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Trasformatori di potenza: Diagnostica avanzata
In pratica sono le condizioni tecniche del sistema isolante, in particolare quello solido a base di cellulosa, a determinare la vita di un trasformatore. Il processo della degradazione dell'isolamento in cellulosa abbassa i suoi parametri meccanici e causa la perdita dell'elasticità. Di conseguenza diminuisce la tensione iniziale dell'avvolgimento che determina la sua resistenza meccanica e la resistenza alle correnti dinamiche di cortocircuito.

Nei trasformatori in cui l'isolamento di carta invecchia da molto tempo può essere pericolosa anche una piccola corrente di cortocircuito, mentre non lo è per un'unità nuova. Tale corrente può facilmente spostare o deformare gli avvolgimenti e ridurre gli spazi tra loro che sono riempiti di olio. In più può deteriorare l'isolamento in carta ed abbassare ancora la resistenza dielettrica dell'avvolgimento. Un altro fenomeno di sovratensione atmosferica o quella di rete può mandare un impulso elettrico attraverso l'isolamento deteriorato e causare l'avaria di un trasformatore funzionante.

Per questo motivo è molto importante effettuare una diagnostica complessiva che permette di valutare lo stato tecnico dell'isolamento solido nonché di riscontrare tempestivamente le deformazioni degli avvolgimenti.

La nostra azienda effettua una serie di rilievi diagnostici in base ai quali si ottiene una precisa valutazione delle condizioni tecniche attuali e dei potenziali pericoli riguardanti il trasformatore in esame, nonché l'elaborazione delle prescrizioni utili per un suo ulteriore impiego.

Test dell'isolamento solido

Tra i principali fattori che determinano la dinamica del processo di degradazione dell'isolamento possiamo elencare, oltre alla temperatura di funzionamento, anche l'accumularsi dell'acqua nel cartone presspan e nella cellulosa. L'aumento dell'umidità accelera in modo significativo il processo d'invecchiamento dell'isolamento (depolimerizzazione delle fibre di cellulosa) e di conseguenza riduce il suo periodo di vita. Il processo di assorbimento dell'umidità che passa dall'atmosfera alla carta tramite l'olio dura ininterrottamente per molti anni e quindi un sistematico monitoraggio della quantità di acqua nell'isolamento di cellulosa risulta indispensabile. Gli elementi solidi dell'isolamento contengono circa il 98% dell'umidità dell'intero sistema isolante carta-olio e il tenore di umidità in esso presente determina il tenore di acqua nell'olio.

Per poter definire le prescrizioni relative ad un ulteriore utilizzo del trasformatore sottoposto a delle prove nonché per poterne stimare la sua durata nel tempo, è estremamente importante stabilire correttamente la percentuale di acqua nella carta ed il suo grado d'invecchiamento.

I rilievi standard del coefficiente di assorbimento R60/R15 o del tanδ definito per la frequenza di rete non consentono di valutare in modo attendibile lo stato dell'isolamento solido. I comuni rilievi del tenore di acqua disciolta nell'olio possono essere utili per stabilire il contenuto di umidità nella carta ma richiedono che i campioni vengano raccolti in un determinato modo. In più, le analisi effettuate in base a tali rilievi richiedono una elevata esperienza e sono spesso viziati dall'errore causato dalla mancanza dello stato reale in qui viene mantenuto l'equilibrio tra il tenore di umidità nell'isolamento solido e nell'olio.

Una elevata resistenza meccanica dell'isolamento, durante la vita del trasformatore, viene garantita dalla struttura a catena della cellulosa nonché dalla costante formazione di macromolecole con struttura lineare. Mantenendo il giusto livello di umidità, l'invecchiamento dell'isolamento viene valutato non in base alla riduzione della resistenza elettrica ma di quella meccanica. Durante la vita del trasformatore la struttura delle macromolecole viene distrutta prevalentemente a causa della temperatura di processo e del tenore di umidità: un aumento della temperatura di 6-8°C riduce la vita dell'isolamento di carta al 50%.

Vita dell'isolamento in cellulosa nell'ipotesi di tenore di umidità costante pari al 0.5%:
  • per temperatura del punto caldo dell'avvolgimento pari a 80oC 500 anni
  • per temperatura 100oC 50 anni
  • per temperatura 120oC circa 6 lat
  • per temperatura 140oC circa 1 anno
Ogni volta che il tenore di umidità raddoppia, riduce la durata dell'isolamento di carta del 50%.

