Analisi dei Metodi Diagnostici per i Guasti di Terra al Nucleo nei Trasformatori di Distribuzione a 35 kV

Trasformatori di distribuzione a 35 kV: Analisi e metodi diagnostici per i guasti di messa a terra del nucleo

I trasformatori di distribuzione a 35 kV sono attrezzature critiche comuni nei sistemi elettrici, svolgendo importanti compiti di trasmissione dell'energia elettrica. Tuttavia, durante l'operazione a lungo termine, i guasti di messa a terra del nucleo sono diventati un problema principale che influenza l'operazione stabile dei trasformatori. I guasti di messa a terra del nucleo non solo influenzano l'efficienza energetica del trasformatore e aumentano i costi di manutenzione del sistema, ma possono anche scatenare malfunzionamenti elettrici più gravi.

Con l'invecchiamento delle attrezzature elettriche, la frequenza dei guasti di messa a terra del nucleo aumenta gradualmente, richiedendo un rafforzamento della diagnosi e del trattamento dei guasti nell'operazione e manutenzione delle attrezzature elettriche. Sebbene esistano attualmente alcuni metodi diagnostici, ci sono ancora collo di bottiglia tecnologici come bassa efficienza di rilevamento e difficile localizzazione dei guasti. C'è una necessità urgente di esplorare e applicare tecnologie di diagnostica dei guasti più precise e sensibili per migliorare l'affidabilità operativa delle attrezzature e garantire la stabilità e la sicurezza del sistema elettrico.

1 Analisi delle cause e caratteristiche dei guasti di messa a terra del nucleo nei trasformatori di distribuzione a 35 kV

1.1 Cause comuni dei guasti di messa a terra del nucleo

Nei trasformatori di distribuzione a 35 kV, materiali isolanti vengono tipicamente utilizzati tra le lamelle del nucleo per l'isolamento. Tuttavia, durante l'operazione a lungo termine, i campi elettrici interni e la temperatura causano un invecchiamento graduale dei materiali isolanti, specialmente in ambienti ad alta tensione e alta temperatura dove le prestazioni di isolamento si deteriorano rapidamente. Con il progredire dell'invecchiamento, la resistenza di isolamento diminuisce e il fallimento dell'isolamento in alcune aree può formare guasti di messa a terra multi-punto.

I trasformatori inevitabilmente sperimentano vibrazioni meccaniche durante l'operazione prolungata. Soprattutto in condizioni di fluttuazioni significative del carico, le vibrazioni possono causare uno spostamento relativo del nucleo e dei componenti di fissaggio del nucleo. Staffe di fissaggio del nucleo allentate o materiali di isolamento danneggiati possono scatenare guasti di messa a terra. I difetti di fabbricazione del nucleo del trasformatore sono anche cause importanti di guasti di messa a terra del nucleo. Durante la fabbricazione, se le lamine di acciaio silicio hanno barbe, rivestimenti isolanti irregolari o precisione di lavorazione insufficiente del nucleo, possono verificarsi danni all'isolamento locali. Questi difetti sono spesso concentrati nelle parti di messa a terra del trasformatore. Quando la distribuzione del campo elettrico nel nucleo è ineguale, possono verificarsi scariche parziali.

1.2 Caratteristiche elettriche e pericoli dei guasti

La caratteristica elettrica più diretta dei guasti di messa a terra del nucleo è l'aumento della corrente di messa a terra. Dopo l'insorgere di un guasto di messa a terra, la corrente di messa a terra solitamente presenta fluttuazioni con componenti armoniche, in particolare nella regione ad alta frequenza superiore ai 50 Hz. Quando si verificano guasti, la forma d'onda della corrente di messa a terra spesso appare non sinusoidale, con ampiezze maggiori delle componenti armoniche.

Un'altra caratteristica tipica dei guasti di messa a terra del nucleo è la scarica parziale. Dopo il fallimento del materiale isolante, il campo elettrico si concentra nelle aree danneggiate, causando fenomeni di scarica corona e scarica parziale. La scarica parziale genera tipicamente impulsi di corrente ad alta frequenza con una gamma di frequenze generalmente compresa tra 3-30 MHz. I segnali di corrente in questa banda di frequenze possono essere catturati e analizzati utilizzando trasformatori di corrente ad alta frequenza (HFCT) specializzati.

Un'altra caratteristica elettrica scatenata dai guasti di messa a terra del nucleo è l'effetto di aumento della temperatura. A causa delle perdite per correnti indotte al punto di guasto, si verifica un aumento locale della temperatura. Questo effetto di aumento della temperatura non solo danneggia direttamente i materiali isolanti, ma può anche causare sovrariscaldamenti in alcune aree del nucleo.

