Test di prestazioni termiche e meccaniche dei trasformatori di distribuzione: garantire affidabilità e longevità

Introduzione

Nel complesso panorama della distribuzione di energia elettrica, i trasformatori di distribuzione svolgono un ruolo fondamentale. Questi trasformatori sono incaricati di ridurre la tensione dai livelli primari di distribuzione ai valori appropriati per l'utilizzo finale. Il loro funzionamento corretto è cruciale per mantenere una rete elettrica stabile ed efficiente. Questo articolo approfondisce due aspetti essenziali della valutazione dei trasformatori di distribuzione: i test di prestazioni termiche e meccaniche, esplorando anche come prevenire interruzioni del servizio e gestire le variazioni di tensione.

Test di Prestazioni Termiche dei Trasformatori di Distribuzione

L'Importanza dell'Ispettione Termica

I trasformatori di distribuzione generano calore durante il funzionamento. Il calore è principalmente prodotto a causa delle perdite nelle spire e dell'isteresi nel nucleo di questi trasformatori. Un accumulo incontrollato di calore nei trasformatori può portare alla degradazione dell'isolamento, accelerare l'invecchiamento dei trasformatori e costituire un rischio significativo di guasti catastrofici. Le ispezioni termiche regolari dei trasformatori sono quindi di estrema importanza. Queste ispezioni, che includono il monitoraggio della temperatura e la rilevazione dei punti caldi nei trasformatori, agiscono come sistemi di allarme anticipato. Identificando prontamente anomalie termiche nei trasformatori, i tecnici possono prevenire guasti e garantire una fornitura ininterrotta di energia attraverso la rete di distribuzione.

Componenti Chiave per i Test Termici sui Trasformatori

Diversi test formano la base delle ispezioni di prestazioni termiche per i trasformatori di distribuzione:

• Test di Aumento di Temperatura: Un'ispezione fondamentale per i trasformatori, questo test misura l'aumento di temperatura nelle spire e nell'olio dei trasformatori sotto carico nominale. Deviazioni dalle norme stabilite nei trasformatori segnalano potenziali problemi come raffreddamento inefficiente o problemi di resistenza interna. Tali risultati richiedono un'ispezione più approfondita di componenti come ventilatori, alette o livelli di refrigerante nei trasformatori.

• Ispettione con Immagini Termiche: Vengono utilizzate telecamere infrarosse in questa tecnica di ispezione non invasiva per i trasformatori. Essi mappano le temperature superficiali dei trasformatori, evidenziando punti caldi nascosti, che potrebbero essere dovuti a connessioni allentate o a dotti ostruiti all'interno dei trasformatori. Ciò consente riparazioni mirate nei trasformatori prima che si verifichi un danno all'isolamento.

• Analisi della Temperatura dell'Olio: Il campionamento e il test della viscosità e del contenuto acido dell'olio del trasformatore forniscono informazioni sullo stress termico subito dai trasformatori. Un'elevata acidità nell'olio dei trasformatori indica un riscaldamento eccessivo, attivando un'ispezione delle fonti di calore e dei meccanismi di raffreddamento all'interno dei trasformatori.

Protocolli e Standard di Ispettione per i Trasformatori

Standard come IEEE C57.12.90 e IEC 60076 impongono ispezioni termiche sistematiche dei trasformatori. Durante i test, i tecnici simulano condizioni a pieno carico sui trasformatori mentre monitorano attentamente i gradienti di temperatura. Ad esempio, un'ispezione di aumento di temperatura nei trasformatori richiede la stabilizzazione dei trasformatori per diverse ore prima di registrare le letture. La documentazione dettagliata di ogni ispezione dei trasformatori, inclusi le condizioni ambientali, le durate dei test e i profili termici, facilita l'analisi delle tendenze dei trasformatori nel tempo.

