Un trasformatore non ha una parte più importante delle altre: è un insieme di sottosistemi, e un guasto in uno qualsiasi di essi lo mette fuori servizio. Questo video riassume 42 webinar tecnici su temperatura, gas, umidità, isolatori passanti, commutatore sotto carico e guasti passanti: cosa indica ogni misura e quanto costa ignorarla.
Punti chiave
- Il punto caldo dell’avvolgimento si calcola, non si misura, e secondo la guida di carico IEC ogni 6 °C oltre i 98 °C la velocità di invecchiamento della carta raddoppia.
- Ogni temperatura di guasto produce il proprio gas; l’idrogeno, il meno solubile, è il primo a comparire.
- Quasi tutta l’acqua si trova nella carta, non nell’olio, e ciò che si vede nell’olio dipende dalla temperatura.
- Il cedimento di un isolatore passante è improvviso e in circa la metà dei casi finisce in un incendio; il monitoraggio online si basa sul fatto che tre correnti sane si annullano.
- Il commutatore sotto carico è l’unica parte in movimento: l’energia assorbita dal suo motore a ogni cambio di presa rispecchia il meccanismo.
Vale quanto il suo sottosistema peggiore
Un trasformatore è composto da molti sottosistemi, non è una sola macchina, e un guasto in uno qualsiasi di essi può mettere fuori servizio l’unità. Le sue condizioni valgono quanto quelle del sottosistema che si comporta peggio, per cui un sistema di monitoraggio che sorveglia bene una sola cosa resta comunque cieco. Più modi di guasto sono coperti, maggiore è la fiducia nel giudizio.
Il punto caldo determina l’aspettativa di vita
La misura che governa la vita della macchina è il punto caldo dell’avvolgimento, e nessuna sonda nell’olio lo raggiunge. Si ricava da tre elementi: la temperatura dell’olio alla sommità misurata nell’olio, la corrente di carico misurata tramite i TA e il gradiente dell’avvolgimento ricavato dalla prova di riscaldamento. Le sessioni sono chiare su quanto possano sbagliare i vecchi indicatori: in un caso, su una macchina in servizio da tre mesi l’indicatore dell’avvolgimento segnava 50 °C mentre quello dell’olio segnava 65 °C.
Il costo dell’errore non è lineare. Secondo la guida di carico IEC, a 98 °C costanti il trasformatore invecchia di un anno all’anno; a 110 °C invecchia quattro volte più velocemente; a 128 °C, trentadue volte, per cui due ore diventano due giorni e mezzo. Anche sotto i 50 °C esiste una velocità minima di invecchiamento di circa un giorno all’anno. Le sonde a fibra ottica a misura diretta sono ormai prassi consolidata.
Gas disciolti: ogni gas indica una temperatura
Il gas è il secondo pilastro, e le sessioni lo insegnano come un termometro: il gas che compare indica quanto è caldo il guasto.
| Temperatura del guasto | Gas caratteristico |
|---|---|
| Oltre 150 °C | idrogeno e metano |
| Oltre 250 °C | etano |
| Oltre 350 °C | etilene |
| Oltre 500 °C | acetilene: arco |
| CO e CO₂ | la carta, non l’olio |
| Un rapporto CO₂/CO in calo | la cellulosa si sta degradando |
L’idrogeno compare in ogni condizione termica, ed è questo che rende un monitor a gas singolo un utile rivelatore di fumo, anche se non è in grado di identificare il guasto.
Perché prima l’idrogeno
L’idrogeno è il meno solubile dei gas diagnostici, per cui lascia l’olio e si accumula nello spazio di testa in un rapporto di circa 20 a 1 rispetto alla concentrazione disciolta nel funzionamento normale. La sua dispersione nell’olio è disomogenea e dipende dalla circolazione, ed è per questo che un campione puntuale può trarre in inganno mentre un andamento no. L’allarme va valutato in base alla velocità di variazione, non al valore assoluto: un idrogeno elevato in un breve periodo indica generalmente un arco attivo.
Umidità: l’acqua è nella carta, l’olio si limita a segnalarla
È l’argomento su cui le sessioni tornano più spesso. In un trasformatore da 50 MVA con l'1,5 % di acqua nella carta, quasi tutta l’acqua si trova nella carta, e quanta ne compare nell’olio dipende interamente dalla temperatura:
| Temperatura dell’olio | Acqua nell’olio | Acqua nella carta | Lettura nell’olio |
|---|---|---|---|
| 20 °C | 0,10 kg | 15,84 kg | 10 ppm |
| 40 °C | 0,21 kg | 15,73 kg | 20 ppm |
| 60 °C | 0,52 kg | 15,43 kg | 49 ppm |
| 80 °C | 1,45 kg | 14,49 kg | 137 ppm |
Stesso trasformatore, stessa acqua: dieci ppm o centotrentasette, a seconda di quando si è prelevato il campione. E l’umidità nella carta determina tre limiti pratici: la temperatura di formazione di bolle (il vero limite a quanto si può sovraccaricare), la rigidità dielettrica delle barriere alla base dell’avvolgimento e la velocità di invecchiamento dello stesso isolamento dell’avvolgimento. La saturazione relativa misurata online la segue in continuo e corregge per la temperatura; un valore in ppm di laboratorio da solo non può essere usato in un modello di ripartizione.
