Calcolatore di umidità nell'olio: ppm, saturazione relativa, IEC 60422:2024 e IEEE C57.106-2015

Che cosa fa questo calcolatore

Converte il contenuto d’acqua di un olio minerale tra milligrammi per chilogrammo (ciò che dà un Karl Fischer) e saturazione relativa in percentuale (ciò che dà una sonda capacitiva in linea), alla temperatura indicata. Calcola due cose che quasi mai compaiono nel rapporto: la solubilità dell’olio a quella temperatura e la temperatura di saturazione, sotto la quale la stessa acqua comincia a comparire come acqua libera. E valuta l’olio con la norma scelta, in due schede: la IEC 60422:2024, che lo classifica come buono, accettabile o scadente secondo la categoria dell’apparecchiatura, per l’acqua e per altre cinque prove di routine; e lla IEEE C57.106-2015, che dà i limiti dell’acqua e delle altre prove per classe di tensione per olio in servizio, nuovo o ricondizionato e per commutatori sotto carico, e stima con il suo allegato B quanto scende la scarica quando l’olio si raffredda.

Perché i ppm ingannano

L’acqua disciolta nell’olio non conta per la sua quantità assoluta, ma per quanto è vicina a saturarlo. E la solubilità dipende in misura fortissima dalla temperatura. Per olio minerale nuovo:

log₁₀(Ws) = 7,0895 − 1567 / T

con T in kelvin e Ws in mg/kg. È la formula 1 della IEEE C57.106-2002 (di Bruce, Christie e Griffen), nota come curva di Oommen, e una delle curve della letteratura raccolte nella figura 1 della IEC 60422:2024 (A = 7,09; B = 1567). Quella figura mostra quanto differiscono tra loro: la media è A = 7,11 e B = 1585, e la norma non ne fissa nessuna. Dà circa 55 mg/kg a 20 °C, 243 a 60 °C e 449 a 80 °C.

La conseguenza pratica: un’analisi di 25 mg/kg eseguita con il trasformatore caldo sembra rassicurante — il 10 % di saturazione a 60 °C —, ma quella stessa acqua, quando la macchina si raffredda a 20 °C, è al 45 % di saturazione. Per questo un campione senza la temperatura dell’olio annotata serve a poco, e per questo le sonde in linea forniscono la saturazione relativa e non i ppm.

La formula vale per olio minerale nuovo. Un olio invecchiato od ossidato scioglie più acqua, e la IEC 60422:2024 avverte che negli oli molto ossidati la differenza può essere grande e che non esiste una formula universale. Partendo dai mg/kg di un Karl Fischer, la saturazione reale sarebbe un po’ minore di quella calcolata: il risultato resta dal lato cautelativo. Partendo dalla saturazione di una sonda accade il contrario: i mg/kg reali sarebbero un po’ maggiori e la valutazione in mg/kg resta dal lato ottimistico.

La temperatura di saturazione

È il numero più utile di questo calcolatore e quello che raramente si calcola. Dato il contenuto d’acqua misurato, indica a quale temperatura quell’olio raggiungerebbe il 100 % di saturazione. Al di sotto di essa può comparire acqua libera, che è ciò che fa davvero crollare la rigidità dielettrica e che provoca guasti negli avviamenti a freddo o dopo un fermo prolungato in inverno.

Un trasformatore con 40 mg/kg satura intorno ai 12 °C. Se si trova in un locale che scende al di sotto di questa temperatura, il rischio non è teorico.

Classificazione secondo la IEC 60422:2024

La IEC 60422:2024 è la guida per la sorveglianza e la manutenzione degli oli minerali isolanti nelle apparecchiature elettriche. Il calcolatore applica l’edizione 5.0 del 2024, che dà limiti di buono, accettabile e scadente per categoria di apparecchiatura, secondo la tensione massima (Um) e con una tabella per ogni tipo di apparecchiatura:

• Trasformatori e reattori (tabella 5): A, oltre 170 kV o qualsiasi tensione se la continuità di servizio è vitale; B, oltre 72,5 kV fino a 170 kV; C, fino a 72,5 kV (distribuzione) e da trazione. Acqua buona sotto 15, 20 e 30 mg/kg e scadente sopra 20, 30 e 40; tensione di scarica buona sopra 60, 50 e 40 kV e scadente sotto 50, 40 e 30; in più, acidità, fattore di dissipazione e resistività a 90 °C e tensione interfacciale, diversa per olio inibito e non inibito.
• Trasformatori di misura e protezione (tabella 7): D, oltre 170 kV, ed E, fino a 170 kV. Solo acqua (soglie a 20 e 30 mg/kg, e a 30 e 40) e fattore di dissipazione (0,01 e 0,10, e 0,10 e 0,30).
• Deviatori dei commutatori sotto carico (tabella 6), categoria F: acqua buona sotto 15 mg/kg e scadente sopra 40 a stella o sopra 30 a triangolo o estremo di linea; la tensione di scarica è solo buona (almeno 30 o 40 kV) o scadente.
• Interruttori e apparecchiature di manovra (tabella 8): G, oltre 72,5 kV, e H, fino a 72,5 kV. Acqua, tensione di scarica e acidità.
• Isolatori passanti (tabella 9): K, oltre 170 kV, e L, fino a 170 kV. Acqua, tensione di scarica e fattore di dissipazione.