Frequenza e Strategie Adattive per le Ispettioni dei Trasformatori

La frequenza delle ispezioni termiche per i trasformatori dipende da vari fattori come la variabilità del carico e le condizioni ambientali. I trasformatori di distribuzione in aree urbane con carichi fluttuanti potrebbero richiedere ispezioni mensili, mentre quelli in aree rurali potrebbero bastare con controlli trimestrali. In climi caldi, gli intervalli tra le ispezioni termiche dei trasformatori vengono accorciati per contrastare gli effetti dello stress termico. Sistemi di monitoraggio avanzati ora consentono ispezioni termiche continue dei trasformatori tramite sensori incorporati, che trasmettono dati in tempo reale dai trasformatori ai centri di controllo.

Superare le Sfide delle Ispettioni nei Trasformatori

Le ispezioni termiche dei trasformatori affrontano determinate sfide. Notabilmente, possono verificarsi falsi positivi a causa di picchi di carico transitori nei trasformatori. Per mitigare ciò, i tecnici correlano i dati termici con parametri elettrici, come le correnti di carico nei trasformatori. Inoltre, l'accesso a componenti difficilmente raggiungibili, come le spire interne dei trasformatori, richiede competenze specializzate. Alcune ispezioni dei trasformatori richiedono lo svuotamento dell'olio, necessitando un rigoroso rispetto di protocolli di sicurezza meticolosi. La taratura regolare dei sensori termici nei trasformatori assicura risultati di ispezione accurati.

Integrazione dell'Ispettione Termica con la Manutenzione dei Trasformatori

Le ispezioni termiche dei trasformatori fungono da ponte tra la raccolta dei dati e le azioni di manutenzione. Un rapporto di ispezione completo dei trasformatori, che segnala punti caldi, inefficienze di raffreddamento o degradazione dell'olio nei trasformatori, guida interventi immediati. Ad esempio, se un'ispezione con immagini termiche rileva una lamella di raffreddamento ostruita in un trasformatore, la pulizia o la sostituzione diventa una priorità. Incorporando le ispezioni termiche nei programmi di manutenzione preventiva dei trasformatori, gli operatori possono prolungare la vita utile dei trasformatori e ridurre le vulnerabilità della rete.

Test di Prestazioni Meccaniche dei Trasformatori di Distribuzione

L'Indispensabilità dell'Ispettione Meccanica per i Trasformatori

I trasformatori di distribuzione sono esposti a stress meccanici lungo tutto il loro ciclo di vita. I guasti elettrici possono generare forze elettromagnetiche intense che possono distorcere le spire dei trasformatori. Inoltre, l'attività sismica o il trattamento rude durante il trasporto possono danneggiare i componenti interni dei trasformatori. Ispezioni meccaniche regolari, che vanno da controlli visivi a test dinamici sui trasformatori, sono essenziali per rilevare difetti nascosti. Identificando precocemente le debolezze meccaniche nei trasformatori, gli operatori possono proteggersi contro guasti improvvisi che potrebbero interrompere la fornitura di energia e mettere a repentaglio l'infrastruttura complessiva che dipende da questi trasformatori.

Componenti Chiave dei Test Meccanici per i Trasformatori

Diversi test sono integrali alle ispezioni di prestazioni meccaniche dei trasformatori di distribuzione:

• Test Impulso a Cortocircuito: Questa ispezione simula condizioni di guasto per valutare la capacità dei trasformatori di resistere alle forze elettromagnetiche. Deviazioni nell'impedenza o nel dislocamento delle spire nei trasformatori segnalano stress meccanico, sollecitando un'ispezione delle strutture di fissaggio e dei supporti all'interno dei trasformatori.

• Ispettione di Analisi Vibrazionale: Si utilizzano sensori per monitorare le vibrazioni durante l'operazione dei trasformatori. Frequenze anomale rilevate nei trasformatori indicano problemi come parti allentate, nuclei mal allineati o ventole di raffreddamento danneggiate. Questo metodo di ispezione non invasivo aiuta i tecnici a individuare e correggere problemi meccanici nei trasformatori prima che si aggravino.

