Generatori

Guida pratica per identificare l’origine del difetto in motori e generatori di media e alta tensione.

Riassunto. Rilevare le scariche parziali (PD) è relativamente semplice; sapere dove si trova il difetto e di che tipo è, non lo è. Questo articolo illustra il metodo di localizzazione geometrica reso possibile dal monitor per macchine rotanti (RMM) con il modulo RTD-PD: come si distribuiscono i sensori lungo l’avvolgimento, quale informazione fornisce ciascuno di essi, come si leggono i pattern di fase e la polarità e come si conferma la diagnosi con l’andamento temporale. Il tema è illustrato con due casi di studio reali di Dynamic Ratings, uno dei quali ha evitato una fermata forzata e ha permesso un risparmio stimato di 70.000 USD.

Che cosa si localizza e perché

Le scariche parziali sono piccole scariche elettriche che non riescono a ponticellare completamente l’isolamento tra conduttori. Hanno origine di norma in cavità (void), cricche o inclusioni all’interno di un dielettrico solido, oppure nelle interfacce conduttore-dielettrico. Il loro livello cresce progressivamente con il degrado dell’isolamento: il monitoraggio continuo consente quindi di rilevare il deterioramento prima che provochi un guasto e di programmare una fermata pianificata, molto più economica di una fermata forzata.

Localizzare il guasto significa rispondere a tre domande a partire dai dati di PD:

• Dove si trova il difetto? Quale zona dell’avvolgimento, quale cava, quale fase.
• Di che tipo è? Cavità interna, avvolgimento allentato o problema all’uscita di cava.
• Come evolve? Se l’attività cresce, si stabilizza o risponde a una riparazione.

Nessun dato isolato è sufficiente. La localizzazione nasce dall’incrocio tra la posizione fisica dei sensori, il pattern di fase, la polarità e la correlazione con le condizioni di esercizio. Per un ripasso dei fondamenti sono disponibili articoli dedicati ai tipi di scariche parziali e ai metodi di rilevamento delle scariche parziali.

Come si localizza l’origine, passo per passo

Sfruttare la distribuzione spaziale dei sensori

La chiave della localizzazione è che sensori diversi coprono zone diverse dell’avvolgimento. Combinandoli si restringe la regione del problema:

• Condensatori di accoppiamento (coupling capacitors, CC): installati sui terminali di linea. A causa dell’attenuazione del segnale rilevano PD solo in circa il 10–15 % dell’avvolgimento (la parte più vicina al terminale). I difetti profondi sfuggono a questi sensori.
• RTD impiegati come sensori di PD: collocati all’interno delle cave e distribuiti lungo l’avvolgimento. Agiscono «come un binocolo» e permettono di osservare una porzione dell’avvolgimento molto più estesa di quella coperta dai soli CC.
• Accoppiatori di cava (stator slot couplers, SSC): hanno una «zona di sensibilità» limitata e rilevano PD solo nella cava specifica in cui sono installati.

Poiché al momento dell’installazione del sistema non è possibile sapere in anticipo quale sensore capterà più PD, si raccomanda di impiegare RTD e condensatori di accoppiamento in modo complementare. Confrontando quale sensore — e in quale posizione — registra la magnitudine più elevata, si individua la regione interessata.

Individuare quale sensore numerato mostra la maggiore attività

Il passo pratico consiste nell’esaminare l’attività canale per canale. Ogni CC e ogni RTD occupa una posizione fisica nota; il sensore con il Qmax più elevato (magnitudine massima di PD) indica direttamente la zona dell’avvolgimento o la cava in cui si concentra il problema. L’andamento mensile di ciascun canale mostra inoltre quale sensore «si impenna» nel tempo.

Interpretare il pattern di fase e la polarità

I grafici di fase (PD plots, con l’angolo da 0 a 360°) rivelano il tipo di difetto:

• Polarità equilibrate + correlazione con i parametri di esercizio → suggeriscono difetti di tipo cavità (void) all’interno della struttura dell’isolamento.
• Pattern differenti possono indicare avvolgimenti allentati o problemi nei punti di uscita di cava (slot exit).