Le tabelle da 6 a 9 non trattano tutte le prove: per il resto rimandano alla categoria corrispondente della tabella 5, e il calcolatore le segna come «Vedi tabella 5». Rispetto all’edizione 2013, la categoria O confluisce nella A, il fattore di dissipazione dei trasformatori di misura oltre 170 kV passa a 0,01 e 0,10, e commutatori, interruttori e isolatori passanti entrano con tabelle proprie.

Che cosa significa ogni stato: buono, bastano campionamento e prove con la frequenza normale; accettabile, il degrado è già rilevabile e conviene provare più spesso; scadente, c’è un degrado anomalo e va valutata un’azione correttiva, come l’essiccazione, il ricondizionamento o la rigenerazione dell’olio. Il calcolatore classifica solo le prove compilate e riassume con la peggiore. Un valore esattamente al limite di un intervallo conta come accettabile.

Quattro cautele. L’acqua è data alla temperatura di esercizio, si legge sempre insieme alla tensione di scarica e la norma chiede di non intervenire sulla base di un solo risultato, ma di ripetere il campione. Sotto i 35 °C l’acqua diffonde troppo lentamente per avvicinarsi all’equilibrio con la carta, e il calcolatore lo segnala; con olio molto caldo in trasformatori molto caricati, il rapido scambio di umidità può dare valori più alti. Per seguire l’andamento della stessa macchina, l’allegato C, informativo e presentato come prassi storica, normalizza l’acqua a 20 °C con f = 2,24·e^(−0,04·ts): 10 mg/kg misurati a 40 °C equivalgono a 4,5. Vale solo con il campione a 35 °C o più e non si confronta con le tabelle. Infine, la stima dell’umidità della carta resta fuori dalla norma.

Per la saturazione relativa, la tabella B.1 dà una guida per la misura in linea alla temperatura di esercizio: sotto il 10 %, trasformatore secco; tra il 10 % e il 20 %, umidità elevata rispetto a uno nuovo, con il rischio che la tensione di scarica cali in un avviamento a freddo o nel raffreddamento dopo un carico elevato; e oltre il 20 %, umido, con tensione di scarica ridotta, ed è opportuno valutare l’essiccazione dell’isolamento solido. La norma la fornisce per un monitoraggio di almeno un mese; il calcolatore la applica alla saturazione alla temperatura dell’olio, e con un solo campione è indicativa.

Valutazione secondo la IEEE C57.106-2015

La IEEE C57.106-2015 è la guida dell’IEEE per l’accettazione e la manutenzione dell’olio minerale isolante, il riferimento abituale in Nord America. Il calcolatore applica l’edizione 2015, che ha rivisto quella del 2006 e cambiato il criterio dell’acqua: non c’è più un massimo in funzione della temperatura media dell’olio, come nella tabella 5 dell’edizione 2002, ma un massimo fisso in mg/kg per classe di tensione, e scompare la stima dell’umidità della carta.

La scheda permette di scegliere la tabella secondo lo stato dell’olio:

• Tabella 3, olio in servizio: acqua massima di 35, 25 e 20 mg/kg fino a 69 kV, da 69 a 230 kV e da 230 kV in su; scarica ASTM D1816 di almeno 23, 28 e 30 kV con 1 mm o 40, 47 e 50 kV con 2 mm; fattore di potenza massimo dello 0,5 % a 25 °C e del 5 % a 100 °C; tensione interfacciale minima di 25, 30 e 32 mN/m; e acidità massima di 0,20, 0,15 e 0,10 mg KOH/g. La scarica ASTM D877 (25 kV) vale solo per reattori e regolatori, non per i trasformatori.
• Tabella 4, olio ricondizionato o rigenerato, dopo il riempimento e prima dell’energizzazione: acqua di 35, 20 e 15 mg/kg (meglio sotto 10 da 230 kV in su), scarica di 25, 30 e 35 kV con 1 mm o 45, 55 e 60 kV con 2 mm, tensione interfacciale di 35 mN/m e acidità di 0,05 mg KOH/g.
• Tabella 2, olio nuovo in apparecchiatura nuova o dopo il riempimento, prima dell’energizzazione: acqua di 20, 10 e 10 mg/kg, fattore di potenza dello 0,05 % a 25 °C, tensione interfacciale di 38 mN/m e acidità di 0,03 mg KOH/g.
• Tabelle 6 e 7, commutatori sotto carico: olio nuovo prima dell’energizzazione e olio in servizio, con limiti propri per il lato neutro e per il lato linea fino a 69 kV e oltre 69 kV (in servizio, acqua di 40, 30 e 25 mg/kg).

