Calcolatore di umidità nell'olio: ppm, saturazione relativa e classificazione IEC 60422
Converta l'acqua contenuta in un olio tra mg/kg e saturazione relativa a qualsiasi temperatura, calcoli quando comparirebbe acqua libera e classifichi l'olio secondo la IEC 60422.
Acqua nell'olio minerale: ppm, saturazione relativa e temperatura di saturazione
Converta il contenuto d'acqua tra mg/kg (ppm) e saturazione relativa alla temperatura dell'olio, verifichi a quale temperatura la stessa acqua satura l'olio e classifichi l'olio secondo la tabella di condizione della IEC 60422.
Risultato
Classificazione IEC 60422
| Prova | Valore | Buona | Accettabile | Scadente | Condizione |
|---|
Limiti della tabella di condizione della IEC 60422:2013 (4ª edizione) come riportata dal CIGRE (Wang et al., 2015): l'acqua alla temperatura di esercizio; la tensione interfacciale per olio non inibito; fattore di dissipazione e resistività distinguono solo sopra e sotto 170 kV. Gli estremi di ogni intervallo contano come accettabile. L'edizione 5.0 (2024) ha rivisto i limiti d'azione e accorpato la categoria O nella A: per un criterio contrattuale, verifichi l'edizione vigente.
Solubilità dell'acqua in olio minerale nuovo (curva di Oommen): log₁₀(Ws) = 7,0895 − 1567/T, con T in kelvin e Ws in mg/kg. È la curva che il CIGRE usa per passare dall'acqua misurata alla saturazione relativa. Un olio invecchiato od ossidato scioglie più acqua, quindi la saturazione qui indicata è cautelativa.
Le soglie di saturazione relativa (5, 20 e 30 %) sono prassi corrente di manutenzione, non un valore normativo. Il criterio normativo, in mg/kg e per classe di tensione, è la classificazione IEC 60422 qui sopra.
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Che cosa fa questo calcolatore
Converte il contenuto d’acqua di un olio minerale tra milligrammi per chilogrammo (il dato fornito da un Karl Fischer) e saturazione relativa in percentuale (il dato fornito da una sonda capacitiva in linea), alla temperatura indicata. Calcola due grandezze che quasi mai compaiono nel rapporto: la solubilità dell’olio a quella temperatura e la temperatura di saturazione, al di sotto della quale quella stessa acqua comincia a comparire come acqua libera. E classifica la condizione dell’olio come buona, accettabile o scadente con la tabella delle condizioni della IEC 60422, per l’acqua e per le altre cinque prove di routine inserite.
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 curva di Oommen, quella utilizzata dal CIGRE per convertire l’acqua misurata in saturazione relativa. Fornisce 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 o ossidato scioglie più acqua, quindi la saturazione reale sarebbe un po’ inferiore a quella qui ottenuta: il risultato resta dal lato conservativo.
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
La IEC 60422 è la guida per la supervisione e la manutenzione degli oli minerali nelle apparecchiature elettriche. La sua tabella delle condizioni, nell’edizione 2013, ripartisce sei prove di routine in tre stati e tre classi di tensione:
| Prova | Tensione | Buona | Accettabile | Scadente |
|---|---|---|---|---|
| Acqua (mg/kg a temperatura di esercizio) | > 170 kV | < 15 | 15 – 20 | > 20 |
| 72,5 – 170 kV | < 20 | 20 – 30 | > 30 | |
| ≤ 72,5 kV | < 30 | 30 – 40 | > 40 | |
| Tensione di scarica (kV, 2,5 mm) | > 170 kV | > 60 | 50 – 60 | < 50 |
| 72,5 – 170 kV | > 50 | 40 – 50 | < 40 | |
| ≤ 72,5 kV | > 40 | 30 – 40 | < 30 | |
| Acidità (mg KOH/g) | > 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,15 | > 0,15 |
| 72,5 – 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,2 | > 0,2 | |
| ≤ 72,5 kV | < 0,15 | 0,15 – 0,3 | > 0,3 | |
| Fattore di dissipazione (90 °C, 40–60 Hz) | > 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,2 | > 0,2 |
| ≤ 170 kV | < 0,1 | 0,1 – 0,5 | > 0,5 | |
| Resistività (GΩ·m, 90 °C) | > 170 kV | > 10 | 3 – 10 | < 3 |
| ≤ 170 kV | > 3 | 0,2 – 3 | < 0,2 | |
| Tensione interfacciale (mN/m, non inibito) | tutte | > 25 | 20 – 25 | < 20 |
Fonte: IEC 60422:2013, riportata da Wang et al., «Ageing Assessment of Transformers through Oil Test Database Analyses and Alternative Diagnostic Techniques», CIGRE SC A2 Colloquium 2015, tabella 1. Le classi di tensione corrispondono alle categorie di apparecchiatura della norma: O, A e D oltre 170 kV; B ed E tra 72,5 e 170 kV; C fino a 72,5 kV.