• Test di Impatto Meccanico: Applicato durante il processo di fabbricazione o dopo il trasporto dei trasformatori, questo test valuta la resilienza dei trasformatori agli shock. Test di caduta o simulazioni sismiche rivelano vulnerabilità in componenti come il serbatoio, i bushing o le connessioni terminali dei trasformatori, sollecitando ispezioni di giunti critici.

Protocolli e Standard di Ispettione per i Trasformatori

Standard come IEEE C57.12.90 e IEC 61378 impongono ispezioni meccaniche rigorose dei trasformatori. Durante i test, i tecnici seguono procedure precise. Ad esempio, i test a cortocircuito nei trasformatori richiedono iniezioni di corrente controllate mentre si monitorano attentamente le risposte meccaniche dei trasformatori. La documentazione dettagliata di ogni ispezione dei trasformatori, inclusi i parametri di test, le deformazioni osservate e le raccomandazioni per la riparazione, costruisce un registro storico per l'analisi futura dei trasformatori.

Frequenza e Adattamento Contestuale per le Ispettioni dei Trasformatori

La frequenza delle ispezioni meccaniche per i trasformatori varia in base agli scenari di utilizzo. I trasformatori di distribuzione in regioni soggette a terremoti possono sottoporsi a ispezioni di vibrazioni trimestrali, mentre quelli in ambienti stabili potrebbero bastare con controlli annuali. I trasformatori appena installati spesso ricevono ispezioni immediate post-trasporto per verificare la loro integrità. Sistemi di monitoraggio avanzati ora consentono ispezioni meccaniche continue dei trasformatori tramite sensori di deformazione e accelerometri incorporati.

Superare le Sfide delle Ispettioni nei Trasformatori

Le ispezioni meccaniche dei trasformatori presentano le proprie complessità. Rilevare danni interni senza smontare i trasformatori è un ostacolo significativo. Alcune ispezioni, come i test ultrasonori per crepe nascoste nei trasformatori, richiedono competenze specializzate. Inoltre, differenziare l'usura normale dalla degradazione anomala nei trasformatori richiede esperienza. Per affrontare queste sfide, i tecnici combinano diversi metodi di ispezione, come l'analisi vibrazionale con ispezioni visive, e sfruttano i dati storici per valutazioni comparative dei trasformatori.

Integrazione dell'Ispettione Meccanica con la Manutenzione dei Trasformatori

Le ispezioni meccaniche dei trasformatori fungono da collegamento cruciale tra diagnosi e azione. Un rapporto di ispezione completo dei trasformatori, che segnala problemi come bulloni allentati, spire deformate o supporti compromessi, detta riparazioni urgenti o sostituzioni di componenti. Ad esempio, se un'ispezione di vibrazioni rileva un nucleo mal allineato in un trasformatore, il ri-allineamento e il ritightening diventano priorità assolute. Incorporando le ispezioni meccaniche nei programmi di manutenzione preventiva dei trasformatori, gli operatori possono prolungare la vita utile dei trasformatori e rinforzare la resilienza della rete.

Prevenire un'Interruzione del Servizio nei Trasformatori di Distribuzione

Come Funzionano i Trasformatori, i Secondari e i Fusibili

I trasformatori di distribuzione riducono la tensione dal valore di distribuzione o del feeder primario al valore di utilizzo. Sono collegati al feeder primario, ai sub-feeder e ai laterali attraverso fusibili primari o interruttori fusi. Il fusibile primario disconnette il trasformatore di distribuzione associato dal feeder primario quando si verifica un guasto del trasformatore o un guasto a bassa impedenza del circuito secondario. Gli interruttori fusi, normalmente chiusi, offrono un modo comodo per disconnettere i piccoli trasformatori di distribuzione per ispezioni e manutenzioni.

