Sintesi:
Analisi dei gas disciolti, previsione, purificazione e sostituzione I sistemi elettrici e i trasformatori sono apparecchiature essenziali: la loro affidabilità e la sicurezza di funzionamento sono quindi importanti per determinarne le condizioni di esercizio, e il settore ricorre a prove di controllo qualità nella progettazione dei trasformatori in olio. Per questo l'impiego di tester di rigidità dielettrica o spinterometri è fondamentale. L'effetto dell'invecchiamento sulle proprietà dell'olio per trasformatori (fisiche, chimiche ed elettriche) è stato studiato con i metodi internazionali di analisi per la valutazione della qualità dell'olio dei trasformatori. Lo studio è stato condotto su sei trasformatori in servizio, con periodi di monitoraggio superiori a vent'anni. Sono state individuate le proprietà fortemente dipendenti dal tempo e sono state definite quelle che incidono maggiormente sull'acidità dell'olio del trasformatore, sulla tensione di rottura e sull'analisi dei gas disciolti. Sono state esaminate diverse prove sull'olio dei trasformatori per stabilire il momento della purificazione o della sostituzione e, inoltre, per prevedere le caratteristiche nelle diverse condizioni di esercizio.
I. Introduzione
I trasformatori di potenza sono apparecchiature molto importanti e di costo elevato, impiegate nella trasmissione e nella distribuzione dell'energia elettrica. Il loro rendimento ottimale è importante per i sistemi elettrici di esercizio, perché la perdita di un'unità critica può avere un forte impatto sulla sicurezza, sull'affidabilità e sul costo della fornitura di energia elettrica. I trasformatori di potenza servono a innalzare o abbassare la tensione e sono un componente chiave di qualsiasi rete di distribuzione efficiente. Un trasformatore tipico è costituito da bobine di filo conduttore avvolte attorno a un nucleo e ricoperte da un supporto di carta isolante. Parte essenziale del funzionamento di queste apparecchiature sono gli oli per trasformatori, che svolgono due funzioni: l'isolamento elettrico e la dissipazione del calore.
Purtroppo esistono casi in cui i trasformatori si guastano, con costi elevati per il fornitore di energia e, nei casi estremi, con possibili esplosioni, con il conseguente rischio di lesioni gravi per i lavoratori e con impatti ambientali significativi. I trasformatori di potenza sono tra gli elementi più preziosi e importanti dei sistemi elettrici. L'invecchiamento del sistema di isolamento riduce sia la resistenza meccanica sia la rigidità dielettrica del trasformatore. Un trasformatore invecchiato è soggetto a guasti che producono forze radiali e di compressione elevate.
In un guasto su un trasformatore invecchiato l'isolamento del conduttore si deteriora normalmente fino al punto in cui non è più in grado di sostenere le sollecitazioni meccaniche prodotte dal guasto. La vita, o l'età, del trasformatore è comunemente correlata al degrado dell'isolamento, causato principalmente dalla sollecitazione termica sull'isolamento in carta, insieme alla sua decomposizione elettrochimica. La vita nota di un trasformatore si basa su un parametro definito rispetto al funzionamento normale e alle condizioni climatiche. L'invecchiamento non dipende soltanto dal carico, ma anche dal tipo di carta, dalla composizione della pasta, dal contenuto di umidità e di ossigeno e dal livello di acidità del liquido isolante.
L'isolamento è il componente principale e svolge un ruolo importante nella vita attesa del trasformatore. L'olio subisce un deterioramento e un degrado continui a causa dell'applicazione prolungata delle sollecitazioni termiche dell'elettricità, del ciclo di carico termico e delle condizioni climatiche. Questo può essere pericoloso per l'apparecchiatura elettrica e per l'installazione. Il monitoraggio continuo delle caratteristiche isolanti dell'olio è diventato un compito importante per evitare che l'olio si deteriori nelle condizioni di lavoro. Negli ultimi anni sono stati condotti diversi studi sulle proprietà elettriche, fisiche e chimiche degli oli isolanti. La manutenzione preventiva quotidiana di un trasformatore in olio consiste nel registrare i livelli dell'olio e le temperature, nella media annuale dei campioni di olio e nel prelievo di campioni per verificarne le proprietà fisiche, chimiche ed elettriche. Le analisi dell'olio comprendono il peso specifico, la viscosità cinematica, il punto di infiammabilità, l'acidità totale, l'umidità, la tensione di rottura e i gas disciolti. Questo è il monitoraggio delle condizioni dell'olio del trasformatore.