1.3 Impatto dei guasti sull'operazione del trasformatore

I guasti di messa a terra del nucleo portano a un aumento della corrente di messa a terra, che a sua volta causa perdite aggiuntive nel nucleo del trasformatore. Le perdite del nucleo consistono principalmente in perdite per correnti indotte e perdite di isteresi. Quando si verificano guasti di messa a terra, la distribuzione ineguale del flusso magnetico all'interno del trasformatore aumenta significativamente le perdite per correnti indotte in alcune aree. Ciò non solo riduce l'efficienza energetica del trasformatore, ma può anche aumentare significativamente i costi operativi. L'aumento delle perdite del nucleo esaspera l'ipertermia del trasformatore, influenzando ulteriormente l'operazione stabile a lungo termine.

Le scariche parziali e gli effetti di aumento della temperatura causati dai guasti di messa a terra del nucleo accelerano l'invecchiamento dei materiali isolanti interni dei trasformatori. Durante l'invecchiamento dell'isolamento, la resistenza degli strati isolanti diminuisce gradualmente e la capacità di isolamento elettrico fallisce progressivamente. Quando l'isolamento fallisce completamente, può scatenare cortocircuiti locali o incidenti di cortocircuito completo più gravi.

I guasti di messa a terra del nucleo non solo portano a una diminuzione delle prestazioni elettriche, ma influenzano anche la composizione chimica dell'olio del trasformatore. Quando il nucleo viene messo a terra, le scariche parziali e l'ipertermia causano un aumento della temperatura dell'olio interno, portando a cambiamenti nei componenti gassosi disciolti nell'olio, in particolare aumenti anomali del contenuto di metano (CH4) ed etilene (C2H4).

2 Metodi diagnostici e confronto tecnico per i guasti di messa a terra del nucleo

2.1 Metodi diagnostici tradizionali

Il metodo della resistenza a corrente continua è uno dei metodi diagnostici tradizionali per i guasti di messa a terra del nucleo, giudicando principalmente l'esistenza del guasto misurando la resistenza di isolamento tra il nucleo e la terra. Questo metodo applica una tensione continua e misura il rapporto tra corrente e tensione per calcolare la resistenza di isolamento. Idealmente, la resistenza di isolamento del nucleo dovrebbe rimanere ad un valore elevato; se la resistenza scende al di sotto di una certa soglia, ciò può indicare un guasto di messa a terra.

Tuttavia, il metodo della resistenza in corrente continua non può localizzare con precisione i punti di guasto. I risultati delle sue misurazioni possono solo riflettere le prestazioni medie dell'isolamento dell'intero nucleo e non possono determinare aree di guasto specifiche. Questo metodo presenta anche una certa ritardata, specialmente quando l'invecchiamento dell'isolamento non ha ancora causato cambiamenti significativi nella resistenza, rendendo inefficace la rilevazione precoce dei guasti. Inoltre, il metodo della resistenza in corrente continua non può fornire informazioni sui tipi di guasto, e le caratteristiche dettagliate del guasto non possono essere estratte efficacemente dai dati di misurazione.

L'analisi cromatografica dell'olio rileva i cambiamenti nei componenti gassosi disciolti nell'olio del trasformatore per inferire i tipi di guasto. Questi gas disciolti sono tipicamente prodotti quando si verificano scariche, surriscaldamenti o altri guasti elettrici all'interno del trasformatore. I componenti gassosi comuni nell'olio del trasformatore includono metano (CH4), etilene (C2H4), etano (C2H6), ecc. I cambiamenti nelle concentrazioni di gas possono riflettere lo stato operativo del trasformatore. 

Confrontando le concentrazioni di gas disciolti nell'olio con i tipi di guasto, è possibile determinare preliminarmente se nel trasformatore sia avvenuto un guasto di messa a terra del nucleo. L'analisi cromatografica dell'olio ha una risposta relativamente ritardata; dopo che si verifica un guasto, occorre del tempo affinché i gas disciolti si accumulino, limitando la tempestività della diagnosi del guasto. Inoltre, l'analisi cromatografica dell'olio non può fornire localizzazioni precise dei guasti o caratteristiche specifiche, indicando i guasti solo attraverso i cambiamenti nelle concentrazioni di gas. Per guasti minori o intermittenti, la diagnosi tramite analisi cromatografica dell'olio potrebbe essere ritardata e non in grado di reagire prontamente all'insorgere del guasto.

