Sintesi:
L'analisi dei gas disciolti (DGA) ha fatto molta strada negli ultimi anni. Per garantire la coerenza dei risultati occorre seguire diversi metodi e procedure. La DGA aiuta il settore perché mette i laboratori in condizione di verificare i propri metodi e di garantire risultati, risultati sui quali si può contare.
L'analisi dei gas disciolti (DGA) è da più di 30 anni uno standard del settore per rilevare e individuare i guasti nei trasformatori. Sviluppata alla fine degli anni Sessanta, la DGA è riconosciuta in tutto il mondo come lo strumento principale per prevenire i guasti catastrofici nei trasformatori di potenza. Prelevare un campione di olio è soltanto il primo passo del processo di valutazione dello stato di funzionamento di queste apparecchiature di grandi dimensioni. Nei grandi trasformatori l'olio svolge la funzione di refrigerante e di isolante. Si potrebbe definire il sangue del trasformatore. Come un medico esegue un esame del sangue per stabilire lo stato di salute di una persona, l'ingegnere che si occupa di DGA dispone dei mezzi per stabilire lo stato di salute dei trasformatori. Una domanda continua a ripresentarsi: l'analisi viene eseguita, ma i risultati sono validi?
L'analisi dei gas disciolti è accettata come standard del settore per individuare i guasti incipienti nei trasformatori. Purché il metodo venga seguito correttamente, i risultati ottenuti devono fornire le informazioni necessarie per prendere una decisione informata sullo stato di funzionamento di un trasformatore. Le apparecchiature necessarie per eseguire il monitoraggio DGA sono però oggi molto più economiche e più semplici da utilizzare, e un numero crescente di laboratori ha iniziato a offrire questo servizio. È un fatto positivo per il settore, ma allo stesso tempo può risultare dannoso, perché i risultati di questi nuovi laboratori possono non offrire la stessa affidabilità di quelli dei laboratori di lunga esperienza.
Esistono tre standard DGA accettati, oltre a uno nuovo che negli ultimi anni ha ottenuto molto riconoscimento. Tutti e quattro i metodi richiedono un campione di olio. Il campione viene trattato in modo da rimuovere o estrarre i gas che contiene. I gas vengono separati mediante un gascromatografo (GC). Il GC è uno strumento di analisi preciso, composto da un forno, da un certo numero di colonne e da uno, due o tre rivelatori. Il gas estratto dai campioni viene iniettato nel GC, dove le colonne separano i gas. Le colonne sono mantenute a temperatura costante nel forno, il che favorisce la separazione dei gas. Quando i gas separati escono dalle colonne, entrano nel flusso del rivelatore, che è in grado di quantificarli. Il GC è facile da tarare, una volta fissate la temperatura del forno, i flussi del gas di trasporto e la sensibilità del rivelatore. L'analisi DGA comprende un altro passaggio, l'estrazione dei gas. È la parte dell'analisi in cui possono verificarsi più errori e per la quale è necessario uno standard di taratura.
Sviluppato alla fine degli anni Sessanta, il metodo di estrazione sottovuoto è stato il primo standard ASTM accettato per l'analisi dei gas disciolti nell'olio, la DGA. In sostanza estrae i gas dall'olio. Introducendo l'olio nel vuoto, i gas in esso disciolti si liberano e possono essere raccolti e poi iniettati in un GC. Questo metodo presenta alcuni problemi: il primo è il sistema di alto vuoto, il secondo è il mercurio impiegato. Grazie all'efficienza del processo di estrazione serve solo una piccola quantità di campione: in questo caso è sufficiente una siringa da 30 cc di olio. Una volta esposto l'olio al vuoto, i gas che si liberano vengono isolati. Utilizzando il mercurio come pistone, i gas vengono compressi e portati a pressione atmosferica. Possono quindi essere iniettati in un gascromatografo. Finché l'apparato funziona correttamente si tratta di un sistema sicuro. Come si è detto, però, insieme all'alto vuoto rappresenta un motivo di attenzione e il sistema va maneggiato con cura. Il mercurio può mettere a disagio molte persone, ma è completamente isolato e il tecnico non deve preoccuparsi di entrare in contatto con esso. Si trova inoltre allo stato elementare e quindi è molto più sicuro da trattare.
