Calcolatore di analisi dei gas disciolti: triangoli e pentagoni di Duval, IEC 60599 e IEEE

Che cosa fa questo calcolatore

Prende le concentrazioni del cromatografo in ppm e applica ogni metodo di interpretazione in una scheda propria, così da poterli confrontare senza mescolarli:

• Riepilogo: il risultato di tutti i metodi in una tabella.
• Triangoli di Duval da 1 a 7 e pentagoni di Duval 1 e 2, con il punto disegnato sulla figura.
• IEC 60599:2022: tabella 1 secondo il tipo di apparecchiatura, schema semplificato della tabella 2, valori tipici dell’allegato A, velocità di aumento, CO₂/CO, O₂/N₂ e C₂H₂/H₂.
• IEEE C57.104-2019: stato DGA 1, 2 o 3 con le tabelle da 1 a 4 secondo l’età del trasformatore e il rapporto O₂/N₂, variazioni tra analisi e velocità per regressione su più analisi.
• IEEE C57.104-2008: condizioni da 1 a 4, intervallo di campionamento della tabella 3, litri di gas al giorno rapporti di Rogers e di Doernenburg e metodo dei gas chiave.
• IEEE C57.146-2005: soglie e gas chiave per trasformatori in silicone.

Inserendo le analisi precedenti con la loro data (fino a cinque), il calcolatore aggiunge le variazioni e le velocità di generazione, che sono i dati che decidono davvero. Se il campione è gas libero del relè Buchholz, lo converte nell’equivalente disciolto con i coefficienti di Ostwald della IEC 60599.

Da dove vengono i gas

Ogni meccanismo di degrado dentro il trasformatore rompe certe molecole e non altre, ed è per questo che la miscela di gas identifica il guasto:

• Idrogeno (H₂): compare quasi sempre, ed è il primo nelle scariche parziali.
• Metano ed etano (CH₄, C₂H₆): riscaldamenti moderati dell’olio.
• Etilene (C₂H₄): riscaldamenti forti, oltre i 300 °C.
• Acetilene (C₂H₂): arco elettrico. Richiede temperature oltre i 700 °C e non si forma altrimenti.
• Monossido e anidride carbonica (CO, CO₂): degrado della cellulosa, cioè della carta isolante.

Stato DGA della IEEE C57.104-2019

L’edizione 2019 non classifica più il trasformatore con limiti fissi: classifica l’analisi in tre stati sulla base delle statistiche di una grande popolazione di trasformatori.

• Stato 1: livelli bassi e nessun segno di generazione. Campionamento abituale.
• Stato 2: un gas tra le tabelle 1 (90° percentile) e 2 (95° percentile), oppure un aumento confermato tra analisi. Occorre indagare e campionare più spesso.
• Stato 3: un gas sopra la tabella 2, oppure una velocità di generazione sopra la tabella 4. Generazione attiva probabile.

Le tabelle 1 e 2 dipendono dall’età del trasformatore (sconosciuta, da 1 a 9, da 10 a 30 od oltre 30 anni) e dal rapporto O₂/N₂ (fino a 0,2 o sopra); senza O₂ e N₂ si usa la sezione sopra 0,2. La tabella 3 fissa la variazione massima tra due analisi consecutive: se viene superata, serve un’analisi di conferma entro un mese. La tabella 4 fissa la velocità massima in ppm/anno, calcolata per regressione lineare delle ultime 3-6 analisi negli ultimi due anni, con almeno quattro mesi di storico; per l’acetilene basta qualsiasi aumento.

Il calcolatore applica inoltre i criteri dell’allegato D.8 su CO e CO₂ (un CO alto senza idrocarburi indica ossidazione dell’olio, non un guasto nella carta) e ricorda che, con tutti i gas sotto la tabella 1, la guida sconsiglia di identificare il tipo di guasto.

Condizioni IEEE C57.104-2008

Il calcolatore classifica l’analisi in quattro condizioni con la tabella 1 dell’edizione 2008, che ha corretto i valori del 1991 e resta il riferimento di campo più diffuso per le unità senza storico. La condizione è quella del gas peggiore o del gas combustibile totale, non la media.

Con l’analisi precedente, la tabella 3 fornisce l’intervallo di campionamento e la procedura in base al gas combustibile totale e alla sua velocità di generazione (meno di 10, da 10 a 30 o più di 30 ppm al giorno). Con il volume d’olio si applica anche l’equazione (1): più di 2,8 litri di gas combustibile al giorno indicano un guasto attivo.

