Analisi e Misure Correttive per i Guasti d'Isolamento nei Trasformatori Elettrici

I trasformatori più diffusi: trasformatori a olio e trasformatori a resina secca

I due tipi di trasformatori più diffusi oggi sono i trasformatori a olio e i trasformatori a resina secca. Il sistema di isolamento di un trasformatore, composto da vari materiali isolanti, è fondamentale per il suo corretto funzionamento. La durata di vita di un trasformatore è determinata principalmente dalla durata dei suoi materiali isolanti (olio-carta o resina).

Nella pratica, la maggior parte dei guasti dei trasformatori è dovuta al danno del sistema di isolamento. Le statistiche mostrano che i guasti legati all'isolamento rappresentano oltre l'85% di tutti gli incidenti dei trasformatori. I trasformatori mantenuti correttamente, con attenzione alla gestione dell'isolamento, possono raggiungere durate di vita eccezionalmente lunghe. Pertanto, proteggere il normale funzionamento del trasformatore e rafforzare una manutenzione ragionevole del sistema di isolamento può garantire in larga misura una maggiore longevità dei trasformatori, con la manutenzione preventiva e predittiva chiave per migliorare la longevità e l'affidabilità dell'energia elettrica.

1. Guasti dell'isolamento in carta solida

Nei trasformatori a olio, i principali materiali isolanti sono l'olio isolante e i materiali isolanti solidi, tra cui carta isolante, cartone pressato e blocchi di legno. L'invecchiamento dell'isolamento dei trasformatori si riferisce alla decomposizione di questi materiali a causa di fattori ambientali, con conseguente riduzione o perdita della forza isolante.

L'isolamento in carta solida è uno dei componenti principali del sistema di isolamento dei trasformatori a olio, incluso carta, lastre, cuscinetti, rotoli e nastri di legatura. Il suo componente principale è la cellulosa con formula chimica (C6H10O5)n, dove n rappresenta il grado di polimerizzazione (DP). La carta nuova ha tipicamente un DP di circa 1300, che diminuisce a circa 250 quando la resistenza meccanica è diminuita di oltre metà.

Quando estremamente invecchiata con un DP di 150-200, il materiale raggiunge la fine della sua vita utile. Con l'invecchiamento della carta isolante, il DP e la resistenza a trazione diminuiscono gradualmente, producendo acqua, CO, CO2 e furfuraldeide. Questi prodotti di invecchiamento sono in gran parte dannosi per le apparecchiature elettriche, riducendo la tensione di rottura e la resistività volumetrica della carta isolante, aumentando la perdita dielettrica e diminuendo la resistenza a trazione, potenzialmente corrodingo i componenti metallici.

L'isolamento solido presenta caratteristiche di invecchiamento irreversibili, con degradazione non recuperabile delle forze meccaniche ed elettriche. Poiché la durata di vita del trasformatore dipende principalmente dalla durata dei materiali isolanti, i materiali isolanti solidi dei trasformatori a olio devono possedere eccellenti proprietà di isolamento elettrico e caratteristiche meccaniche, con una degradazione delle prestazioni lenta nel corso degli anni di operatività, indicando buone caratteristiche di invecchiamento.

1.1 Proprietà dei materiali in fibra di carta

Il materiale in fibra di carta isolante è il componente isolante più importante nei trasformatori a olio. La fibra di carta è il componente tessuto solido di base delle piante. A differenza dei conduttori metallici ricchi di elettroni liberi, i materiali isolanti hanno praticamente nessun elettrone libero, con una corrente di conduzione minima principalmente dovuta alla conduzione ionica. La cellulosa è composta da carbonio, idrogeno e ossigeno. A causa dei gruppi idrossilici nella sua struttura molecolare, la cellulosa ha il potenziale di formare acqua, conferendo alle fibre di carta caratteristiche assorbenti di umidità.

Inoltre, questi gruppi idrossilici possono essere considerati centri circondati da varie molecole polari (come acidi e acqua), legati da legami idrogeno, rendendo le fibre suscettibili a danni. Le fibre di carta contengono inoltre tipicamente circa il 7% di impurità, inclusa l'umidità. A causa della natura colloidale delle fibre, questa umidità non può essere completamente rimossa, influenzando le prestazioni delle fibre di carta.