Tra questi studi si trova una caratterizzazione degli oli naturali freschi e invecchiati. Questo ambito resta aperto allo studio dell'effetto del periodo di servizio sulle proprietà dell'olio per trasformatori. Le diverse prove sull'olio dei trasformatori esaminati permettono di sapere quando purificare, quando sostituire e di prevedere l'invecchiamento nelle diverse condizioni di esercizio.
II. Sperimentazione
Il comportamento affidabile dell'olio minerale isolante in un sistema di isolamento dipende da alcune caratteristiche dell'olio base, che possono influire sulle prestazioni complessive dell'apparecchiatura elettrica. Per svolgere le sue molteplici funzioni di isolamento dielettrico, di trasferimento del calore e di estinzione dell'arco, l'olio deve possedere le proprietà di base richieste. L'olio in servizio varia ampiamente nel grado di degrado e nel grado di contaminazione. L'olio minerale in servizio è soggetto ad alterazioni dovute alle condizioni d'uso. In molte applicazioni l'olio isolante è in contatto con l'aria ed è quindi soggetto a reazioni di ossidazione accelerate dalle temperature elevate e dalla presenza di metalli, di composti metallici, di composti organometallici o di entrambi, che agiscono come agenti ossidanti.
Esiste un gran numero di prove applicabili all'olio fornito insieme all'apparecchiatura o all'olio di apparecchi in servizio, ma si ritiene che le prove seguenti siano sufficienti a stabilire se lo stato dell'olio è adeguato al proseguimento dell'esercizio e a indicare il tipo di azione correttiva necessaria. In generale non esiste un unico esame che possa fare da solo criterio dello stato del campione di olio.
La valutazione dello stato dovrebbe basarsi preferibilmente sulla determinazione dei composti caratteristici significativi in laboratori adeguatamente attrezzati. Le prove sperimentali si eseguono sugli oli per trasformatori per determinarne sperimentalmente le proprietà elettriche, fisiche e chimiche. Le prove descritte sono state eseguite presso Central Laboratories, Egyptian Electricity Holding Company, Ministry of Electricity and Energy. Per studiare le caratteristiche della vita di servizio dell'olio sono stati utilizzati sei trasformatori con campioni di olio di prova. I campioni di olio sono stati prelevati dai diversi trasformatori, che erano in servizio nella centrale di Cairo South. I campioni provenivano da trasformatori in esercizio da diversi anni, con carichi e condizioni di funzionamento differenti.
Le prove eseguite sull'olio dei trasformatori hanno riguardato: tensione di rottura, acidità totale, punto di infiammabilità, densità e viscosità cinematica. I diversi casi di olio per trasformatori utilizzati nelle prove sono stati:
- L'olio dei trasformatori (1 e 5) è nuovo (fresco).
- L'olio dei trasformatori (3 e 6) è purificato.
- L'olio dei trasformatori (2 e 4) è sostituito
I dati nominali di questi trasformatori sono riportati nella tabella (1). Gli effetti sulle proprietà fisiche, chimiche ed elettriche dell'olio del trasformatore sono stati studiati con i metodi internazionali di analisi per la valutazione della qualità dell'olio dei trasformatori.