Per localizzare in profondità esiste una sfumatura di simmetria molto utile: gli RTD occupano una posizione simmetrica tra le barre statoriche, mentre l’SSC si trova in posizione asimmetrica. Inoltre le PD della barra inferiore sono schermate dalla barra superiore, per cui l’SSC è meno sensibile alle scariche provenienti dalla barra inferiore. Il confronto tra i due sensori aiuta a distinguere se il difetto è nella barra superiore o in quella inferiore della cava.

Correlare con l’esercizio e con l’andamento temporale

• Il monitoraggio durante un avviamento del motore permette di verificare se l’avvolgimento è serrato: se le PD non risultano influenzate dalle forze dell’avviamento, l’avvolgimento è saldo e l’origine è più probabilmente una cavità interna che un gioco meccanico.
• Il monitoraggio dell’andamento nel tempo (mesi o anni) conferma se l’attività cresce e se una riparazione ha avuto effetto. Se dopo un intervento le PD non diminuiscono, l’origine non era nel punto in cui si è intervenuti.

Procedura in sintesi

1. Installare sensori complementari: RTD nelle cave e condensatori di accoppiamento sui terminali, per coprire l’intero avvolgimento.
2. Esaminare la magnitudine di PD per ciascun sensore numerato per restringere la zona fisica del difetto.
3. Analizzare i pattern di fase e la polarità per classificare il tipo di difetto (cavità, gioco, uscita di cava).
4. Utilizzare la simmetria RTD/SSC e la schermatura tra barre per distinguere la barra superiore da quella inferiore.
5. Correlare con i parametri di esercizio (per esempio un avviamento) e con l’andamento storico per confermare l’origine e validare le riparazioni.

Caso reale: motore da 13,8 kV

Un motore di grande taglia presentava, nelle misure periodiche, un’attività di PD significativa e crescente nel corso di diversi anni. I livelli più elevati sono stati rilevati sugli RTD numeri 3, 4 e 6. Per le polarità equilibrate e la correlazione con i parametri di esercizio, Dynamic Ratings ha concluso che nella struttura dell’isolamento erano presenti difetti di tipo cavità (void). Poiché le PD sono state monitorate durante un avviamento senza effetti negativi, si è dedotto che l’avvolgimento fosse serrato.

Dopo una serie di prove periodiche, un fornitore aveva concluso che la maggior parte dei difetti era dovuta ad avvolgimenti allentati o a punti di uscita di cava. Il cliente ha chiesto un secondo parere, data l’importanza economica della macchina e i lunghi tempi di sostituzione. Nella fermata di marzo 2010 un’ispezione esterna ha trovato l’avvolgimento serrato e senza indizi di PD all’uscita di cava; il consulente ha applicato vernice a gradiente aggiuntiva nella speranza di ridurre l’attività.

Dynamic Ratings è stata chiamata a intervenire. Con il monitor per macchine rotanti sono stati raccolti e analizzati i dati: dopo la fermata l’attività di PD non era diminuita e continuava ad aumentare, il che ha dimostrato che la vernice a gradiente non aveva avuto effetto e che quindi l’origine non era all’uscita di cava, ma all’interno dell’isolamento (cavità), esattamente come indicavano i pattern di fase.

Risultato. Il monitoraggio continuo ha permesso di prendere la decisione corretta sulla macchina e il cliente ha documentato un risparmio stimato di 70.000 USD, pari alla differenza tra una fermata programmata e una fermata forzata. La lezione sulla localizzazione è chiara: i sensori con la magnitudine più elevata (RTD 3, 4 e 6) hanno indicato la zona, mentre il pattern di fase ha indicato il tipo di difetto (cavità), correggendo la diagnosi iniziale di «avvolgimento allentato».

Caso complementare: perché combinare i sensori migliora la localizzazione

In un generatore da 300 MW e 20 kV dotato di SSC sono stati installati RTD nella stessa cava, direttamente sotto l’SSC, tra la barra superiore e quella inferiore. Le misure simultanee hanno mostrato che i due tipi di sensore hanno una sensibilità quasi identica e pattern di PD praticamente uguali; le differenze minori si spiegano con la posizione simmetrica dell’RTD rispetto a quella asimmetrica dell’SSC.