Le fibre polari assorbono facilmente l'umidità (l'acqua essendo un mezzo fortemente polare). Quando le fibre di carta assorbono acqua, l'interazione tra i gruppi idrossilici si indebolisce, causando una rapida deteriorazione della resistenza meccanica nelle condizioni di struttura fibrosa instabile. Pertanto, i componenti di isolamento in carta vengono solitamente sottoposti a trattamenti di essiccazione o essiccazione a vuoto seguiti dall'imprigionamento con olio o vernice isolante prima dell'uso.

Lo scopo dell'imprigionamento è mantenere le fibre umide, assicurando una maggiore stabilità isolante e chimica insieme a un aumento della resistenza meccanica. Inoltre, sigillare la carta con vernice riduce l'assorbimento di umidità, prevenendo l'ossidazione del materiale e riempiendo i vuoti per minimizzare le bolle che potrebbero influire sulle prestazioni dell'isolamento, causando scariche parziali e rottura elettrica. Tuttavia, alcuni ritengono che l'imprigionamento con vernice seguito dall'immersione nell'olio possa far sì che alcune vernici si dissolvano gradualmente nell'olio, influendo sulle sue prestazioni, richiedendo quindi attenzione particolare durante l'applicazione di tali vernici.

Naturalmente, diverse composizioni di materiali in fibra e livelli di qualità diversi dello stesso materiale in fibra hanno impatti e proprietà differenti. Ad esempio, il cotone ha il contenuto di fibra più elevato, il canapa ha le fibre più resistenti, e certi pannelli isolanti importati con migliore lavorazione presentano prestazioni significativamente superiori rispetto ad alcuni pannelli di carta domestici. La maggior parte dei materiali isolanti dei trasformatori utilizza varie forme di carta (come nastro di carta, cartone pressato e componenti di carta pressata) per l'isolamento.

Pertanto, la scelta di materiali isolanti in carta a base di fibre di alta qualità è cruciale durante la fabbricazione e la manutenzione dei trasformatori. La carta in fibra offre vantaggi speciali, tra cui praticità, basso costo, elaborazione conveniente, formatura e trattamento semplici a temperature moderate, peso leggero, resistenza moderata e facile assorbimento di materiali imprigionanti (come vernice isolante e olio del trasformatore).

1.2 Resistenza meccanica dei materiali isolanti in carta

Per i trasformatori a olio che selezionano materiali isolanti in carta, oltre alla composizione delle fibre, densità, permeabilità e uniformità, i requisiti di resistenza meccanica più importanti includono resistenza a trazione, resistenza a punzonatura, resistenza a strappo e tenacità:

• Resistenza a trazione: lo stress massimo che le fibre di carta possono sopportare sotto carico di trazione senza rompersi.

• Resistenza a punzonatura: misura la capacità delle fibre di carta di resistere alla pressione senza fratturarsi.

• Resistenza a strappo: la forza necessaria per strappare le fibre di carta deve soddisfare gli standard pertinenti.

• Resistenza: la forza della carta quando viene piegata o del compensato quando viene flesso deve soddisfare i requisiti corrispondenti.

Le prestazioni dell'isolamento solido possono essere valutate prelevando campioni per misurare il grado di polimerizzazione della carta o del compensato, oppure utilizzando la cromatografia liquida ad alta prestazione per misurare il contenuto di furfural nell'olio. Questo aiuta ad analizzare se i guasti interni del trasformatore coinvolgono l'isolamento solido o se un sovraccarico termico a bassa temperatura sta causando l'invecchiamento localizzato dell'isolamento degli avvolgimenti, o per determinare il grado di invecchiamento dell'isolamento solido. Per i materiali isolanti a fibre di carta durante l'operazione e la manutenzione, si dovrebbe prestare attenzione al controllo del carico nominale del trasformatore, assicurando una buona circolazione d'aria e dissipazione del calore nell'ambiente operativo, prevenendo un aumento eccessivo della temperatura del trasformatore e la mancanza di olio nel serbatoio. Dovrebbero inoltre essere adottate misure per prevenire la contaminazione e la degradazione dell'olio che potrebbero accelerare l'invecchiamento delle fibre, compromettendo le prestazioni, la durata e la sicura operatività dell'isolamento del trasformatore.

1.3 Degradazione dei Materiali a Fibra di Carta

Questo comprende principalmente tre aspetti:

• Brittleria delle Fibrille: il calore eccessivo che causa la separazione dell'umidità dai materiali a fibra accelera la brittleria delle fibrille. La carta fragile e scrostata può portare a guasti dell'isolamento e incidenti elettrici sotto vibrazione meccanica, stress elettrodinamico e impatti di onda operativa.

