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Trasformatori di potenza: TrafoGrade
TrafoGrade - gestione dei trasformatori

INTRODUZIONE

Le società di distribuzione operanti sul territorio della Polonia utilizzano migliaia di trasformatori di media potenza che collegano le reti di alta tensione con una rete di distribuzione di media tensione. La maggior parte dei trasformatori sono quelli con le potenze pari a 10, 16, 25 e 40 MVA. Molte unità appartenenti a questo gruppo sono in uso da più di 30 anni. Nonostante un così lungo periodo di lavoro, le condizioni tecniche della maggior parte di queste unità ne consente il loro ulteriore utilizzo poiché in passato la progettazione dei trasformatori è stata realizzata considerando un elevato standard di sicurezza riguardo all'isolamento.

L'approccio moderno all'utilizzo dei trasformatori di potenza è basato sulla valutazione complessa delle condizioni tecniche e del suo significato nel sistema di potenza. Collegando questi due fattori si può valutare accuratamente le prospettive di un loro futuro utilizzo e la possibilità di eseguire una valutazione economica sul vantaggio o meno di realizzare una riparazione o sostituzione del trasformatore.

Basandosi sulle ragioni sopraindicate, la ditta Energo-Complex in collaborazione con i dipendenti dell'Università Tecnologica di Pomerania Occidentale e il Politecnico di Opole (Polonia), ha elaborato un sistema di gestione dei trasformatori chiamato TrafoGrade. Il sistema si basa sulla valutazione delle condizioni tecniche del trasformatore e della sua importanza nella rete elettroenergetica e combina gli aspetti tecnici della diagnostica con i fattori economici e finanziari per ottimizzare le decisioni riguardanti l'utilizzo corrente, le eventuali riparazioni e le politiche di investimento.

Nell'opuscolo sono presentate le informazioni generali sul sistema TrafoGrade e sono riportati i risultati delle prove di valutazione di 44 trasformatori che operano in una delle società polacche di distribuzione. E' stata anche eseguita un'analisi economica dell'introduzione del sistema in riferimento ai costi del guasto del trasformatore.

CARATTERISTICHE DEL SISTEMA TrafoGrade

Il sistema di gestione dei trasformatori TrafoGrade è costituito da quattro moduli rappresentati in fig. 1.

Nel sistema si è utilizzato la valutazione attraverso un punteggio che è stato attribuito ad ogni proprietà o parametro riguardante sia la valutazione delle condizioni tecniche sia il significato del trasformatore nel sistema elettroenergetico. Al termine per la valutazione è stata utilizzata una scala a tre gradi: buono, sufficiente, insufficiente. Un semplice sistema a punti per la descrizione delle condizioni tecniche del trasformatore consente di analizzare i risultati delle prove non solo da parte degli ingegneri ma anche dal personale che non possiede specifiche conoscenze tecniche.

VALUTAZIONE DELLE CONDIZIONI TECNICHE DEL TRASFORMATORE

L'elemento principale del sistema TrafoGrade è la valutazione accurata delle condizioni tecniche del trasformatore eseguita con l'uso di metodi diagnostici moderni. La valutazione delle condizioni tecniche si basa su 14 parametri diagnostici:
  • analisi dei gas solubili nell'olio (DGA)
  • analisi delle deformazioni degli avvolgimenti (FRA)
  • vita lavorativa
  • rigidità dielettrica dell'olio
  • esame visivo
  • valutazione del commutatore sotto carico
  • valutazione del gruppo di raffreddamento
  • valutazione degli accessori del trasformatore
  • resistenza dell'isolamento
  • resistenza dell'avvolgimento
  • valutazione del livello di degrado della cellulosa
  • vita del trasformatore
  • umidità dell'isolamento solido
  • livello d'invecchiamento dell'olio
Tutti i parametri diagnostici sono stati organizzati in tre gruppi:
  • Grupa I - diagnostica di base del trasformatore
  • Grupa II - condizioni della parte attiva
  • Grupa III - avanzamento dei processi d'invecchiamento
Il Gruppo I contiene le caratteristiche di base del trasformatore. Queste condizioni tecniche non influiscono molto sulla capacita di lavoro del trasformatore. Soltanto situazioni gravi e pessime condizioni tecniche di uno di questi parametri possono provocare il distacco dell'unità dalla rete. Si presume che le riparazioni dei guasti in questo gruppo non dovrebbero creare grandi problemi tecnici e la loro spesa dovrebbe essere abbastanza contenuta. Ad esempio vi si possono inserire caratteristiche come la valutazione degli accessori o del commutatore sotto carico.