Prendendo come riferimento il tenore di umidità nella carta pari allo 0,5%, il suo aumento fino al 1% riduce la durata due volte mentre l'aumento fino al 2% - quattro volte. Il processo d'invecchiamento della cellulosa comporta la rottura dei legami tra le macromolecole della cellulosa ed il loro accorciamento e la formazione di nuovi composti con molecole più piccole: acqua e ossidi di carbonio, idrogeno e idrocarburi C1 e C2 in misura minima, nonché composti di strutture complesse inclusi i composti del furano. I composti del furano, in particolare l'aldeide del furano 2FAL il più diffuso, che si vedono tra i sottoprodotti dell'invecchiamento della cellulosa, sono prodotti specifici di questo processo. Determinando il loro contenuto nei campioni dell'olio elettroisolante è possibile stimare il livello d'usura dell'isolamento di cellulosa che si manifesta tramite la diminuzione delle sue proprietà meccaniche (grado di polimerizzazione DP).

Ricerca e valutazione delle deformazioni meccaniche degli avvolgimenti

Una tempestiva localizzazione delle deformazioni degli avvolgimenti aiuta a prevenire avarie gravi; facilita anche una razionale programmazione degli interventi di riparazione delle unità in uso e di conseguenza permette di ottimizzare i costi del loro utilizzo.

La misurazione dell'induttanza di dispersione alla frequenza di rete, in uso da molti anni, non consente la rilevazione dei trasferimenti locali degli avvolgimenti poiché questo metodo non è abbastanza sensibile. Lo consente invece il metodo basato sulla funzione di trasferimento dell'avvolgimento in un ampio range di frequenza (metodo FRA).

Come ottenere la funzione di trasferimento degli avvolgimenti del trasformatore utilizzando il metodo FRA

Considerando l'avvolgimento di un trasformatore come se fosse una rete di elementi RLC è ovvio che ogni avvolgimento è caratterizzato da una propria risposta di frequenza. È un'identificazione univoca („impronta digitale”) di un avvolgimento, determinata dalla sua struttura geometrica e dalla dislocazione. Un trasferimento qualsiasi oppure una deformazione dell'avvolgimento che provoca la modifica della capacità e dell'induttanza di dispersione, comporterà un cambiamento di questa risposta. Il metodo di ottenimento della funzione di trasferimento è basato sulla registrazione dei valori che sono la risposta dell'avvolgimento al segnale di tensione sinusoidale inserito in un dato range di frequenza. Questo tipo di rilievi viene chiamato "rilievi nell'ambito della frequenza".

Prova FRA

In pratica la prova FRA viene utilizzata come una delle prove effettuate dopo un guasto (in seguito all'intervento dei dispositivi di sicurezza) o dopo un'installazione, con lo scopo di verificare che gli avvolgimenti non si siano spostati durante il trasporto nonché insieme alle verifiche dello stato dell'isolamento, quando servono a programmare l'utilizzo e gli interventi di riparazione.


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



Rapporto tra l'umidità dell'isolamento solido ed il tenore di acqua disciolta nell'olio

Il cambiamento della temperatura di funzionamento di un'unità provoca una migrazione di acqua tra l'isolamento di carta e l'olio. La misurazione del tenore di acqua disciolta nell'olio, effettuata sul campione prelevato durante il funzionamento a regime del trasformatore (la temperatura dello strato superiore dell'olio supera 40oC e il carico è costante), permette di stimare il tenore di acqua nell'isolamento di cellulosa. Le curve rappresentano l'andamento del tenore di acqua disciolta nell'olio.




Elementi strutturali del sistema di isolamento del trasformatore di alta tensione

Il 40-60% della massa del sistema di isolamento di un trasformatore ad olio è composto da materiali a base di cellulosa (carta e cartone presspan) impregnati di olio.
Avvolgimento compensatore

Allo stato attuale delle ricerche sul metodo FRA l'identificazione delle deformazioni avviene sostanzialmente tramite la comparazione delle caratteristiche registrate con i valori campione. Tale attività richiede una dettagliata conoscenza della metodologia con cui vengono definite le caratteristiche FRA e cioè: genere e tipo di misuratore con cui sono stati rilevati i valori di riferimento, modo di connessione dei cavi di misurazione e degli schermi, impedenza caratteristica dei cavi di misurazione.




Se il tenore di umidità
dell'isolamento arriva al 3%
il processo di invecchiamento
della cellulosa supera cinque
volte quello che caratterizza
il tenore di umidità
pari all' 1%

Il trasferimento o la
deformazione delle spire
non sempre porta ad un
immediato impulso elettrico
attraverso l'isolamento
ma aumenta notevolmente il
rischio di avarie nel caso
di un successivo fenomeno
di sovratensione o di
cortocircuito

Nella 17^ma Fiera
Internazionale per l'Energia a
Bielsko "ENERGETAB 2004",
Energo-Complex ha ricevuto
la medaglia d'Oro della
Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A.
per la rilevazione di deformazioni
meccaniche degli avvolgimenti
dei trasformatori nell'utilizzazione
con il metodo FRA


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