• Diminuzione della Resistenza Meccanica dei Materiali a Fibra: la resistenza meccanica dei materiali a fibra diminuisce con il prolungamento del tempo di riscaldamento. Quando il riscaldamento del trasformatore causa nuovamente l'espulsione dell'umidità dai materiali isolanti, i valori di resistenza isolante potrebbero aumentare, ma la resistenza meccanica diminuirà significativamente, rendendo la carta isolante incapace di sostenere le forze meccaniche derivanti da correnti di cortocircuito o carichi impulsivi.

• Contrazione dei Materiali a Fibra: dopo la brittleria, i materiali a fibra si contraggono, riducendo la forza di serraggio e potenzialmente causando movimenti di spostamento. Ciò può portare a uno spostamento e a frizioni degli avvolgimenti del trasformatore sotto vibrazione elettromagnetica o tensione impulsiva, danneggiando l'isolamento.

2. Guasti dell'Isolamento a Olio Liquido

Il trasformatore a olio fu inventato dallo scienziato americano Thompson nel 1887 e promosso per applicazioni nei trasformatori di potenza da General Electric e altri nel 1892. L'isolamento a olio qui menzionato si riferisce all'isolamento con olio di trasformatore.

2.1 Caratteristiche dei Trasformatori a Olio:

① Migliora significativamente la resistenza all'isolamento elettrico, riduce la distanza di isolamento e diminuisce il volume dell'equipaggiamento; ② Aumenta notevolmente il trasferimento e la dissipazione efficace del calore, aumentando la densità di corrente ammissibile nei conduttori e riducendo il peso dell'equipaggiamento. Il calore prodotto dal nucleo del trasformatore in funzione viene trasferito attraverso la circolazione termica dell'olio del trasformatore al guscio del trasformatore e al radiatore per la dissipazione, migliorando così il raffreddamento efficace; ③ L'immersione a olio e la chiusura riducono l'ossidazione di alcuni componenti e gruppi interni, prolungando la durata di vita.

2.2 Proprietà dell'Olio del Trasformatore

L'olio del trasformatore in funzione deve possedere proprietà isolate e di conduzione termica stabili ed eccellenti. Le proprietà chiave includono la resistenza all'isolamento (tan δ), la viscosità, il punto di fluibilità e il valore acido. L'olio isolante raffinato dal petrolio è un miscuglio di vari idrocarburi, resine, acidi e altre impurità con proprietà non completamente stabili. Sotto l'effetto di temperatura, campo elettrico e luce, l'olio si ossida continuamente. In condizioni normali, questo processo di ossidazione procede lentamente; con una manutenzione adeguata, l'olio può mantenere la qualità richiesta senza invecchiare per fino a 20 anni. Tuttavia, metalli, impurità e gas mescolati all'olio accelerano l'ossidazione, deteriorando la qualità dell'olio, scurendo il colore, appannando la trasparenza e aumentando il contenuto di umidità, il valore acido e il contenuto di cenere, degradando così le proprietà dell'olio.

2.3 Cause della Deteriorazione dell'Olio del Trasformatore

La deteriorazione dell'olio del trasformatore può essere divisa in stadi di contaminazione e degradazione in base alla gravità.

La contaminazione si riferisce alla mescolanza di umidità e impurità nell'olio—questi non sono prodotti di ossidazione. L'olio contaminato presenta una performance di isolamento deteriorata, una ridotta forza di rottura del campo elettrico e un aumento dell'angolo di perdita dielettrica.

La degradazione risulta dall'ossidazione dell'olio. Questa ossidazione non si riferisce solo all'ossidazione degli idrocarburi nell'olio puro, ma piuttosto coinvolge le impurità nell'olio che accelerano il processo di ossidazione, in particolare particelle metalliche di rame, ferro e alluminio.

L'ossigeno proviene dall'aria all'interno del trasformatore. Anche in trasformatori completamente sigillati, rimane presente circa lo 0,25% di ossigeno. L'ossigeno ha una solubilità elevata, occupando quindi una quota elevata tra i gas disciolti nell'olio.