Il Gruppo II contiene gli elementi che hanno un ruolo significante nel funzionamento di un trasformatore. Una non buona condizione tecnica della maggior parte di queste caratteristiche elimina il trasformatore dall'attività ed il suo ripristino in condizioni tecniche accettabili richiede molti sforzi finanziari e organizzativi. A questo gruppo appartiene l'analisi DGA ed un suo risultato negativo richiede il distacco del trasformatore dalla rete ed almeno una ispezione interna.

Il Gruppo III contiene le caratteristiche che non riguardano i problemi legati all'utilizzo del trasformatore ma prendono in considerazione la sua vita e la pianificazione di riparazioni e ammodernamenti. Per questo motivo la negativa valutazione di una di questi parametri non esclude l'unità dal lavoro ma richiede la pianificazione della riparazione. A questo gruppo appartengono caratteristiche come: l'età del trasformatore, le proprietà fisiche e chimiche dell'olio per trasformatori.

Per soddisfare le richieste del sistema TrafoGrade è stata elaborata un'istruzione dettagliata che descrive il modo per definire e valutare i valori di tutti i parametri e la metodica per una valutazione sia di gruppo che globale.

VALUTAZIONE DELL'IMPORTANZA DEL TRASFORMATORE NEL SISTEMA ELETTROENERGETICO

Nel processo decisionale riguardante le politiche d'investimenti e riparazioni oltre alla valutazione delle condizioni tecniche, occorre considerare anche la sua importanza nella rete elettroenergetica. Questo aspetto ha un ruolo significante nell'aumento dell'affidabilità della distribuzione dell'energia elettrica agli utenti e nel miglioramento della sicurezza energetica di un dato territorio. Nel sistema TrafoGrade anche la valutazione dell'importanza del trasformatore è stata espressa in una scala a punti ed è realizzata attraverso l'analisi:
  • delle configurazioni nella rete elettroenergetica nella quale il trasformatore opera con una particolare attenzione ai parametri di affidabilità
  • del tipo di consumatori di energia
  • della possibilità di creazione di riserve del trasformatore, ecc.
La combinazione di due importanti caratteristiche del trasformatore, dal punto di vista della società di distribuzione, consente di inserire il trasformatore nel giusto gruppo di utilizzo. In fig. 3 sono stati presentati i risultati di valutazione di 44 trasformatori eseguita in una delle società di distribuzione.

Nel sistema TrafoGrade i trasformatori sono classificati in tre gruppi prevalenti di utilizzo (fig. 3):
  • trasformatori con l'utilizzo semplificato (U)
  • trasformatori con l'utilizzo normale (N)
  • trasformatori con l'utilizzo sotto particolare supervisione (S)
Al primo gruppo (U) appartengono le unità che possiedono due caratteristiche: condizioni tecniche molto buone oppure che hanno un'importanza minima nel sistema. In questi caso i costi legati alla diagnostica possono essere limitati solo a ispezioni visive periodiche con le analisi DGA dell'olio. Nel gruppo (S) sono incluse le unità che hanno un ruolo strategico nel sistema oppure trasformatori in condizioni tecniche non buone. Ovviamente, in questa situazione, ogni gruppo di utilizzo richiede l'elaborazione di un'istruzione separata, ma questo sistema di gestione basato sulle condizioni reali e sull'importanza del trasformatore consente una concreta diminuzione dei costi di lavoro dei distributori di energia elettrica.