Una protezione adeguata contro il sovraccarico di un trasformatore di distribuzione non può essere ottenuta con un solo fusibile primario. Ciò è dovuto alla differenza nella forma della sua curva corrente-tempo e nella curva corrente-tempo sicura del trasformatore di distribuzione. Se viene utilizzato un fusibile abbastanza piccolo per offrire una protezione completa contro il sovraccarico del trasformatore, gran parte della preziosa capacità di sovraccarico del trasformatore viene persa poiché il fusibile si spegne prematuramente. Un tale fusibile piccolo si spegne spesso inutilmente su correnti di surriscaldamento. Pertanto, un fusibile primario dovrebbe essere selezionato in base alla fornitura di protezione contro i cortocircuiti, con la sua corrente minima di spegnimento che supera generalmente il 200% della corrente a pieno carico del suo trasformatore associato.

I trasformatori di distribuzione collegati a feeders a cavo scoperto sono spesso soggetti a gravi disturbi da fulmini. Per minimizzare il cedimento dell'isolamento e i guasti dei trasformatori da fulmini, sono comunemente utilizzati parafulmini con questi trasformatori.

I conduttori secondari di un trasformatore di distribuzione sono tipicamente solidamente collegati a circuiti secondari radiali, dai quali vengono presi i servizi dei consumatori. Ciò significa che il trasformatore manca di protezione contro sovraccarichi e guasti ad alta impedenza sui suoi circuiti secondari. Relativamente pochi trasformatori di distribuzione si bruciano per sovraccarichi, principalmente perché spesso non vengono utilizzati appieno fino alla loro capacità di sovraccarico. Un altro fattore che contribuisce al basso numero di guasti legati a sovraccarichi sono i frequenti controlli di carico e le misure correttive prese prima che si verifichino sovraccarichi pericolosi. Tuttavia, i guasti ad alta impedenza sui loro circuiti secondari causano probabilmente più guasti di trasformatori di distribuzione rispetto ai sovraccarichi, specialmente in aree con condizioni povere degli alberi.

I fusibili nei conduttori secondari dei trasformatori di distribuzione sono poco più efficaci nel prevenire i bruciamenti dei trasformatori rispetto ai fusibili primari, per ragioni simili. Il modo corretto per ottenere una protezione soddisfacente per un trasformatore di distribuzione contro sovraccarichi e guasti ad alta impedenza è installando un interruttore automatico nei conduttori secondari del trasformatore. La curva di scatto di questo interruttore automatico deve essere opportunamente coordinata con la curva corrente-tempo sicura del trasformatore. Il fusibile primario deve anche essere coordinato con l'interruttore automatico secondario in modo che l'interruttore scatti su qualsiasi corrente che possa passare attraverso di esso prima che il fusibile sia danneggiato.

I guasti sulla connessione di servizio del consumatore dal circuito secondario all'interruttore di servizio sono estremamente rari. Pertanto, l'uso di un fusibile secondario al punto in cui la connessione di servizio si collega al circuito secondario non è economicamente giustificabile, eccetto in casi eccezionali come grandi servizi da secondari sotterranei.

Considerazioni sulle Variazioni di Tensione

Assumendo una variazione massima di tensione di circa il 10% in qualsiasi interruttore di servizio del consumatore, la divisione di questa caduta tra le varie parti del sistema, a pieno carico, può essere approssimativamente la seguente:

• 2% di variazione di tensione nel feeder primario tra il primo e l'ultimo trasformatore

• 2,5% di variazione di tensione nel trasformatore di distribuzione

• 3% di variazione di tensione nel circuito secondario

• 0,5% di variazione di tensione nella connessione di servizio del consumatore

Il fatto che la tensione al primario del primo trasformatore di distribuzione non possa essere solitamente mantenuta esattamente spiega l'altro 2%.