Durante l'ossidazione dell'olio del trasformatore, l'umidità agisce come catalizzatore e il calore come acceleratore, causando la produzione di fango nell'olio del trasformatore. Questo influenza le prestazioni principalmente attraverso: grandi particelle di precipitato sotto l'influenza del campo elettrico; la precipitazione di impurità che si concentra nelle regioni del campo elettrico più intenso, formando "ponti" conduttivi attraverso l'isolamento del trasformatore; la precipitazione irregolare che forma strisce allungate separate che possono allinearsi con le linee del campo elettrico, ostacolando la dissipazione del calore, accelerando l'invecchiamento del materiale isolante e causando una diminuzione della resistenza all'isolamento e livelli di isolamento ridotti.

2.4 Processo di Degrado dell'Olio del Trasformatore

Durante il degrado dell'olio, i principali sottoprodotti includono perossidi, acidi, alcoli, chetoni e fango.

Fase iniziale di degrado: l'olio genera perossidi che reagiscono con i materiali a fibra isolanti formando cellulosa ossidata, riducendo la resistenza meccanica delle fibre isolanti, causando la brittleria e la contrazione dell'isolamento. Gli acidi generati sono acidi grassi viscosi. Sebbene siano meno corrosivi degli acidi minerali, il loro tasso di crescita e l'impatto sui materiali isolanti organici sono significativi.

Stadio di degradazione successivo: La formazione di fango avviene quando gli acidi corrosivi attaccano rame, ferro, vernice isolante e altri materiali, reagendo per formare un fango viscoso, simile all'asfalto, polimerico e conduttivo. Si scioglie moderatamente nell'olio e si forma rapidamente sotto l'influenza del campo elettrico, aderendo ai materiali isolanti o ai bordi della vasca del trasformatore, depositandosi su tubi di olio e alette dei radiatori, aumentando la temperatura di funzionamento del trasformatore e riducendo la resistenza dielettrica.

Il processo di ossidazione dell'olio consiste in due principali condizioni di reazione: prima, un valore acido eccessivamente alto nel trasformatore, rendendo l'olio acido; secondo, gli ossidi disciolti nell'olio si trasformano in composti insolubili nell'olio, deteriorando gradualmente la qualità dell'olio del trasformatore.

2.5 Analisi, valutazione e manutenzione dell'olio del trasformatore

① Deterioramento dell'olio isolante: Cambiano sia le proprietà fisiche che chimiche, degradando le prestazioni elettriche. Il test del valore acido dell'olio, della tensione interfaciale, della precipitazione di fango e del valore acido solubile in acqua può determinare se esiste questo tipo di difetto. Il trattamento di rigenerazione dell'olio può eliminare i prodotti di deterioramento, anche se il processo potrebbe rimuovere anche gli antiossidanti naturali.

② Contaminazione da acqua dell'olio isolante: L'acqua è una sostanza fortemente polare che si ionizza e si decompone facilmente sotto l'effetto del campo elettrico, aumentando la corrente conduttiva nell'olio isolante. Anche tracce minime di umidità aumentano significativamente la perdita dielettrica nell'olio isolante. Il test del contenuto di umidità dell'olio può identificare questo tipo di difetto. La filtrazione dell'olio con pressione e vuoto generalmente elimina l'umidità.

③ Contaminazione microbica dell'olio isolante: Durante l'installazione o lo sventramento del nucleo del trasformatore principale, insetti sui componenti isolanti o residui di sudore umano possono portare batteri, contaminando l'olio isolante; o l'olio stesso potrebbe essere già infetto da microrganismi. I trasformatori principali operano tipicamente in ambienti a temperature tra 40-80°C, estremamente favorevoli alla crescita e riproduzione microbica. Poiché i minerali e le proteine nei microrganismi e nelle loro secrezioni hanno proprietà isolanti molto inferiori a quelle dell'olio isolante, aumentano la perdita dielettrica dell'olio. Questo difetto è difficile da risolvere con trattamenti di circolazione in loco, poiché alcuni microrganismi rimangono sempre sull'isolamento solido. Dopo il trattamento, l'isolamento del trasformatore può recuperare temporaneamente, ma l'ambiente di funzionamento favorisce la ricrescita microbica, causando un peggioramento dell'isolamento anno dopo anno.