Che cosa significa ciascuno stato: buona, sono sufficienti il campionamento e le prove con la frequenza normale; accettabile, il deterioramento è già rilevabile ed è opportuno eseguire le prove più spesso; scadente, è presente un deterioramento anomalo e occorre valutare 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 di esse. Un valore esattamente all’estremo di un intervallo conta come accettabile.
Due avvertenze. Il limite dell’acqua è dato alla temperatura di esercizio: un campione prelevato a freddo o a caldo non si confronta direttamente con esso, ed è qui che la saturazione relativa è d’aiuto. E la norma ha un’edizione 5.0 del 2024 che ha rivisto i limiti di intervento di tutte le prove e ha fuso la categoria O nella A; per un criterio contrattuale occorre verificare i valori nell’edizione in vigore.
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 %: umidità moderata.
- Solubilità a 20 °C: 55,5 mg/kg → saturazione 38,8 %: se l’unità si raffredda, olio molto umido.
- 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: in un trasformatore oltre 170 kV, i 21,5 mg/kg sono in condizione scadente (la soglia è 20) e i 57 kV in condizione accettabile; tra 72,5 e 170 kV, l’acqua passa ad accettabile e la tensione di scarica a buona; fino a 72,5 kV, entrambe sono buone. Lo stesso olio cambia stato a seconda della macchina in cui si trova.
Che cosa non fa questo calcolatore
Non indica quanta acqua c’è nella carta, che è dove si trova la maggior parte e ciò che occorre essiccare. L’equilibrio tra carta e olio richiede giorni o settimane per stabilirsi e dipende dalla temperatura e dalla storia di carico, quindi stimare l’umidità della carta da un solo campione d’olio è poco affidabile. Non corregge nemmeno la tensione di scarica in funzione della temperatura: l’articolo del CIGRE la rivede da 57 a 78 kV a 57 °C sulla base della saturazione, ma con una relazione tra saturazione e scarica che l’articolo non descrive in dettaglio. Non copre gli esteri né gli oli siliconici, la cui solubilità e i cui limiti sono diversi, né le categorie dei commutatori di presa e degli interruttori della IEC 60422, e non 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.
Domande frequenti
- Perché due oli con gli stessi ppm di acqua non sono ugualmente umidi?
- Perché ciò che degrada l’isolamento non è l’acqua in termini assoluti, ma quanto l’olio è vicino alla saturazione, e la solubilità dipende moltissimo dalla temperatura: circa 55 mg/kg a 20 °C contro circa 243 a 60 °C. Venti mg/kg corrispondono al 36 % di saturazione in un olio freddo e a poco più dell'8 % in uno a temperatura di esercizio.
- Quale saturazione relativa è accettabile?
- La prassi di manutenzione più diffusa considera secco un olio al di sotto del 5 %, moderatamente umido tra il 5 % e il 20 %, umido tra il 20 % e il 30 % e molto umido oltre il 30 %. Il criterio normativo è un altro: la IEC 60422 fissa limiti in mg/kg alla temperatura di esercizio in funzione della classe di tensione, e il calcolatore li applica nel suo blocco di classificazione.
- Quali limiti di acqua stabilisce la IEC 60422?
- Nella tabella delle condizioni dell’edizione 2013, oltre 170 kV la condizione dell’olio è buona con meno di 15 mg/kg, accettabile tra 15 e 20 e scadente oltre 20; tra 72,5 e 170 kV le soglie sono 20 e 30 mg/kg, e fino a 72,5 kV, 30 e 40 mg/kg. Sono valori alla temperatura di esercizio dell’apparecchiatura. L’edizione 5.0 del 2024 ha rivisto i limiti di intervento, quindi per un criterio contrattuale occorre consultare l’edizione in vigore.
- Da dove proviene l'acqua di un trasformatore?
- Da tre fonti: quella che entra dall’ambiente attraverso guarnizioni, sfiati o durante un intervento; quella che la carta isolante rilascia invecchiando, perché la degradazione della cellulosa produce acqua; e quella rimasta all’interno dalla fabbricazione o dall’ultimo trattamento. La maggior parte dell’acqua di un trasformatore si trova nella carta, non nell’olio: l’olio mostra solo la parte che è in equilibrio con esso.