Isolatori passanti: guasti improvvisi che si portano dietro il trasformatore
Gli isolatori passanti occupano sei delle 42 sessioni a causa della gravità. Circa la metà dei guasti degli isolatori passanti provoca un incendio che distrugge il trasformatore; circa l'80 % si verifica dopo dieci-dodici anni di servizio; le prove fuori servizio raccomandate sono ogni quattro-cinque anni, e gli eventi si verificano tra una prova e l’altra.
La misura online funziona grazie alla costruzione stessa dell’isolatore passante. I fogli capacitivi ripartiscono uniformemente la tensione; C1 è la capacità tra il conduttore centrale e la presa di prova, quella che invecchia, mentre C2 va dalla presa a terra ed è in circuito solo quando la presa è monitorata. La presa di prova c’è sempre stata, normalmente semplicemente imbullonata a terra. Il tan delta aumenta con l’umidità e con la temperatura.
Ciò che il sistema di monitoraggio cerca è l’equilibrio. Tre fasi sane producono tre correnti che si annullano; un difetto modifica ampiezza e angolo di una fase, e la somma smette di essere zero. Dallo squilibrio si ricavano fattore di potenza e capacità. Un isolamento secco e integro non ha quasi alcuna dipendenza dalla temperatura; uno contaminato sì, e marcata. Il problema: i prodotti di degradazione sono conduttivi e si depositano lungo l’interno della porcellana inferiore, dove una prova fuori servizio a 10 kV può non avere tensione sufficiente per rilevare una contaminazione che alla tensione nominale si manifesta chiaramente.
Il commutatore sotto carico: l’unica parte che si muove
Le statistiche di guasto di un grande gestore di rete sono eloquenti. La scarica nel commutatore era la categoria singola più numerosa, e 14 di quei 28 casi hanno finito per distruggere un avvolgimento. Il guasto meccanico del commutatore ha portato ad altri guasti degli avvolgimenti, così come il surriscaldamento delle connessioni, la contaminazione e i punti caldi sulle connessioni — tutti fenomeni che si sviluppano all’interno di un compartimento che nessuno apre.
Ci sono quattro vie di accesso, senza messa fuori servizio: l’energia del motore (joule per cambio di presa), il differenziale di temperatura tra il compartimento e il cassone principale, i contatori di manovre per posizione anziché solo un totale, e la DGA nel compartimento, con rapporti che identificano il guasto. La più ingegnosa è l’energia del motore: la maggior parte dei problemi meccanici dell’azionamento modifica la potenza assorbita dal motore, per cui i joule per cambio di presa diventano un’immagine dei leveraggi, degli ingranaggi e della lubrificazione.
Danni che si accumulano dall’esterno
Altre due sollecitazioni provengono dall’esterno del trasformatore. I guasti passanti prolungati aumentano esponenzialmente il degrado termico; l’isolamento degradato perde volume e l’avvolgimento perde forza di serraggio; meno serraggio significa maggiore spostamento e minore tenuta la volta successiva. E i disturbi geomagnetici saturano parzialmente il nucleo e generano armoniche, il cui segnale rivelatore è l’aumento delle armoniche pari rispetto a quelle dispari.
Ciò su cui le 42 sessioni tornano sempre
- Il punto caldo governa la vita, e si calcola, non si misura.
- Il gas indica la temperatura di un guasto; la velocità di variazione ne indica l’urgenza.
- L’acqua è nella carta; un valore in ppm nell’olio senza la sua temperatura non è una misura.
- Isolatori passanti e commutatori si guastano all’improvviso, ed entrambi si possono sorvegliare in servizio.
- Macchine identiche in parallelo si comportano in modo diverso. Trattate ciascuna come un individuo.
Apparecchiature correlate
Dynamic Ratings copre questi sottosistemi con il monitor per trasformatori E3, il monitor elettronico di temperatura B100 e il monitor per isolatori passanti C50; il GRIDSCAN5000 misura in continuo l’idrogeno disciolto. Il resto della gamma si trova in prove e monitoraggio dei trasformatori. Per parlare della vostra flotta, contattate i nostri ingegneri.