④ Vernice isolante alchidica con sostanze polari che si dissolvono nell'olio: Sotto l'influenza del campo elettrico, le sostanze polari subiscono una polarizzazione di rilassamento dipolare, consumando energia durante i processi di polarizzazione alternata, aumentando la perdita dielettrica dell'olio. Sebbene la vernice isolante subisca un trattamento di polimerizzazione prima di uscire dalla fabbrica, potrebbe rimanere un trattamento incompleto. Dopo un certo periodo di funzionamento, la vernice non completamente trattata si dissolve gradualmente nell'olio, degradando progressivamente le prestazioni di isolamento. Il tempo di insorgenza di questo difetto è legato alla completezza del trattamento della vernice; uno o due trattamenti di adsorzione possono raggiungere un certo grado di efficacia.

⑤ Olio contaminato solo da acqua e impurità: Questa contaminazione non modifica le proprietà fondamentali dell'olio. L'umidità può essere rimossa attraverso l'essiccazione; le impurità possono essere eliminate attraverso la filtrazione; l'aria nell'olio può essere rimossa attraverso la pompa a vuoto.

⑥ Miscelazione di due o più oli isolanti provenienti da fonti diverse: Le proprietà dell'olio dovrebbero soddisfare le specifiche pertinenti; la densità specifica, la temperatura di congelamento, la viscosità e il punto di fiammabilità dell'olio dovrebbero essere simili; e la stabilità dell'olio miscelato dovrebbe soddisfare i requisiti. Per l'olio miscelato degradato, sono necessari metodi di rigenerazione chimica per separare i prodotti di deterioramento e ripristinare le proprietà.

3. Isolamento e caratteristiche dei trasformatori a resina asciutta

I trasformatori a secco (qui si fa riferimento ai trasformatori isolati con resina epoxidica) vengono utilizzati principalmente in luoghi con elevate esigenze di sicurezza antincendio, come edifici alti, aeroporti e serbatoi di petrolio.

3.1 Tipi di isolamento a resina

I trasformatori isolati con resina epoxidica possono essere classificati in tre tipi in base alle caratteristiche del processo di fabbricazione: miscela resina epoxidica-sabbia di quarzo a colata al vuoto, resina epoxidica-rinforzo a fibra di vetro senza calce a colata differenziale al vuoto e avvolgimento impregnato a fibra di vetro senza calce.

① Isolamento a colata al vuoto con miscela resina epoxidica-sabbia di quarzo: Questi trasformatori utilizzano la sabbia di quarzo come riempitivo per la resina epoxidica. Gli avvolgimenti rivestiti e trattati con vernice isolante vengono posizionati in modelli di colata e colati al vuoto con una miscela di resina epoxidica e sabbia di quarzo. A causa delle difficoltà del processo di colata nel soddisfare i requisiti di qualità, come bolle residue, non uniformità locale della miscela e potenziale crepe da stress termico localizzato, questi trasformatori isolati non sono adatti a ambienti umidi e caldi e a zone con variazioni significative di carico.

② Isolamento a colata differenziale al vuoto con rinforzo a fibra di vetro senza calce: Questo utilizza fibre corte di vetro senza calce o mattonelle di vetro come isolamento esterno tra gli strati di avvolgimento. Lo spessore dell'isolamento esterno avvolto è tipicamente un isolamento sottile di 1-3 mm. Dopo aver mescolato la resina epoxidica con il materiale di colata in proporzioni appropriate, le bolle d'aria vengono rimosse sotto alto vuoto prima della colata. Poiché lo spessore dell'isolamento avvolto è sottile, un'impregnazione insufficiente può facilmente formare punti di scarica parziale. Pertanto, la miscela del materiale di colata deve essere completa, la degassificazione al vuoto deve essere accurata e la viscosità bassa e la velocità di colata devono essere controllate per garantire un'impregnazione di alta qualità degli avvolgimenti durante la colata.

③ Isolamento a avvolgimento impregnato a fibra di vetro senza calce: Questi trasformatori completano il trattamento dell'isolamento a strati e l'impregnazione degli avvolgimenti simultaneamente durante l'avvolgimento. Non richiedono modelli di formatura per l'avvolgimento necessari nei precedenti due processi di impregnazione, ma richiedono una resina a bassa viscosità che non dovrebbe trattenere microbolle durante l'avvolgimento e l'impregnazione.

3.2 Caratteristiche di isolamento e manutenzione dei trasformatori a resina

Il livello di isolamento dei trasformatori a resina non è significativamente diverso da quello dei trasformatori immersi in olio; le principali differenze si trovano nella misura del riscaldamento e nella misura della scarica parziale.

