Quando un avvolgimento deve lavorare a temperature elevate, la scelta dell’isolante diventa decisiva per la vita utile della macchina. I materiali cellulosici, pur efficaci in molte applicazioni, hanno limiti termici precisi. Oltre questi limiti servono soluzioni capaci di mantenere stabili le proprietà elettriche e meccaniche anche sotto stress termico prolungato. È qui che entrano in gioco i conduttori ricoperti carta aramidica, una tecnologia diffusa nei trasformatori a secco, nelle reattanze e in tutte le applicazioni in cui temperatura e affidabilità devono andare di pari passo.
In questo articolo vediamo cos’è la carta aramidica, in cosa si differenzia dalla carta Kraft, come si comporta alle alte temperature e quali parametri valutare per scegliere e lavorare correttamente questi conduttori.
Cos’è la carta aramidica nei conduttori elettrici
La carta aramidica è un materiale isolante ottenuto da fibre di poliammide aromatica, una famiglia di polimeri sintetici nota per l’elevata stabilità termica e la resistenza meccanica. A differenza delle carte tradizionali, non deriva dalla cellulosa: è prodotta a partire da fibre e fibridi aramidici che, dopo la formazione del foglio, vengono calandrati ad alta temperatura per ottenere una carta densa, compatta e con superficie regolare.
Nel settore elettrotecnico la carta aramidica è spesso indicata con il nome commerciale Nomex, marchio registrato con cui è diventata nota in tutto il mondo. Per questo nel linguaggio di officina si parla comunemente di conduttori Nomex, anche se il termine corretto in senso tecnico è isolamento aramidico. Tra le diverse tipologie, la Nomex T410 è una delle carte calandrate più usate per la nastratura di conduttori, grazie alla sua combinazione di rigidità dielettrica, resistenza alla trazione e spessore uniforme.
Nei conduttori per avvolgimenti la carta viene tagliata in nastri e applicata a elica su fili tondi o piattine in rame o alluminio, in uno o più strati, con o senza sovrapposizione. Il risultato è un conduttore isolato che resiste in modo continuativo a temperature molto superiori a quelle tollerate dai materiali cellulosici. L.Pi.Emme indica per questa ricopertura la classe termica 180 °C e la norma IEC 60317-53, come riportato nella gamma dei conduttori ricoperti per bassa tensione e trasformatori.
Differenze tra carta Kraft e carta aramidica
Carta Kraft e carta aramidica sono spesso messe a confronto perché entrambe si usano come nastri per isolare conduttori di trasformatori. In realtà rispondono a logiche progettuali molto diverse.
La carta Kraft è un materiale cellulosico che dà il meglio di sé impregnato d’olio: è proprio la combinazione carta-olio a garantirle prestazioni dielettriche elevate. Le sue classi termiche si fermano a 105 °C nella versione standard e a 120 °C in quella termostabilizzata. Oltre questi valori la cellulosa invecchia rapidamente, diventa fragile e perde resistenza meccanica. È quindi la scelta naturale per i trasformatori in olio di distribuzione, dove le temperature restano contenute e il costo del materiale ha un peso importante.
La carta aramidica parte da presupposti opposti. È un polimero sintetico che non ha bisogno dell’olio per garantire buone prestazioni dielettriche; quindi, funziona anche nei trasformatori a secco, dove l’isolante lavora a contatto con l’aria o è inglobato in resine e vernici. Raggiunge classi termiche nettamente superiori, risente meno dell’umidità e mantiene le sue caratteristiche meccaniche anche dopo lunghi periodi in temperatura. Il costo è più alto, ma è giustificato nelle applicazioni in cui la Kraft lavorerebbe oltre i suoi limiti.
Anche la lavorazione cambia. La carta aramidica calandrata è più rigida e meno porosa della Kraft: questo influisce sulla nastratura, sul comportamento in piega e sul modo in cui vernici, resine od oli penetrano nell’avvolgimento. Il confronto non va quindi letto come “materiale migliore” contro “materiale peggiore”, ma come scelta tra due sistemi isolanti pensati per esigenze diverse. Un quadro più ampio dei materiali isolanti per conduttori di trasformatori aiuta a collocare correttamente entrambe le soluzioni.
Resistenza termica e stabilità dell’isolamento
La caratteristica che distingue l’isolamento aramidico è la stabilità alle alte temperature. Le fibre aramidiche non fondono: alle temperature tipiche di esercizio e di sovraccarico delle macchine elettriche restano stabili, e solo a temperature molto più alte tendono a carbonizzare invece che a colare. Inoltre, non alimentano la combustione in condizioni normali, un aspetto importante per la sicurezza delle macchine installate in ambienti chiusi o in luoghi aperti al pubblico.
Ancora più importante, per chi progetta un avvolgimento, è il comportamento nel lungo periodo. Il degrado termico dell’isolamento è un processo cumulativo: ogni ora trascorsa vicino al limite della classe termica consuma una parte della vita utile del materiale. La carta aramidica invecchia molto più lentamente della cellulosa a parità di temperatura e conserva per anni resistenza alla trazione, flessibilità e rigidità dielettrica. Questo si traduce in un margine di sicurezza maggiore nei confronti di sovraccarichi, picchi di temperatura localizzati e condizioni ambientali sfavorevoli.