2.2 Tecnologie di rilevazione con strumenti moderni

La tecnologia di rilevazione delle scariche parziali si basa sul principio dei trasformatori di corrente ad alta frequenza (HFCT), catturando e analizzando i segnali d'impulso di scarica causati dalla messa a terra del nucleo per diagnosticare i guasti. Quando si verificano guasti di messa a terra del nucleo, le scariche parziali generano impulsi di corrente ad alta frequenza nei punti di danneggiamento dell'isolamento. Questi segnali di corrente si manifestano tipicamente come rumori ad alta frequenza o segnali d'impulso con range di frequenze generalmente compresi tra 3-30 MHz. 

Installando sensori di corrente ad alta frequenza sulla linea di messa a terra del trasformatore, è possibile catturare in tempo reale i segnali di scarica parziale. Questa tecnologia può localizzare efficientemente i punti di guasto parziale, ha alta sensibilità e può rilevare i guasti in stadi iniziali. La rilevazione delle scariche parziali può identificare efficacemente guasti minori causati dall'invecchiamento dell'isolamento o da danni meccanici, fornendo informazioni di diagnosi dei guasti accurate. Analizzando i segnali di scarica parziale, è possibile valutare la gravità e la tendenza di sviluppo dei guasti, consentendo l'adozione di misure di manutenzione o preventivo corrispondenti.

La tecnologia di termografia infrarossa rileva le aree di aumento locale della temperatura nel nucleo utilizzando telecamere termografiche a infrarossi per determinare se esistano guasti di messa a terra. Dopo che si verificano guasti di messa a terra nei trasformatori, le perdite di corrente indotta in aree locali causano aumenti di temperatura, particolarmente significativi intorno ai punti di guasto. La tecnologia di termografia infrarossa può ottenere la distribuzione della temperatura in tempo reale sulla superficie del nucleo e determinare l'esistenza di guasti attraverso differenze di temperatura. Tipicamente, quando le differenze di temperatura superano i 10°C, è necessaria un'indagine focalizzata su quell'area. Il vantaggio di questa tecnologia sta nella sua capacità di rilevare i cambiamenti di temperatura senza contatto, con una velocità di misurazione rapida, rendendola adatta per rilevamenti rapidi sul campo.

Il metodo di rilevazione della corrente ad alta frequenza utilizza bobine di Rogowski per misurare i cambiamenti di corrente ad alta frequenza nelle linee di messa a terra, tipicamente in un range di frequenza di 500 kHz a 2 MHz. Queste correnti ad alta frequenza sono generate dai processi di scarica causati dai guasti di messa a terra del nucleo. Rilevando i segnali di corrente in questo range di frequenza, è possibile identificare efficacemente l'esistenza di guasti. A confronto con la tecnologia di rilevazione delle scariche parziali, il rilevamento della corrente ad alta frequenza ha una maggiore sensibilità e può catturare segnali di guasto estremamente deboli. Utilizzando bobine di Rogowski per la misurazione senza contatto, non solo si semplifica l'installazione, ma si migliora anche l'accuratezza della misura. Questa tecnologia è particolarmente adatta per aree difficili da raggiungere direttamente e può eseguire rilevamenti online senza danneggiare l'equipaggiamento.

3 Ottimizzazione del processo di diagnosi dei guasti e analisi di casi

3.1 Raccomandazioni per un processo di diagnosi ottimizzato

Nella diagnosi dei guasti di messa a terra del nucleo, il primo passo dovrebbe essere uno screening preliminare utilizzando la tecnologia di termografia infrarossa. Le telecamere termografiche a infrarossi possono ottenere rapidamente mappe della distribuzione della temperatura sulla superficie del trasformatore, aiutando il personale diagnostico a identificare possibili aree di aumento anomalo della temperatura. Una volta che lo screening preliminare ha identificato le aree potenzialmente interessate da guasti, il passo successivo dovrebbe combinare la tecnologia di rilevazione della corrente ad alta frequenza e la tecnologia di rilevazione delle scariche parziali per test precisi.

Il metodo di rilevazione della corrente ad alta frequenza cattura i cambiamenti di corrente di messa a terra nella banda di frequenza da 500 kHz a 2 MHz utilizzando bobine di Rogowski, identificando efficacemente le aree di guasto di messa a terra del nucleo. La tecnologia di rilevazione delle scariche parziali monitora in tempo reale i segnali d'impulso di scarica utilizzando sensori HFCT, analizzando la frequenza e l'intensità delle scariche per confermare ulteriormente le posizioni dei punti di guasto.

Dopo aver effettuato la rilevazione della corrente ad alta frequenza e delle scariche parziali, l'ultimo passo dovrebbe essere la verifica e l'analisi della gravità del guasto tramite l'analisi cromatografica dell'olio. Rilevando i gas disciolti nell'olio del trasformatore, in particolare i cambiamenti di concentrazione di metano (CH4), etilene (C2H4) e altri gas, si può confermare ulteriormente la natura del guasto. Per guasti gravi di messa a terra del nucleo, l'analisi cromatografica mostrerà componenti gassosi anormalmente elevati. Combinando i dati dell'analisi cromatografica con i risultati di altre rilevazioni, è possibile valutare in modo completo l'impatto del guasto e fornire la base per i lavori di riparazione successivi.