Una nota sui campioni prima di procedere: l'analisi può essere buona solo quanto il campione ottenuto. Occorre seguire procedure di campionamento adeguate. Prelevare un campione di olio da un trasformatore può essere un'operazione semplice, ma bisogna sempre accertarsi che la valvola di scarico sia stata spurgata correttamente. Si tratta di una zona di olio stagnante che non partecipa alla circolazione dell'olio nel trasformatore. Occorre far scorrere attraverso la valvola una quantità di olio sufficiente a rimuovere l'olio stagnante. Se la valvola si trova nella parte inferiore del trasformatore può esservi una grande quantità di sedimenti o di acqua libera. Anche in questo caso, bisogna accertarsi che la valvola sia spurgata correttamente. Anche i contenitori del campione devono essere risciacquati, e lo si può fare con l'olio che viene scaricato dal trasformatore. Una volta spurgata la valvola di scarico, si utilizza un poco di olio del trasformatore per risciacquare i contenitori. In Canada e negli Stati Uniti il contenitore preferito è la siringa di vetro: è comoda da usare e si trasporta facilmente.
The Stripping Method (il metodo di separazione) è stato accettato dall'ASTM negli anni Novanta. Questo metodo evita l'impiego di apparati di degasaggio ad alto vuoto e di mercurio. I campioni di olio vengono iniettati direttamente nello strumento, dove un flusso di azoto entra in contatto con l'olio. L'azoto spinge fuori gli altri gas, che entrano nel flusso diretto al gascromatografo. Sembra un metodo molto più semplice da seguire, ma presenta anch'esso problemi: uno è l'efficienza dell'estrazione, l'altro è che la macchina è molto più complessa.
Per accertarsi che funzioni correttamente occorre utilizzare uno standard di olio che garantisca la migliore efficienza di estrazione possibile. Per tarare il gascromatografo si deve utilizzare un gas di taratura.
L'Headspace è stato accettato di recente dallo standard ASTM come metodo per determinare il gas disciolto nell'olio dei trasformatori. Come per The Stripping Method (il metodo di separazione), non serve un sistema di alto vuoto.
I campioni di olio ottenuti vengono posti in fiale, che prima vengono lavate con argon. Una volta introdotto l'olio nelle fiale, sopra l'olio si mantiene un cuscino di argon. I volumi di olio e di gas devono essere mantenuti esatti. Le fiale vengono agitate per un certo tempo, così che il gas disciolto nell'olio possa liberarsi nel cuscino di gas. Questo cuscino di gas, ossia l'Headspace, viene poi introdotto nel gascromatografo, dove si esegue l'analisi dei gas disciolti. I problemi intrinseci di questo metodo sono che il volume di olio deve essere preciso, che la temperatura del bagno di agitazione va mantenuta al valore ottimale e che la pressione deve rimanere costante.
Per essere completamente certi dei risultati occorre far passare nello strumento uno standard di olio che garantisca l'efficienza di estrazione, esattamente come nel metodo di separazione. Il metodo Shake Test ® è un metodo nuovo, non ancora accettato dall'ASTM, ma i cui principi sono simili a quelli dell'Headspace. I campioni di olio si ottengono con una siringa Shake Test ®. Il campione di olio è più grande che negli altri metodi, ma l'apparecchiatura necessaria per eseguire l'analisi è molto più semplice da usare. La siringa Shake Test ® è una siringa da 100 cc. Per estrarre i gas il tecnico miscela l'olio nella siringa con una quantità fissa di aria priva di CO2. L'operazione richiede circa un minuto. La siringa viene poi collegata a un GC portatile, dove si esegue l'analisi dei gas.
Questo metodo consente di portare il laboratorio sul campo in caso di emergenza, perché serve soltanto il GC, che è portatile, un computer portatile e la siringa. L'analisi completa si può eseguire in loco in meno di cinque minuti. Per estrarre i gas bastano le siringhe appositamente progettate e tarate. Il gas di taratura fornito con lo strumento è formulato per tarare il GC e i livelli di taratura dei gas che contiene sono studiati per funzionare specificamente con queste siringhe. Se il tecnico segue la procedura Shake Test ®, uno standard di olio non è necessario. Per avere la certezza assoluta, tuttavia, uno standard di olio confermerà questo metodo come conferma gli altri.
Sviluppato nei nostri laboratori di Morgan Schaffer, lo standard di olio True North è oggi disponibile per aiutare i laboratori a tarare le proprie apparecchiature. Può essere utilizzato anche dai proprietari dei trasformatori per accertarsi che il loro laboratorio esegua correttamente l'analisi DGA. La necessità di uno standard di olio è emersa quando alcuni nostri clienti hanno inviato a laboratori diversi campioni di olio prelevati nello stesso momento dai loro trasformatori. I risultati sono stati messi in dubbio, perché non coincidevano e non rientravano nemmeno nel livello di variazione previsto. Ogni pochi anni l'ASTM inviava un confronto interlaboratorio (round robin) a molti dei principali laboratori del Nord America, spedendo loro campioni degli standard di olio che aveva prodotto. Una volta ricevuti i risultati, si è visto che serviva uno sforzo ancora maggiore per garantire che i laboratori seguissero metodi e procedure di taratura adeguati. Una delle chiavi per sbloccare il problema è stata rendere disponibile al settore uno standard di olio DGA certificato.
