Manutenzione e Diagnostica dei Trasformatori: Tecniche per Prolungare la Vita Utile

Manutenzione e Diagnostica dei Trasformatori

In caso di guasto interno, l'olio isolante, comunemente chiamato gasolio, si decompone.

L'invecchiamento dell'olio è causato da: ossigeno (che produce fanghi), temperatura (che attiva l'ossidazione), metalli leggeri come il rame (che catalizzano le reazioni di invecchiamento). Quando l'olio è ossidato, il fango si deposita sulla superficie degli avvolgimenti.

La cosa peggiore è l'acqua: poche parti per milione riducono drasticamente la rigidità dielettrica dell'olio.

I trasformatori di piccole dimensioni sono completamente riempiti; quando l'olio si espande, la cassa aumenta il suo volume grazie all'elasticità delle alette di raffreddamento.

In generale, il trasformatore è dotato di un conservatore o di un serbatoio di espansione pari all'8% del volume della cassa. L'olio, essendo più lontano dalle fonti di calore e avendo una minore superficie di dissipazione del calore rispetto al volume, si mantiene meglio e si raffredda in modo più efficiente, prevenendo così l'invecchiamento.

In questi serbatoi l'olio è a contatto con l'aria, ma la superficie è ridotta e l'olio è freddo, portando ad un equilibrio chimico con un contenuto di ossigeno di circa 800 ppm. Poiché l'aria contiene umidità, si cerca di ridurla con un tubo di gel di silice disidratante. Tuttavia, in assenza di pioggia o nebbia, o se il trasformatore è scollegato dalla rete, il gel di silice non può assorbire l'umidità. In questi casi, il gel cambia colore e deve essere sostituito o essiccato.

Relè Buchholz

Il relè Buchholz è posto nel tubo di collegamento tra la cassa e il vaso di espansione e serve a rilevare sia la presenza di gas nell'olio, sia una velocità del flusso d'olio superiore al normale.

Il relè Buchholz è costituito da un piccolo serbatoio di liquido isolante, al cui interno si trovano un galleggiante e un diaframma immersi nell'olio. Entrambi sono collegati ad un interruttore di disconnessione del circuito, che si attiva in presenza di gas nell'olio. Quando l'olio si decompone, alcuni gas generati passano attraverso il serbatoio di espansione, mentre altri rimangono nel relè, provocando uno spostamento del livello del liquido. Il galleggiante si abbassa, si inclina e attiva un allarme senza scollegare il trasformatore. Non viene disconnesso perché la presenza di gas nel serbatoio può essere dovuta all'accumulo negli anni, al trasporto, ecc.

Se il guasto è molto importante, il trasformatore genera una quantità molto elevata di gas che viaggia ad alta velocità nell'olio. Se la velocità è sufficiente, il diaframma si attiva e fa scattare l'interruttore per scollegare il trasformatore. Il ripristino è impossibile fino a quando l'operatore non preme il pulsante di reset.

Analisi dell'Olio

Le analisi fisico-chimiche dell'olio permettono di sapere se l'olio sta subendo un invecchiamento accelerato. Si analizzano il colore (un olio nuovo è giallo molto chiaro, mentre uno vecchio è quasi nero), il contenuto di acqua, la rigidità dielettrica e la tangente delta.

Per la tangente delta, si riempie un condensatore con l'olio dielettrico e si misurano, con un ponte di Schering, la capacità e le perdite di potenza attiva. In un condensatore ideale, la corrente consumata è in anticipo di 90° rispetto alla tensione applicata; con l'olio, il condensatore non consuma potenza attiva, scambiando con la fonte solo potenza reattiva. Se il dielettrico contiene particelle polari, sottoponendo il condensatore ad un campo elettromagnetico queste si orientano, ma a metà del ciclo successivo, la polarità cambia e i dipoli ruotano. Ruotando, si scontrano e generano calore (isteresi dielettrica), facendo sì che il condensatore assorba energia attiva dalla fonte. L'angolo I viene spostato di meno di 90° rispetto a U; φ è questo nuovo ritardo, ma in Europa si usa l'angolo complementare δ. La sua tangente (δ) indica se l'olio deve essere smaltito (valore molto alto) o se può essere rigenerato (valore basso), utilizzando un filtro rotativo e, se l'olio è vecchio, terra di Fuller.

Analisi dei Gas

L'analisi dei gas si basa sul fatto che l'olio si decompone, sotto l'azione della temperatura, in gas come metano, etano, etilene ed acetilene. Se la temperatura è normale, il rapporto tra questi gas rimane costante; se ci sono punti caldi, il rapporto cambia. Prelevando un campione di olio in un contenitore opaco, si ottiene la concentrazione dei gas e la si confronta con le soglie della norma UNE. Se i rapporti sono alterati, si assegnano dei valori e, con un codice a tre cifre, si consulta una tabella che indica il probabile guasto del trasformatore. Se il rapporto tra CO e CO2 è inferiore alla soglia, significa che è la carta a decomporsi.

L'aspetto più importante è l'evoluzione del guasto, che viene monitorata analizzando l'olio periodicamente e aumentando la frequenza, se necessario.

Una sovrapproduzione di idrogeno (H) è sintomatica di scariche parziali, che normalmente si producono in bolle di gas all'interno dell'olio. Per studiare la distribuzione del campo elettrico tra diversi isolanti, si può considerare un condensatore con dielettrici di diversa permittività, ad esempio carta, olio e gas.

Poiché il gas ha una costante dielettrica bassa, è sottoposto ad un campo elettrico maggiore e ha una rigidità dielettrica inferiore. Questo produce scariche elettriche tra una parete della bolla e l'altra. Queste scariche parziali nei gas decompongono l'olio.

Alternative all'Olio Minerale

Il problema principale dell'olio minerale è il suo basso punto di infiammabilità, sebbene sia un buon isolante e refrigerante nei trasformatori. Per questo motivo, in alcuni casi si utilizzano altri tipi di isolamento.

I trasformatori a secco con avvolgimenti inglobati in resina hanno avuto successo. Il problema è che è molto difficile evitare la formazione di bolle e, di conseguenza, di scariche parziali. Per questo motivo, sono utilizzati solo per bassa tensione (30kV) e, poiché l'aria è il mezzo di raffreddamento, solo per potenze ridotte (10MVA).

I trasformatori al silicone sono buoni isolanti, ma hanno una viscosità elevata, quindi non sono buoni refrigeranti. Inoltre, la loro viscosità aumenta con la temperatura.

Gli oli vegetali ottenuti dalla raffinazione di semi di girasole, mais, ecc. sono buoni isolanti e hanno un alto punto di infiammabilità. Il problema è che si ossidano facilmente, quindi vengono utilizzati solo in trasformatori sigillati con membrana di gomma. Sono molto igroscopici, quindi estraggono l'acqua sia in forma di vapore che liquida.

Manutenzione dei Trasformatori

La manutenzione è una grande responsabilità perché un guasto potrebbe portare a interruzioni di fornitura. I trasformatori di grande potenza sono realizzati su misura, quindi, dal momento dell'ordine, può passare più di un anno. È più facile riparare un guasto quando riguarda una piccola parte rispetto a quando è generalizzato. Per conoscere lo stato del trasformatore, si eseguono alcune prove.

Le prove misurano la capacità tra gli avvolgimenti, la corrente di eccitazione (l'intensità necessaria per creare il flusso), il rapporto di trasformazione, la FRA (risposta a sollecitazioni variabili in frequenza), la SDS (per stimare il contenuto di umidità dell'isolamento solido).