La determinazione della tensione di rottura di ogni campione di olio è stata eseguita secondo la procedura di prova IEC 156. L'acidità totale di un campione di olio, espressa in (mg KOH / g di olio), è stata determinata secondo la procedura prevista da IP 139/64. Il punto di infiammabilità del campione di olio è stato determinato secondo la norma ASTM D92. La procedura di analisi per determinare la viscosità dell'olio del trasformatore (mm ² / s) è indicata nel riferimento ASTM D445.
Il peso specifico è stato determinato secondo la norma ASTM 1298. Esistono diversi metodi di interpretazione dell'analisi dei gas disciolti (DGA) nei trasformatori in servizio, previsti dalla norma IEC 60599, [IEEE Guide C57.104].
III. Risultati sperimentali e discussione
L'olio dei trasformatori invecchia rapidamente alle alte temperature e l'umidità agisce da catalizzatore del suo invecchiamento. Nel trasformatore sono presenti anche altri catalizzatori responsabili del degrado dell'olio, tra cui il rame, la vernice, la lacca e l'ossigeno. Il principale meccanismo di invecchiamento dell'olio del trasformatore è l'ossidazione, che dà luogo ad acidi e alla formazione di altri composti polari. Questi prodotti di ossidazione hanno un effetto negativo sullo studio dei processi di degrado. L'olio per trasformatori, quando è sottoposto a sollecitazioni termiche ed elettriche in atmosfera ossidante, perde progressivamente stabilità e si decompone, si ossida, aumenta la propria acidità e infine inizia a produrre morchie. Questo è il meccanismo di degrado dell'olio. In realtà i meccanismi di invecchiamento dell'olio sono complessi.
In generale l'ossigeno reagisce con alcuni idrocarburi attraverso un processo radicalico, che genera idroperossidi. Gli idroperossidi non sono stabili e si decompongono formando chetoni e acqua. La presenza di gruppi idrossilici porta alla produzione di alcoli e fenoli. La maggior parte dei prodotti di ossidazione ha un effetto negativo sulle proprietà elettriche dell'olio. Gli acidi carbossilici prodotti si disciolgono nell'olio oppure evaporano. Gli acidi disciolti possono danneggiare la carta e gli avvolgimenti di rame, mentre gli acidi evaporati corrodono la parte superiore dell'unità. Si creano così le condizioni necessarie al degrado dell'olio. Una parte importante del degrado dell'olio deriva più dall'aria a contatto con l'olio caldo nell'apparecchio che dagli effetti dell'ossidazione nel degrado dell'olio. Anche la cellulosa calda è una fonte di ossigeno.
Le prove sperimentali si eseguono sull'olio dei trasformatori per chiarirne sperimentalmente le proprietà elettriche, fisiche e chimiche. Le prove eseguite sull'olio dei trasformatori hanno riguardato: tensione di rottura, acidità totale, punto di infiammabilità, densità e viscosità cinematica.
La tensione di rottura è aumentata nel primo periodo ed è poi diminuita su tempi lunghi. In condizioni normali di funzionamento la tensione di rottura sarà minima a causa dell'ossidazione e della contaminazione. La contaminazione si riscontra comunemente negli oli per trasformatori che contengono acqua e particelle: questi contaminanti riducono le qualità isolanti dell'olio del trasformatore.
La diminuzione della tensione di rottura dovuta a lunghi periodi in servizio aumenta la presenza di alcune particelle impure; ciò fa crescere l'umidità e rende l'olio non omogeneo, con la conseguente riduzione della rigidità dell'olio del trasformatore, che abbassa il valore massimo della sua tensione di rottura. Le scariche silenziose e i flussi di corrente concentrata portano alla formazione di acqua, acidi e idrogeno. Le scariche ad arco e i liquidi favoriscono la produzione di particelle di carbonio, cera e gas come monossido di carbonio, biossido di carbonio, acetilene e acidi, dovuti all'ossidazione e alle scariche, oltre a ferro e rame nel liquido, che portano alla riduzione della rigidità elettrica.
Maggiori informazioni nella sezione Apparecchiature per prove su trasformatori / Tester di rigidità dielettrica - Spinterometro Portatest