Questi numeri sono tipici per i sistemi aerei che alimentano carichi residenziali. Tuttavia, si può aspettare che siano significativamente diversi nei sistemi sotterranei dove vengono utilizzati circuiti a cavo e grandi trasformatori di distribuzione, o quando si fornisce energia a carichi industriali e commerciali.

La dimensione economica del trasformatore di distribuzione e della combinazione del circuito secondario per qualsiasi densità di carico uniforme e tipo di costruzione, a specifici prezzi di mercato, può essere facilmente determinata una volta stabilita la caduta di tensione totale ammissibile in queste due parti del sistema. Se il trasformatore è troppo grande, il costo del circuito secondario e il costo totale saranno eccessivi. Al contrario, se il trasformatore è troppo piccolo, il costo del trasformatore e il costo totale saranno troppo alti.

Gestione dei Cambiamenti di Carico nei Trasformatori

Come in qualsiasi altra parte del sistema di distribuzione, i cambiamenti di carico o la crescita del carico devono essere considerati e pianificati per i trasformatori di distribuzione e i circuiti secondari. I trasformatori di distribuzione e i circuiti secondari non vengono installati solo per servire i carichi esistenti al momento dell'installazione, ma anche per accogliere alcuni carichi futuri. Tuttavia, non è economico fare un eccesso di concessioni per la crescita.

Quando un trasformatore di distribuzione diventa pericolosamente sovraccarico, può essere sostituito da uno di taglia successiva se la capacità di conduzione di corrente del circuito secondario e la regolazione complessiva della tensione lo permettono. In caso contrario, un altro trasformatore di dimensioni simili può essere installato tra il trasformatore sovraccarico e quello adiacente. Questo comporta rimuovere il carico dal trasformatore sovraccarico collegando parte del suo circuito secondario e del carico associato al nuovo trasformatore. Questo riduce anche il carico sul circuito secondario del trasformatore sovraccarico e migliora la regolazione complessiva della tensione. In aree con carico ragionevolmente uniforme, potrebbero essere necessari trasformatori installati su entrambi i lati del trasformatore sovraccarico relativamente rapidamente per mantenere condizioni di tensione soddisfacenti e prevenire il sovraccarico di parti del circuito secondario. Lo stesso risultato può essere ottenuto installando un nuovo trasformatore e ricollocando il trasformatore sovraccarico in modo che alimenti il centro del suo circuito secondario accorciato.

Banca di Trasformatori per Migliorare il Servizio

Con i trasformatori di distribuzione e i circuiti secondari disposti in configurazione radiale tipica, qualsiasi carico singolo viene alimentato solo attraverso un trasformatore e in una sola direzione sul circuito secondario. A causa di ciò, un carico applicato improvvisamente, come quando si avvia un motore, su un servizio del consumatore può causare fastidiosi lampeggiamenti di luce su altri servizi del consumatore alimentati dallo stesso trasformatore. L'aumento dell'uso di elettrodomestici a motore in aree residenziali sta risultando in un numero significativo di reclami per lampeggiamenti di luce. In alcune aree, il lampeggio di luce, piuttosto che la regolazione della tensione, può essere il fattore determinante nella dimensione e disposizione dei trasformatori e dei circuiti secondari.

La banca di trasformatori di distribuzione è solitamente il miglior e più economico modo di migliorare o eliminare il lampeggio di luce. Banca di trasformatori significa parallelando sul lato secondario un certo numero di trasformatori tutti collegati allo stesso circuito primario. La disposizione del circuito secondario in un layout a banca di trasformatori può assumere varie forme, come anelli o reti simili a quelle utilizzate in un sistema di rete secondaria. Tuttavia, i trasformatori a banca, essendo collegati e alimentati da un singolo feeder primario radiale, sono una forma di sistema di distribuzione radiale, diversamente da un anello o una rete di rete secondaria che è alimentato da due o più feeders primari e offre una maggiore affidabilità del servizio.