Un altro aspetto spesso sottovalutato è la stabilità dimensionale. Durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento la carta aramidica non subisce ritiri significativi. L’avvolgimento mantiene quindi la sua compattezza e la pressione tra le spire, riducendo il rischio di allentamenti e vibrazioni nel tempo.
La classe termica di 180 °C indicata da L.Pi.Emme colloca questi conduttori nella stessa fascia di un filo di rame smaltato in classe H, ma con i vantaggi di un isolamento a nastro, che permette di regolare lo spessore in funzione della tensione. Per temperature ancora più alte, il passo successivo sono le ricoperture con nastri poliimidici, che arrivano a 240 °C.
Applicazioni nei trasformatori elettrici
I conduttori per trasformatori ad alta temperatura sono il principale campo di impiego della carta aramidica. Nei trasformatori a secco l’isolamento non può contare sull’olio né per la tenuta dielettrica né per lo smaltimento del calore. Gli avvolgimenti lavorano quindi a temperature più elevate e l’isolante deve garantire da solo l’affidabilità del sistema. In questi casi la carta aramidica è una delle soluzioni di riferimento, da sola o in combinazione con vernici e resine di impregnazione.
L’isolamento aramidico è molto usato anche nei trasformatori per applicazioni gravose. Alcuni esempi sono i trasformatori di trazione, quelli destinati ad ambienti con temperature elevate o con poco spazio per la ventilazione e i trasformatori installati in edifici dove la sicurezza antincendio è una priorità. In tutte queste applicazioni la compattezza ottenibile lavorando a temperature più alte e la resistenza intrinseca del materiale permettono di realizzare macchine più leggere e affidabili.
La carta aramidica non è però esclusiva dei trasformatori a secco. In alcuni trasformatori immersi in liquido isolante, soprattutto quando si usano fluidi alternativi all’olio minerale come gli esteri, si adottano sistemi isolanti ad alta temperatura o ibridi. In questi sistemi i conduttori aramidici si concentrano nelle zone più calde dell’avvolgimento, mentre il resto dell’isolamento resta cellulosico. Questo permette di aumentare la capacità di sovraccarico senza ridisegnare completamente la macchina. Sono soluzioni che si adattano bene anche alle configurazioni con conduttori binati e trinati, dove più conduttori isolati lavorano affiancati per gestire correnti elevate.
Oltre ai trasformatori, L.Pi.Emme indica tra le applicazioni dei conduttori con carta aramidica anche le bobine per reattanze e gli elettromagneti. Sono componenti in cui le correnti elevate e i cicli di lavoro intensi generano un carico termico importante, che i materiali cellulosici faticherebbero a reggere nel tempo.
Vantaggi nei sistemi soggetti a stress termico
Nei sistemi soggetti a stress termico, il primo vantaggio dei conduttori ricoperti carta aramidica è il margine operativo. Una macchina progettata con un isolamento in classe 180 °C sopporta meglio sovraccarichi temporanei, picchi di temperatura localizzati e condizioni di ventilazione non ideali, senza consumare rapidamente la vita utile dell’avvolgimento.
Questo margine si può usare in due modi. Si può mantenere la stessa temperatura di esercizio e ottenere una macchina con una vita utile più lunga e una maggiore tolleranza agli imprevisti. Oppure si possono accettare temperature più alte per ridurre peso, ingombri e quantità di materiale attivo, a parità di potenza. In entrambi i casi il progettista ha più libertà rispetto a un isolamento cellulosico.
C’è poi la resistenza meccanica, che rimane elevata anche dopo l’invecchiamento termico. Negli avvolgimenti sottoposti a sforzi elettrodinamici, vibrazioni o frequenti cicli di accensione e spegnimento, un isolante che non diventa fragile con il tempo riduce il rischio di cedimenti tra le spire, che sono tra le cause più comuni di guasto.
Infine c’è la minore sensibilità all’umidità rispetto alla cellulosa. Nei trasformatori a secco installati in ambienti umidi o soggetti a condensa, la carta aramidica mantiene prestazioni dielettriche più stabili. Questo semplifica la gestione della macchina e riduce il rischio di degrado nei periodi di fermo.
Parametri tecnici da considerare
La scelta di un conduttore con isolamento aramidico parte dalla geometria del conduttore. Fili ricoperti carta aramidica e piattine rispondono a esigenze diverse. I fili tondi sono adatti a sezioni contenute e ad avvolgimenti con molte spire. Le piattine permettono di gestire correnti più elevate con un migliore fattore di riempimento, a patto di curare i raggi degli spigoli, che devono essere controllati e uniformi per non sollecitare il nastro durante la nastratura. Nella gamma L.Pi.Emme le piattine con carta aramidica vanno da 1 a 6 mm di spessore e da 4 a 16 mm di larghezza, mentre i fili hanno diametri da 1 a 6 mm. Le caratteristiche delle diverse sezioni sono approfondite anche nella guida alla piattina in rame isolata per avvolgimenti.