Con l’olio in servizio, il calcolatore applica la classificazione del paragrafo 4.2.1: classe I se è tutto conforme; classe II se non sono conformi solo la scarica o l’acqua, e allora la guida propone di ricondizionarlo con filtrazione o disidratazione sotto vuoto; e classe III se non è conforme altro, nel qual caso propone di rigenerarlo con terra di Fuller o di sostituirlo, e di ripristinare l’inibitore. La scarica ASTM D1816 non è confrontabile con quella IEC 60156:2025 a 2,5 mm, quindi un valore non si porta da una scheda all’altra.

La norma avverte in ogni tabella che questi mg/kg possono essere eccessivi a bassa temperatura, perché la saturazione sale quando l’olio si raffredda. Per questo il suo allegato B (informativo, per olio nuovo) mette in relazione la saturazione con la scarica ASTM D1816 a 2 mm: calcola la saturazione con Ws = 10^(7,42 − 1670/(273,16 + t)) e la scarica relativa con 0,95·e^(−(%RS/63,15)²) + 0,05. Nell’esempio della norma, 15 mg/kg sono il 18 % di saturazione a 30 °C e il 74 % a 0 °C, e una scarica di 50 kV misurata a 30 °C scenderebbe a circa 15 kV energizzando a 0 °C. La scheda IEEE fa questo calcolo con la seconda temperatura; per l’energizzazione a freddo la norma rimanda alla IEEE C57.93-2019.

Esempio svolto

È il caso in esercizio pubblicato dal CIGRE (tabella 3 dello stesso articolo): trasformatore di 15 anni, campione di 21,5 mg/kg prelevato con l’olio a 57 °C e tensione di scarica di 57 kV. Sono i valori che il calcolatore propone all’apertura.

• Solubilità a 57 °C: 220 mg/kg → saturazione 9,8 %: secco secondo la tabella B.1 della IEC 60422:2024 (sotto il 10 %), anche se al limite.
• Solubilità a 20 °C: 55,5 mg/kg → saturazione 38,8 %: se l’unità si raffredda, ben oltre il 20 % della tabella B.1.
• Temperatura di saturazione: −1,0 °C.

Il CIGRE riporta 38,7 % e 9,7 %; la differenza è solo di arrotondamento. La sua conclusione è quella che lo strumento mette in evidenza: misurato in laboratorio a 20 °C, l’olio sembra molto più umido di quanto non sia nella macchina.

Con la classificazione IEC 60422:2024: in un trasformatore di categoria A, i 21,5 mg/kg sono scadenti (la soglia è 20) e i 57 kV accettabili; in categoria B l’acqua passa ad accettabile e la scarica a buona; in C sono buone entrambe. Lo stesso olio cambia stato secondo la macchina in cui si trova. Con la IEEE C57.106-2015 e l’olio in servizio (tabella 3), il massimo da 230 kV in su è di 20 mg/kg: l’acqua non è conforme e, se è l’unica non conformità, l’olio è di classe II e va ricondizionato. Tra 69 e 230 kV (25 mg/kg) e fino a 69 kV (35 mg/kg) è conforme. Secondo l’allegato B, la saturazione passa dal 9,3 % a 57 °C al 41 % a 20 °C, e la scarica scenderebbe a circa il 69 % del valore misurato se la macchina si raffredda.

Che cosa non fa questo calcolatore

Non dice quanta acqua c’è nella carta, dove si trova la maggior parte e che è ciò che va essiccato; la IEC 60422:2024 lascia questa stima fuori dalla norma. L’equilibrio tra carta e olio richiede giorni o settimane e dipende dalla temperatura e dalla storia di carico, quindi stimare l’umidità della carta da un solo campione di olio è poco affidabile. La correzione della tensione di scarica in funzione della temperatura della scheda IEEE è quella dell’allegato B della IEEE C57.106-2015, informativo e ricavato con olio nuovo: mostra l’andamento e non sostituisce una prova a quella temperatura. Non copre esteri né oli siliconici, la cui solubilità e i cui limiti sono diversi, né sostituisce il rapporto del laboratorio.

Con che cosa si misura

Il contenuto d’acqua si determina mediante titolazione Karl Fischer in laboratorio, e la saturazione relativa con sonde capacitive installate nel circuito dell’olio, che permettono di seguirne l’evoluzione anziché disporre di un’istantanea. L’analizzatore di olio dielettrico e le altre apparecchiature di misura sull’olio coprono la parte di prova; l’essiccazione e il degasaggio, la parte di trattamento. Se l’olio è umido, è opportuno consultare anche l’analisi dei gas disciolti: la degradazione della carta lascia traccia nel CO e nel CO₂.