L’edizione 2019 ha sostituito questa impostazione con lo stato DGA descritto nella sezione precedente. Il calcolatore applica entrambe le edizioni, ciascuna nella sua scheda.

IEC 60599

La norma usa tre quozienti — C₂H₂/C₂H₄, CH₄/H₂ e C₂H₄/C₂H₆ — e una tabella che li traduce in sei tipi di guasto: PD (scariche parziali), D1 e D2 (scariche a bassa e ad alta energia) e T1, T2 e T3 (guasti termici sotto i 300 °C, tra 300 e 700 °C e sopra i 700 °C). Quando i rapporti non rientrano in nessuna riga, il calcolatore lo segnala e applica lo schema semplificato della tabella 2, che distingue almeno scariche parziali, scariche e guasti termici.

Il limite di CH₄/H₂ per le scariche parziali dipende dall’apparecchiatura: 0,1 nei trasformatori, 0,2 nei trasformatori di misura e 0,07 negli isolatori passanti, che hanno anche un proprio schema semplificato (tabella A.10). Nel compartimento di un commutatore la tabella 1 non si applica: lì si usano il triangolo di Duval 2 e il rapporto C₂H₄/C₂H₂.

Il calcolatore confronta ogni gas con i valori tipici al 90 % dell’allegato A e, con l’analisi precedente, la velocità di aumento con la tabella A.3. Se tutti i gas sono all’estremo basso dei valori tipici, l’analisi è normale e la norma sconsiglia di diagnosticare con i rapporti. Completano la lettura tre rapporti ausiliari: CO₂/CO (coinvolgimento della carta), O₂/N₂ (consumo di ossigeno, sotto 0,3) e C₂H₂/H₂ (sopra 2, contaminazione dal commutatore).

Triangoli di Duval

Ogni triangolo prende tre gas, li esprime in percentuale della loro somma e colloca il punto in un diagramma ternario diviso in zone. Il calcolatore disegna ogni triangolo con le stesse disuguaglianze con cui classifica il punto, quindi disegno e diagnosi non possono divergere.

• Triangolo 1 (CH₄, C₂H₄, C₂H₂): il classico della IEC 60599 per l’olio minerale. Confini: 98 % di CH₄ per PD; 4, 13, 15 e 29 % di C₂H₂; 20, 23, 40 e 50 % di C₂H₄. La zona DT raccoglie le mescolanze di guasti termici ed elettrici.
• Triangolo 2 (stessi gas): per l’olio dei commutatori sotto carico in olio, dove l’arco fa parte del funzionamento normale. Zona N di funzionamento normale e zone D1, X1, X3, T2 e T3 di funzionamento anomalo.
• Triangolo 3: il triangolo 1 con tre confini spostati per ogni fluido alternativo.
• Triangoli 4 e 5: per i guasti a bassa temperatura nell’olio minerale. Il 4 usa H₂, CH₄ e C₂H₆; il 5, CH₄, C₂H₄ e C₂H₆. Separano la gassificazione anomala dell’olio (S), il surriscaldamento sotto i 250 °C (O) e i punti caldi con carbonizzazione della carta (C). La IEEE C57.104-2019 indica di applicare il 4 ai guasti che il triangolo 1 identifica come PD, T1 o T2, e il 5 ai guasti T2 o T3.
• Triangoli 6 e 7: gli equivalenti del 4 e del 5 per l’estere naturale FR3, la cui gassificazione anomala produce molto più etano.

Fonti: IEC 60599:2022 (figure B.3 e B.4) e M. Duval, The Duval Triangle for LTCs, alternative fluids and other applications (2009). I triangoli 4 e 5 seguono le tabelle D.3 e D.4 della IEEE C57.104-2019.

Pentagoni di Duval

Il pentagono (Duval e Lamarre, 2014) usa contemporaneamente i cinque idrocarburi. Ogni gas ha il suo asse, dal centro (0 %) al vertice (100 %), in quest’ordine: H₂, C₂H₆, CH₄, C₂H₄ e C₂H₂. Le cinque percentuali formano un poligono irregolare e il punto dell’analisi è il suo baricentro, che non supera mai il 40 % di un asse. I confini delle zone sono quelli dell’allegato D della IEEE C57.104-2019.

• Pentagono 1: i sei guasti di base (PD, D1, D2, T1, T2, T3) e la gassificazione anomala S.
• Pentagono 2: le stesse scariche, ma divide i guasti termici in T3-H (solo nell’olio), C (con carbonizzazione della carta) e O (surriscaldamento sotto i 250 °C).

