudo, o con una stima approssimativa dello spessore della carta, porta ad avvolgimenti che non entrano nello spazio previsto o che riducono i canali di raffreddamento, con effetti diretti sulle temperature di esercizio.
Un secondo errore riguarda la scelta della carta. Usare Kraft standard dove il profilo termico richiederebbe una carta termostabilizzata permette di risparmiare sul materiale, ma accelera l’invecchiamento della cellulosa e accorcia la vita utile del trasformatore. Allo stesso modo, usare la Kraft fuori dal suo campo di impiego naturale, come nei trasformatori a secco o nelle applicazioni ad alta temperatura, significa rinunciare proprio alla sinergia con l’olio che ne giustifica l’uso.
Nelle piattine merita attenzione la geometria degli spigoli. Raggi troppo piccoli o irregolari possono incidere la carta durante la nastratura e l’avvolgimento, creando punti deboli che spesso emergono solo in fase di collaudo, quando correggerli costa molto di più.
Anche il numero di strati va ragionato. Aggiungere carta non migliora automaticamente l’isolamento: una nastratura troppo spessa o troppo compatta può rallentare l’essiccazione e ostacolare l’impregnazione, con il rischio di lasciare umidità o vuoti all’interno dell’avvolgimento.
C’è poi un aspetto organizzativo spesso trascurato: la specifica. Tipo di carta, numero di strati, sovrapposizione, tolleranze e norma di riferimento vanno concordati con il fornitore prima della produzione, non ricavati da forniture precedenti o da indicazioni generiche.
Infine, la cellulosa è igroscopica. Conservare i conduttori ricoperti in ambienti umidi o per periodi lunghi senza protezione rende l’essiccazione più lunga e meno efficace, e può compromettere le prestazioni dell’isolamento ancora prima dell’avvolgimento.
Conduttori ricoperti carta Kraft L.Pi.Emme
L.Pi.Emme lavora da oltre 25 anni nel settore dei conduttori per avvolgimenti elettrici. Dal 2016 affianca alla storica attività sui conduttori smaltati la produzione interna di conduttori ricoperti con nastri isolanti, con un sistema qualità certificato ISO 9001.
Per i trasformatori e le bobine in bagno d’olio, L.Pi.Emme realizza conduttori ricoperti carta Kraft con queste caratteristiche:
- conduttore in rame o alluminio;
- piattine con spessore da 1 a 6 mm e larghezza da 4 a 16 mm, fili da 1 mm;
- carta Kraft standard, Thermally Upgraded (TU) e crespata calandrata (HDC), in pura cellulosa, in versione standard o termostabilizzata;
- classe termica 105 °C o 120 °C;
- norma di riferimento IEC 60317-27;
- carte di spessori e larghezze diverse, con numero di strati e configurazioni definiti in base alle esigenze del costruttore del trasformatore.
Quando il progetto richiede prestazioni diverse da quelle della carta Kraft, la stessa gamma comprende ricoperture in carta aramidica, poliestere e poliimide. A queste si aggiungono ricoperture speciali e conduttori nudi realizzati su specifica del cliente, all’interno di un’offerta di conduttori per avvolgimenti elettrici pensata per l’industria elettromeccanica.
Ti serve un conduttore ricoperto in carta Kraft per il tuo prossimo trasformatore? Ogni progetto ha i suoi vincoli di corrente, tensione, temperatura e spazio. Per questo è importante definire con precisione sezione del conduttore, tipo di carta, numero di strati e configurazione della ricopertura. Richiedi una valutazione tecnica a L.Pi.Emme: analizzeremo insieme le specifiche del tuo avvolgimento per individuare la soluzione più adatta all’applicazione.
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