True North è stato un progetto che ha richiesto due anni. L'obiettivo era creare uno standard stabile, facilmente trasportabile in tutto il mondo ed economico: non soltanto da produrre, ma abbastanza conveniente perché i laboratori potessero utilizzarlo ogni giorno o ogni settimana. Il primo ostacolo era il modo di produrre lo standard. Ottenere quantità note dei diversi gas di guasto da disciogliere nell'olio non è stato semplice. Morgan Schaffer è partita dal Voltesso 35 nuovo, uno degli oli isolanti per trasformatori più diffusi in Canada. Con un apparato di degasaggio progettato appositamente è stato estratto dall'olio praticamente tutto il gas. La parte difficile è stata far entrare il gas nell'olio. L'olio è stato poi collocato in contenitori che permettevano l'espansione e la contrazione, e questo ha consentito al gas di entrare nell'olio a pressione atmosferica. È noto che l'olio dei trasformatori genera o perde parte del gas di guasto quando è esposto alla luce ultravioletta. I contenitori dovevano quindi essere tenuti al riparo dalla luce mentre l'olio assorbiva il gas, e anche durante lo stoccaggio. Lo stoccaggio era un altro problema: se durante la conservazione lo standard diventava instabile e i livelli di gas nell'olio cambiavano a causa di reazioni, il risultato sarebbe stato naturalmente inaccettabile. Si è constatato che a un livello di 100 ppm nell'olio lo standard non rimaneva stabile per un periodo di mesi. Per consegnare True North ai nostri clienti bastava trasferire l'olio in siringhe e trasportarlo così. Per garantire i risultati dello standard, l'olio deve essere analizzato entro quattro settimane dal ricevimento.
True North è stato inviato a diversi laboratori in Canada. I laboratori che hanno partecipato eseguivano l'analisi DGA in conformità allo standard accettato ASTM D-3612. Questi laboratori seguivano uno dei tre metodi: estrazione sottovuoto, metodo di separazione e headspace. I risultati ottenuti non sono stati molto rassicuranti. In alcuni casi è stata restituita una variazione rispetto ai risultati previsti superiore al 90 %. Ciò ha dimostrato che le procedure non venivano seguite e che le tarature non venivano eseguite correttamente. La taratura del gascromatografo è una procedura semplice, ma poiché l'estrazione del gas dall'olio è il primo passaggio dell'analisi, va eseguita anche una verifica dell'estrazione. È qui che True North aiuterà i laboratori a uniformare le proprie apparecchiature, con un beneficio per l'intero settore. I risultati di un'analisi dei gas disciolti servono a prendere decisioni importanti e costose. Se i risultati non sono affidabili, si potrebbero prendere — e si prenderanno — decisioni sbagliate e costose.
L'ultimo progresso nella rilevazione dei guasti nei trasformatori è lo sviluppo di sistemi in linea che ne controllano continuamente l'insorgere di guasti incipienti. Il monitor di idrogeno Calisto è progettato per monitorare in continuo la generazione di idrogeno e di acqua nei trasformatori. L'idrogeno si sviluppa in tutti i guasti dei trasformatori ed è un gas chiave, utilizzabile per segnalare i difetti in via di sviluppo. L'acqua danneggia l'isolamento solido dei trasformatori e va mantenuta al minimo. Il monitoraggio di questi due componenti aggiunge un ulteriore livello di garanzia sul funzionamento dell'apparecchiatura. Una proprietà comoda del Calisto è che non richiede taratura. Non serve quindi uno standard True North. Altri sistemi in linea richiedono invece la taratura. La tecnologia a celle a combustibile è utilizzata da molti anni, ma continua a richiedere una taratura in campo. L'unità di trattamento in servizio del trasformatore (transformer nursing unit) e il GC in linea per trasformatori sono gli sviluppi più recenti e offriranno una DGA completa per i trasformatori dubbi. Queste apparecchiature di monitoraggio dei trasformatori sono però molto costose e si utilizzano solo sulle unità più critiche. Tali dispositivi richiedono comunque una taratura continua, e uno standard di olio sarebbe utile per garantirne il funzionamento. In conclusione, l'analisi dei gas disciolti ha fatto molta strada negli ultimi anni. Per garantire la coerenza dei risultati occorre seguire diversi metodi e procedure. Lo standard DGA True North aiuterà il settore perché metterà i laboratori in condizione di verificare i propri metodi e di garantire risultati affidabili.