Non sostituiscono i triangoli 1, 4 e 5. Se pentagoni e triangoli non concordano, la spiegazione più probabile è una mescolanza di guasti.

Rogers, Doernenburg e gas chiave

Sono i due metodi dei rapporti della IEEE C57.104-2008. Rogers usa CH₄/H₂, C₂H₂/C₂H₄ e C₂H₄/C₂H₆ e assegna uno di sei casi, dall’unità normale al guasto termico sopra i 700 °C. Doernenburg usa quattro rapporti (CH₄/H₂, C₂H₂/C₂H₄, C₂H₂/CH₄ e C₂H₆/C₂H₂) e prima di diagnosticare verifica che ci sia gas a sufficienza: se nessun gas chiave supera il doppio del suo limite L1, oppure se né l’etano né il CO superano L1, non c’è guasto (figura 4), e se un rapporto non ha gas sopra L1 non è significativo. Per il gas libero del relè applica le colonne dello spazio gassoso.

Il metodo dei gas chiave (figura 3) confronta le proporzioni dei sei gas combustibili con quattro profili tipici — olio surriscaldato (etilene), cellulosa surriscaldata (CO), scariche parziali (idrogeno) e arco (acetilene) — e mostra il più simile insieme al gas principale misurato.

Trasformatori in silicone

La IEEE C57.146-2005 fornisce soglie proprie per il silicone: 200 ppm di H₂, 100 di CH₄, 1 di C₂H₂, 30 di C₂H₄ e di C₂H₆, 3.000 di CO, 30.000 di CO₂ e 3.361 di gas combustibile totale. Sotto, sorveglianza normale; sopra, nuovo campionamento per conferma e ricerca del tipo di guasto. Il calcolatore confronta inoltre le proporzioni dei gas combustibili con i quattro profili di gas chiave della guida (surriscaldamento del silicone e della cellulosa, scariche parziali e arco) e mostra il più simile. Nel silicone qualsiasi quantità di acetilene può indicare un problema serio.

Esempio svolto

Trasformatore di potenza con H₂ 180, CH₄ 95, C₂H₆ 30, C₂H₄ 210, C₂H₂ 4 e CO 320 ppm.

• Gas combustibile totale: 839 ppm. Condizione 2 per il totale, l’idrogeno e l’acetilene, e condizione 4 per l’etilene, che supera i 200 ppm: decide il gas peggiore.
• IEC 60599: C₂H₂/C₂H₄ = 0,02; CH₄/H₂ = 0,53; C₂H₄/C₂H₆ = 7,0. L’idrogeno supera il valore tipico più alto (150 ppm), quindi i rapporti sono significativi, ma non rientrano in nessuna riga della tabella 1; la tabella 2 dà guasto termico.
• Triangolo di Duval 1: CH₄ 31 %, C₂H₄ 68 %, C₂H₂ 1 %, zona T3. Non essendo PD, T1 o T2, i triangoli 4 e 5 non si applicano.
• Pentagono 1: zona T3. Pentagono 2: T3-H, guasto termico nell’olio senza indizi di carbonizzazione della carta.

Lettura: guasto termico sopra i 700 °C, con un po’ di acetilene che impone una sorveglianza ravvicinata. Il sospetto tipico è una connessione interna difettosa o una corrente di circolazione nel nucleo o nel cassone.

Che cosa questo calcolatore non fa

Non sa se il campione è stato prelevato bene, se la macchina è tornata da poco in servizio dopo una riparazione o un degasaggio, né conosce la storia dell’unità oltre l’analisi precedente che gli viene fornita. I valori tipici della IEC 60599 sono intervalli osservati in molte reti: è consigliabile calcolare quelli della propria popolazione di macchine. E tutti i metodi grafici restituiscono una zona anche senza generazione reale; la diagnosi ha senso solo quando i gas e la loro velocità di aumento superano i livelli tipici.

Con che cosa si misura

L’analisi la esegue un laboratorio su un campione d’olio, oppure un analizzatore di olio dielettrico in impianto. Per le macchine critiche l’alternativa è il monitoraggio in linea: sensori di idrogeno e di gas disciolti che segnalano un cambio di tendenza tra un campionamento e l’altro, invece di attendere l’analisi semestrale. Il trattamento dell’olio — essiccazione e degasaggio — è l’altra metà del lavoro.