ANALISI DELLE PROSPETTIVE DI UTILIZZO

Il risultato finale della valutazione complessa delle condizioni tecniche del trasformatore è l'elaborazione, riferita ad ogni unità, delle prospettive di utilizzo. Tali informazioni sono particolarmente importanti per i gestori dei trasformatori poiché rendono possibile la realizzazione di un accurato piano di diagnostica e di riparazioni proiettato per i prossimi anni. Nella tabella 1 sono presentate, a titolo dimostrativo, le prospettive di utilizzo di due trasformatori in diverse condizioni tecniche:

Prospettive di futuro utilizzo dei trasformatori:

TDR3b 25000/110 anno di produzione 1980, 10,4 punti
Condizioni tecniche:

Molte perdite

CSC: motore rumoroso durante il funzionamento

DGA: surriscald. a basse temp.

Umidità X = 3,3%

Furani: 3,24 ppm

Fenolo: 1,94 ppm

Proprietà fisico-chimiche dell'olio: soddisfacenti
Prospettive di utilizzo:

Il trasformatore con i processi di invecchiamento avanzati nell'isolamento solido e ad olio. Alto livello di umidità ed un difetto termico accelerano il deterioramento dell'isolamento.

A causa dell'indebolimento dell'efficienza del circuito di protezione e di un possibile effetto bolle esistono i rischi in caso del futuro utilizzo.

Limitazioni di utilizzo:
  • temperatura dell'olio massima 75oC
  • non spostare alle riserve fredde in basse temperature
Le riparazioni richiedono molti sforzi come il riavvolgimento degli avvolgimenti e cambio dell'olio.
TDR3b 16000/110, anno di produzione 1985, 27,1 punti
Condizioni tecniche:

CSC: soddisfacente

DGA: inizio dello stato wnz (basso livello dell'idrogeno)

Umidità X = 2,8%

Furani: nessuno

Proprietà fisiche e chimiche dell'olio: buone
Prospettive di utilizzo:

Non ci sono le limitazioni nell'utilizzo

Dopo 5-7 anni bisognerà probabilmente fare l'essiccazione dell'isolamento.

SISTEMA INFORMATICO GESTIONALE

Gli ulteriori lavori relativi allo sviluppo del sistema TrafoGrade riguardano la realizzazione di un sistema informatico per la gestione dei trasformatori. Nel sistema informatico gestionale saranno raccolti tutti i dati concernenti la valutazione delle condizioni tecniche, dell'importanza nonché le analisi delle prospettive dell'utilizzo di un insieme di trasformatori. Tra le principali funzioni svolte dal software possiamo elencare:
  • agevolazione delle decisioni nell'ambito della politica delle riparazioni e degli investimenti
  • elaborazione di accurate previsioni di bilancio in base allo stato reale dei trasformatori
  • presentazione semplificata dei dati in forma grafica
  • facile accesso all'archivio dei risultati delle misurazioni
Il sistema informatico di gestione del sistema TrafoGrade è un software su misura, dedicato alle esigenze individuali degli utenti, con riguardo alla natura specifica di un dato ente energetico.

ESEMPIO DI IMPLEMENTAZIONE DEL SISTEMA TrafoGrade

Il sistema TrafoGrade è stato implementato in una delle società di distribuzione per la quale è stata effettuata una verifica complessiva di 44 trasformatori di distribuzione. La fig. 4 rappresenta un diagramma circolare che riproduce il periodo di utilizzo di un insieme di trasformatori sottoposti a delle prove.