La distribuzione della magnitudine per sensore dimostra il valore della combinazione: a seconda della misura, a volte si distinguono i condensatori di accoppiamento e a volte gli RTD. Poiché i CC «vedono» solo il 10–15 % dell’avvolgimento più vicino al terminale, gli RTD distribuiti nelle cave consentono di localizzare difetti profondi che i CC non rileverebbero.

Conclusione sulla localizzazione: RTD e condensatori di accoppiamento sono complementari, non alternativi. Utilizzarli entrambi offre una visione più profonda e senza lacune dell’attività di PD, necessaria per collocare il difetto nella zona corretta dell’avvolgimento e per non diagnosticarne erroneamente la natura.

Domande frequenti

È possibile localizzare una scarica parziale solo con i condensatori di accoppiamento?

Solo in parte. I condensatori di accoppiamento si installano sui terminali di linea e l’attenuazione limita la loro portata al 10–15 % dell’avvolgimento più prossimo al terminale. Servono a rilevare l’attività, ma un difetto situato in profondità nell’avvolgimento può sfuggire. Per localizzarlo occorre aggiungere sensori distribuiti nelle cave.

Perché impiegare gli RTD già installati come sensori di scariche parziali?

Perché si trovano all’interno delle cave e sono distribuiti lungo l’avvolgimento, cioè esattamente dove interessa guardare. Con il modulo RTD-PD dell’RMM gli RTD di temperatura già presenti vengono riutilizzati come sensori di PD, il che amplia notevolmente la copertura dell’avvolgimento senza rifare l’avvolgimento della macchina né installare un accoppiatore di cava in ogni posizione.

Come si distingue una cavità interna da un avvolgimento allentato?

Dal pattern di fase e dalla risposta all’esercizio. Polarità equilibrate e una buona correlazione con i parametri di funzionamento indicano cavità interne nell’isolamento. Un avvolgimento allentato, al contrario, è sensibile alle forze meccaniche: se durante il monitoraggio di un avviamento l’attività di PD non varia, l’avvolgimento è saldo e l’origine è più probabilmente una cavità.

Qual è la differenza tra un RTD e un accoppiatore di cava (SSC)?

La sensibilità è quasi identica e i pattern coincidono praticamente, come mostra la figura 4. La differenza rilevante è geometrica: l’RTD occupa una posizione simmetrica tra le barre, l’SSC una posizione asimmetrica, e la barra superiore scherma parzialmente le PD della barra inferiore rispetto all’SSC. Il confronto tra i due aiuta a stabilire se il difetto è nella barra superiore o in quella inferiore.

Quando conviene il monitoraggio continuo rispetto alle misure periodiche?

Quando la macchina è critica, i tempi di sostituzione sono lunghi o il costo di una fermata forzata è elevato. Il caso del motore da 13,8 kV lo illustra: è stato proprio l’andamento continuo successivo alla fermata a dimostrare che la riparazione non aveva affrontato l’origine reale del problema, cosa che una misura puntuale non avrebbe rivelato.

Apparecchiature e consulenza

Il monitor per macchine rotanti (RMM) esegue il monitoraggio continuo delle scariche parziali e registra e correla anche la dinamica di funzionamento del motore o del generatore, comprese le applicazioni con azionamento a frequenza variabile (VFD). È possibile consultare anche il resto delle nostre apparecchiature per il rilevamento di scariche parziali, oltre all’articolo di carattere più generale sull’analisi delle scariche parziali.

Un motore o un generatore presenta un’attività di PD crescente e occorre stabilire dove si trova il difetto? È possibile contattare i nostri ingegneri, che sapranno consigliare la strumentazione e il piano di misura più adatti.

Fonti

Dynamic Ratings — «Partial Discharge Monitoring Saves 13.8 kV Motor» e «Use of Stator Slot Couplers and RTDs with Coupling Capacitors for Thorough Partial Discharge Activity Sensing». Immagini riprodotte da tali casi di studio.