3.2 Analisi di casi tipici

Durante l'operazione in una sottostazione, il personale di manutenzione ha notato un aumento significativo della corrente di messa a terra in un trasformatore di distribuzione a 35 kV, ben al di sopra dei valori normali. I dati di monitoraggio hanno mostrato che la corrente di messa a terra ha raggiunto 5 A, mentre in condizioni normali, la corrente di messa a terra dovrebbe essere inferiore a 100 mA. La sfida era che, sebbene la corrente di messa a terra fosse aumentata in modo anomalo, non erano presenti indicazioni fisiche evidenti di guasto esterno. Metodi diagnostici elettrici tradizionali come il test della resistenza in corrente continua e l'analisi cromatografica dell'olio non sono stati in grado di fornire informazioni chiare sulla localizzazione del guasto.

Per risolvere il problema di messa a terra del nucleo del trasformatore, il personale di manutenzione ha utilizzato diverse tecnologie diagnostiche moderne. In primo luogo, hanno utilizzato un termografo infrarosso FLIR T640 per una prima selezione, individuando rapidamente le aree di aumento di temperatura nel nucleo e nei componenti correlati. Successivamente, hanno utilizzato sensori di corrente ad alta frequenza PD-Tech HFCT per monitorare la corrente di messa a terra. Infine, hanno utilizzato rilevatori di scariche parziali PD-Tech per testare e analizzare i segnali di scarica, localizzando il punto di guasto. I risultati dei test sono riportati nella Tabella 1.

Tab.1 Risultati di rilevazione dei problemi del trasformatore

In base ai risultati della rilevazione tramite telecamera termica ad infrarossi, la differenza di temperatura nelle vicinanze dei componenti di fissaggio del nucleo ha raggiunto 12°C, superando il range normale, confermando preliminarmente la possibile sovraccarico termico in questa area. La rilevazione in tempo reale con sensori di corrente ad alta frequenza ha rivelato una corrente di terra di 5 A, significativamente superiore al valore normale di 100 mA, indicando che si era sviluppata una guasto all'interno del trasformatore. Ulteriori rilevazioni di scariche parziali hanno mostrato forti fluttuazioni nei segnali di corrente ad alta frequenza nella gamma di frequenze da 4,5 a 18 MHz, con un aumento graduale dell'intensità delle scariche, indicando che il punto di guasto si trovava nell'assemblaggio di fissaggio del nucleo e che il guasto stava peggiorando.

Il punto di guasto finale è stato identificato nel cuscinetto isolante del componente di fissaggio del nucleo. Il materiale isolante si era degradato a causa di un lungo periodo di operazione, causando un danno minore all'isolamento che ha innescato il guasto di messa a terra. Le misure di trattamento del guasto includono la sostituzione del cuscinetto isolante, e i test successivi hanno confermato che la corrente di terra era tornata ai valori normali, eliminando il guasto e ripristinando l'operazione stabile dell'equipaggiamento.

Questo caso dimostra che la combinazione di tecnologie come la termografia ad infrarossi, la rilevazione di scariche parziali e la rilevazione di corrente ad alta frequenza può migliorare efficacemente l'efficienza e l'accuratezza della diagnosi dei guasti di messa a terra del nucleo. Nei processi reali di operazione e manutenzione, il personale dovrebbe utilizzare regolarmente queste tecnologie per una diagnosi congiunta, garantendo l'operazione sicura e stabile dei trasformatori.

4 Conclusione

Nella diagnosi dei guasti di messa a terra del nucleo, l'applicazione combinata di diverse moderne tecnologie diagnostiche può migliorare significativamente l'accuratezza della localizzazione dei guasti e l'efficienza della diagnosi. Grazie agli effetti sinergici della rilevazione di corrente ad alta frequenza, dell'analisi di scariche parziali e della tecnologia di termografia ad infrarossi, i rischi potenziali degli impianti possono essere rilevati in fase iniziale, e le sorgenti dei guasti possono essere identificate con precisione, riducendo i tempi di inattività degli impianti e prolungando la vita utile dei trasformatori.

In futuro, con lo sviluppo continuo e l'applicazione di nuove tecnologie di rilevazione, la diagnosi e la manutenzione dei guasti di messa a terra del nucleo diventeranno ancora più efficienti e precise, garantendo la stabilità e la sicurezza dei sistemi di energia.