La conversione dall'usuale disposizione radiale del circuito secondario a quella a banca di trasformatori può solitamente essere fatta in modo semplice e a basso costo chiudendo i vuoti tra i secondari radiali di un certo numero di trasformatori associati allo stesso feeder primario e installando i fusibili primari e secondari appropriati.

Protezione nella Banca di Trasformatori

Due principali forme di protezione sono state utilizzate nella banca di trasformatori di distribuzione. La prima disposizione, probabilmente la più antica e comune, prevede il collegamento dei trasformatori di distribuzione al feeder primario attraverso fusibili primari o interruttori fusi. Questi fusibili dovrebbero spegnersi solo in caso di guasto nel loro trasformatore associato. Tutti i trasformatori sono collegati al circuito secondario comune attraverso fusibili secondari, il cui scopo è disconnettere un trasformatore difettoso dal circuito secondario. La dimensione del fusibile secondario deve essere tale da spegnersi in caso di guasto primario tra il suo trasformatore e il fusibile primario associato. I guasti sul circuito secondario sono normalmente previsti che si brucino da soli. Per prevenire il frequente spegnimento dei fusibili secondari in caso di guasti sul circuito secondario, questi fusibili dovrebbero avere tempi di spegnimento relativamente lunghi su tutte le correnti di guasto, ma non così lunghi da non fornire alcuna protezione ai trasformatori contro guasti secondari che non si schiariscono rapidamente.

L'utilizzo di un interruttore automatico secondario con caratteristiche corrente-tempo appropriate è preferibile ai fusibili secondari nella banca di trasformatori, in quanto offre una maggiore protezione al trasformatore contro sovraccarichi e guasti ad alta impedenza. I fusibili o interruttori secondari dovrebbero aprirsi in meno tempo dei fusibili primari su qualsiasi corrente possibile per prevenire lo spegnimento dei fusibili primari in caso di guasto secondario.

Un guasto del trasformatore viene chiarito dai fusibili primari e secondari del trasformatore senza interrompere il servizio. La maggior parte dei guasti secondari si chiarisce rapidamente, ma quando un guasto secondario persiste, diversi o tutti i fusibili secondari potrebbero spegnersi e alcuni trasformatori potrebbero bruciarsi. L'esperienza dimostra che con uno studio attento delle correnti di guasto previste e una scelta appropriata di fusibili primari e secondari, questo metodo di banca opera con problemi minimi. Tuttavia, occasionalmente, un guasto sul circuito secondario causa il spegnimento di più fusibili secondari e la combustione di alcuni trasformatori, risultando in un'interruzione di servizio maggiore rispetto ai circuiti secondari radiali.

La seconda disposizione di banca di trasformatori è preferibile in quanto non c'è pericolo di un'interruzione completa del servizio all'area bancata a causa di un guasto secondario. In questa disposizione, i trasformatori di distribuzione sono collegati al feeder primario attraverso fusibili primari per le stesse ragioni della prima disposizione. I trasformatori sono solidamente collegati al circuito secondario, che è sezionato tra i trasformatori da fusibili secondari. Questi fusibili sono selezionati per spegnersi più velocemente di qualsiasi fusibile primario per qualsiasi guasto del circuito secondario. Quando un trasformatore fallisce, viene rimosso dal sistema dal suo fusibile primario e dai fusibili secondari adiacenti su entrambi i lati. Quindi, un guasto del trasformatore risulta in un'interruzione del servizio solo per i consumatori associati al trasformatore difettoso. Un guasto del circuito secondario di solito si chiarisce, ma se persiste, viene chiarito dai fusibili secondari vicini alla sezione difettosa e dal fusibile primario del trasformatore associato. I fusibili secondari sono tipicamente selezionati per operare anche su guasti ad alta impedenza, mentre i fusibili primari non lo sono, per le ragioni discusse in preced