Considerando i dati statistici relativi alle società di distribuzione polacche si può facilmente notare che questo periodo di utilizzo è valido per il totale dei trasformatori di distribuzione. Per questo motivo si può asserire che la caratteristica dello stato tecnico e le previsioni sull'utilizzo, ottenute tramite il metodo TrafoGrade, nonché i principali problemi tecnici possono essere associati anche ai trasformatori in uso presso altri soggetti polacchi attivi nel settore della distribuzione dell'energia.

Tra i 44 trasformatori sottoposti alle prove, per 4 unità si è registrato uno stato tecnico mediocre, per 33 - sufficiente e per 7 - buono. I principali elementi per una scrupolosa valutazione dello stato tecnico dei trasformatori consistono in moderni ed avanzati metodi diagnostici. La fig. 5 rappresenta i risultati (generalizzati per tutto il gruppo) delle analisi DGA, delle misurazioni del tenore di umidità nell'isolamento solido e delle verifiche effettuate con il metodo FRA, relative alle deformazioni meccaniche degli avvolgimenti.

In base ai risultati mostrati in fig. 5 si può dire che solo una piccola percentuale dell'insieme dei trasformatori sottoposti alle prove, presenta problemi tecnici talmente gravi da richiedere l'impegno di notevoli mezzi finanziari. In fig. 6 vediamo le previsioni di utilizzo elaborate per l'insieme di 44 trasformatori sottoposti a delle analisi. La previsione di utilizzo, definita in base agli indici dello stato tecnico, costituisce il punto di partenza per l'analisi economica.

ASPETTI ECONOMICI DELL'IMPLEMENTAZIONE DEL SISTEMA TrafoGrade

Utilizzando il metodo classico della elaborazione dei risultati rilevati, il proprietario di un'unità effettua un'analisi tecnica dei dati contenuti, in più volte, nei diversi protocolli e in base ad essi trae le relative conclusioni. Integrando nel sistema informatico tutti i dati rilevati durante le misurazioni nonché utilizzando una scala a punti per verificare lo stato tecnico, l'analisi dei dati risulta semplificata. Inoltre le decisioni possono essere prese anche da manager non necessariamente esperti nell'ambito della diagnostica dei trasformatori. Implementando il complesso sistema di gestione, basato su una multiparametrica valutazione delle condizioni tecniche di un trasformatore, è possibile ottimizzare le spese d'investimento sostenute per effetto di riparazioni e di ammodernamenti. Questo approccio alla gestione di un insieme di trasformatori consente di riconoscere in modo facile il momento giusto in cui si può migliorare notevolmente lo stato tecnico di una data unità con impiego di costi relativamente bassi. Si fa riferimento ora, ad un trasformatore con un alto tenore di umidità nell'isolamento solido, dalle mediocri caratteristiche dell'olio, ma con l'avvolgimento e l'isolamento solido in un buono stato meccanico. La riparazione di tale unità consiste nell'effettuare le seguenti operazioni:
  • deumidificare e pulire gli avvolgimenti
  • stirare l'anima e gli avvolgimenti
  • cambiare l'olio
  • sostituire i radiatori
  • riparare il commutatore sotto carico
  • sostituire i dispositivi
Il costo stimato della riparazione effettuata ammonta a circa 300 000 PLN. L'unità dopo essere riparata può essere riutilizzata per almeno altri 10-15 anni. Nel caso in cui il trasformatore sia in uno stato tecnico mediocre bisogna decidere se l''unità dev'essere riparata o sostituita. Tale decisione dipende dai seguenti fattori:
  • analisi delle perdite durante il funzionamento a vuoto
  • analisi della crescente domanda di energia elettrica nel luogo d'installazione del trasformatore
  • modifica del sistema di collegamento tra i trasformatori
Il costo stimato di un nuovo trasformatore da 25 MVA va da 1,4 ai 2,0 mln PLN, invece il costo di una riparazione complessiva ammonta a 650 000 - 850 000 PLN. Ai costi della riparazione di un trasformatore vanno anche aggiunti quelli relativi allo smontaggio e alla preparazione dell'unità per il trasporto. Tali costi ammontano a circa 170 000 PLN.