Anche la scelta tra rame e alluminio va valutata sull’intero avvolgimento. Il rame consente sezioni più compatte grazie alla maggiore conducibilità. L’alluminio riduce peso e costo del materiale ma richiede sezioni più grandi e attenzione alle giunzioni, come emerge dal confronto tra piattine in rame e alluminio negli avvolgimenti industriali.
Lo spessore complessivo dell’isolamento dipende dalla tensione tra spire e tra strati e dai margini di sicurezza richiesti. Si ottiene combinando spessore della carta, numero di strati e tipo di nastratura. La ricopertura può essere applicata con o senza sovrapposizione, con nastri avvolti nello stesso senso o incrociati, e può prevedere più nastri, con uno strato finale formato da due nastri interlacciati. Ogni configurazione incide in modo diverso sulla rigidità dielettrica, sulla flessibilità del conduttore, sull’ingombro e sulla resistenza all’abrasione.
L’incremento dimensionale dovuto all’isolamento va considerato fin dalle prime fasi del progetto, perché si somma a ogni spira e determina le dimensioni finali dell’avvolgimento e lo spazio disponibile per i canali di raffreddamento. Infine, la specifica deve indicare la classe termica richiesta e la norma di riferimento, che per questa famiglia di prodotti è la IEC 60317-53, insieme alle eventuali prescrizioni del capitolato del cliente.
Compatibilità con processi di avvolgimento e impregnazione
Un conduttore ben progettato deve anche adattarsi senza problemi al ciclo produttivo del costruttore. La carta aramidica calandrata è più rigida della carta cellulosica e richiede quindi qualche attenzione in fase di avvolgimento. Raggi di curvatura troppo stretti, piegature di costa molto accentuate o tensionamenti eccessivi possono sollecitare il nastro nei punti più critici. Per questo conviene definire insieme al fornitore il tipo di nastratura più adatto alla geometria dell’avvolgimento, valutando se privilegiare la flessibilità o la massima compattezza dell’isolamento.
La superficie liscia e poco porosa della carta aramidica condiziona anche l’impregnazione. Nei trasformatori a secco gli avvolgimenti vengono spesso trattati con vernici o resine, per immersione o con processi sottovuoto e pressione. L’obiettivo è consolidare le spire, migliorare la dissipazione termica ed eliminare i vuoti d’aria in cui potrebbero innescarsi scariche parziali. La compatibilità tra carta, vernice o resina e ciclo di polimerizzazione va verificata in fase di progetto, tenendo conto anche della configurazione della nastratura. Una ricopertura molto sovrapposta e compatta, per esempio, può richiedere tempi di impregnazione diversi rispetto a una nastratura accostata.
Nei sistemi in liquido isolante la carta aramidica è compatibile sia con l’olio minerale sia con i fluidi esteri. La scelta della combinazione va però sempre valutata insieme al resto dell’isolamento e al ciclo di essiccazione previsto.
Quando l’applicazione richiede soluzioni particolari, la carta aramidica può essere combinata con altri materiali, come i nastri in fibra di vetro o i nastri accoppiati, previsti nelle ricoperture speciali realizzate su specifica. Per i motori e i generatori ad alta tensione, dove la resistenza alle scariche parziali diventa il requisito principale, si passa invece a sistemi diversi, come i conduttori ricoperti con nastri micati.
Conduttori con carta aramidica L.Pi.Emme
L.Pi.Emme lavora da oltre 25 anni nel settore dei conduttori per avvolgimenti elettrici. Dal 2016 affianca alla distribuzione e produzione di conduttori smaltati la realizzazione interna di conduttori ricoperti con nastri isolanti, con un sistema qualità certificato ISO 9001. Nel tempo l’azienda ha ampliato i propri impianti per coprire geometrie e configurazioni di nastratura sempre più diverse, e mette a disposizione dei clienti macchine di laboratorio per lo sviluppo di progetti di isolamento speciali, come racconta la pagina Chi siamo.
I conduttori ricoperti con carta aramidica L.Pi.Emme hanno 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 a 6 mm;
- isolamento in carta Nomex T410 o carta aramidica;
- classe termica 180 °C;
- norma di riferimento IEC 60317-53;
- ricopertura con o senza sovrapposizione, incrociata o no, anche con più nastri e strato finale a due nastri interlacciati;
- applicazioni in trasformatori elettrici, bobine per reattanze ed elettromagneti.
Nella stessa gamma l’azienda offre anche ricoperture in carta Kraft per trasformatori in olio, in poliestere e in poliimide. In questo modo il progettista può confrontare soluzioni diverse con un unico interlocutore e scegliere l’isolamento più adatto tra i conduttori per avvolgimenti elettrici disponibili.
Stai valutando la carta aramidica per il tuo prossimo avvolgimento? La scelta dell’isolamento giusto dipende dalla temperatura di esercizio, dalla tensione in gioco e dall’applicazione finale, oltre che dal processo produttivo con cui verrà realizzata la macchina. Contatta L.Pi.Emme per analizzare insieme le specifiche del tuo progetto e capire se la carta aramidica è la soluzione più adatta, definendo sezione, numero di strati e configurazione della ricopertura.
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