Lo scopo principale della diagnostica avanzata di un trasformatore è quello di evitare avarie del trasformatore, in particolare quelle più gravi. Un'avaria molto grave, il cui raggio d'azione riguarda generalmente il campo dell'alta e spesso anche della media tensione, porta ad un incontrollabile aumento dei costi degli interventi di riparazione. Da esempio può fungere l'avaria di un trasformatore da 25 MVA in una delle società di distribuzione, quando un incendio distrugge il campo della media e dell'alta tensione. Il costo totale sostenuto per eliminare quest'avaria era pari a 6,5 mln PLN cioè superava 10 volte i costi di una riparazione complessiva di un'unità di questo tipo.

Parlando di una tipica società di distribuzione, il costo stimato di implementazione del sistema TrafoGrade viene ammortizzato già nel caso in cui, grazie alle attività di prevenzione, si riesce ad evitare l'avaria di un solo trasformatore.

La valutazione con una scala a punti e manuali d'uso dei trasformatori adattati agli standard del metodo TrafoGrade permettono di ridurre i costi della diagnosi periodica. Un approccio individuale ad una data unità consente di limitare il volume delle prove nel caso di trasformatori appartenenti al gruppo d'utilizzo U nonché di razionalizzare il range delle misurazioni necessarie nei gruppi N e S.

CONCLUSIONI

L'approccio alla gestione dei trasformatori presentato in questa pubblicazione permette di analizzare in modo efficiente le questioni relative agli interventi di riparazione che migliorano la qualità e l'affidabilità delle unità in uso e di ridurre in modo significativo il verificarsi di avarie, in particolare quelle gravi. Attraverso la valutazione del ruolo di un trasformatore nel sistema elettroenergetico si possono adottare misure volte ad aumentare la sicurezza energetica della rete. Un elemento essenziale di tale valutazione prima di tutto l'importanza di chi riceve l'energia fornita dal trasformatore. Questi dati, insieme alla valutazione delle condizioni tecniche, permettono di stimare gli effetti reali di un'avaria riguardo ai costi da sostenere in caso di mancata fornitura di energia. Dal punto di vista delle società di distribuzione, la prevenzione delle interruzioni nella fornitura dell'energia elettrica è essenziale non solo per motivi economici ma anche per quelli di marketing, che prendono in considerazione l'immagine della società ed il suo marchio. Una complessiva valutazione delle condizioni tecniche fornisce numerose e importanti informazioni, utili nelle attività logistiche e nella politica finanziaria delle aziende utilizzatrici dei trasformatori di media ed alta potenza.


Le nostre pubblicazioni:

 Condition assessment of medium-power transformers using diagnostic methods: PDC, FDS, FRA, to support decision to modernize or replace service-aged units.

 Contemporary Diagnostic Methods of HV Rotating Machine and Transformer Insulation




Fig. 1.
Moduli del sistema TrafoGrade

Fig. 2.
Algoritmo della valutazione
delle condizioni tecniche del
trasformatore nel sistema
TrafoGrade

Fig. 3
Risultati delle analisi complesse
delle condizioni tecniche e
dell'importanz del trasformatore
all'interno del sistema
eletttroenergetico

Fig. 4.
Età dei trasformatori

Fig. 5.
Valutazione dei trasformatori
per alcune caratteristiche delle
condizioni tecniche: analisi DGA
dell'olio, umidità della
cellulosa, FRA

Fig. 6.
Prospettive dell'utilizzo:
periodo di lavoro fino al
ricambio dell'olio, essiccazione
dell'isolamento solido, tempo
stimato per l'utilizzo
senza riparazioni

Menzione del prodotto
TrafoGrade fatta durante
la fiera internazionale
"ENERGATAB 2009"

TrafoGrade - gestione dei
trasformatori






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