① Caratteristiche di Aumento della Temperatura: I trasformatori a resina presentano livelli medi di aumento della temperatura superiori rispetto ai trasformatori a olio, richiedendo materiali isolanti di grado termico più elevato. Tuttavia, l'aumento medio della temperatura non riflette la temperatura del punto più caldo nelle avvolgimenti. Se il grado di resistenza al calore del materiale isolante viene selezionato solo in base all'aumento medio della temperatura, o se viene selezionato in modo improprio, o se i trasformatori a resina operano a lungo in condizioni di sovraccarico, la durata di vita del trasformatore sarà influenzata.

Poiché l'aumento della temperatura misurato nei trasformatori spesso non riflette la temperatura del punto più caldo, quando possibile, dovrebbero essere utilizzati termometri a infrarossi per controllare i punti più caldi dei trasformatori a resina in funzione con carico massimo. La direzione e l'angolazione dei ventilatori di raffreddamento dovrebbero essere regolate di conseguenza per controllare l'aumento locale della temperatura e garantire l'operatività sicura del trasformatore.

② Caratteristiche di Scariche Parziali: L'entità delle scariche parziali nei trasformatori a resina è legata alla distribuzione del campo elettrico, all'uniformità della miscela di resina e alla presenza di bolle residue o crepe nella resina. L'entità delle scariche parziali influenza le prestazioni, la qualità e la durata di vita del trasformatore a resina. Pertanto, la misurazione e l'accettazione dei livelli di scarica parziale costituiscono una valutazione complessiva del processo di fabbricazione e della qualità. Le misurazioni delle scariche parziali dovrebbero essere effettuate durante la consegna del trasformatore a resina e dopo grandi riparazioni, utilizzando le variazioni delle scariche parziali per valutare la qualità e la stabilità delle prestazioni.

Con l'ampia diffusione dei trasformatori a secco, nella scelta dei trasformatori, dovrebbe essere compresa a fondo la struttura del processo di fabbricazione, la progettazione dell'isolamento e la configurazione dell'isolamento. Dovrebbero essere selezionati prodotti da produttori con processi di produzione completi, sistemi rigorosi di garanzia della qualità, gestione della produzione severa e prestazioni tecniche affidabili per garantire la qualità del prodotto trasformatore e la sua durata termica, migliorando così l'operatività sicura e l'affidabilità dell'erogazione di energia.

4. Principali Fattori che Influenzano i Guasti dell'Isolamento dei Trasformatori

I principali fattori che influenzano le prestazioni dell'isolamento dei trasformatori includono: temperatura, umidità, metodi di protezione dell'olio e effetti di sovratensione.

4.1 Effetti della Temperatura

I trasformatori di potenza utilizzano un isolamento a olio-cartone con diversi equilibri tra il contenuto di umidità nell'olio e nel cartone a diverse temperature. Generalmente, con l'aumento della temperatura, l'umidità nel cartone si sposta verso l'olio; viceversa, il cartone assorbe l'umidità dall'olio. Quindi, a temperature più elevate, il contenuto microscopico d'acqua nell'olio isolante del trasformatore è maggiore; viceversa, il contenuto microscopico d'acqua è minore.

Diverse temperature causano gradi diversi di apertura degli anelli di cellulosa, rottura della catena e produzione di gas. A una determinata temperatura, i tassi di produzione di CO e CO2 rimangono costanti, il che significa che il contenuto di CO e CO2 nell'olio aumenta linearmente nel tempo. Con l'aumento continuo della temperatura, i tassi di produzione di CO e CO2 spesso aumentano esponenzialmente. Pertanto, il contenuto di CO e CO2 nell'olio è direttamente correlato all'invecchiamento termico del cartone isolante e può servire come criterio per giudicare anomalie negli strati di cartone dei trasformatori sigillati.

La durata di vita del trasformatore dipende dal grado di invecchiamento dell'isolamento, che a sua volta dipende dalla temperatura di funzionamento. Ad esempio, un trasformatore a olio a carico nominale ha un aumento medio della temperatura degli avvolgimenti di 65°C e un aumento della temperatura del punto più caldo di 78°C. Con una temperatura ambientale media di 20°C, la temperatura del punto più caldo raggiunge 98°C, consentendo 20-30 anni di funzionamento. Se il trasformatore opera a sovraccarico con un aumento della temperatura, la durata di vita si accorcia di conseguenza.

La Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) afferma che per i trasformatori con isolamento di Classe A che operano tra 80-140°C, per ogni aumento di 6°C della temperatura, il tasso di riduzione della durata effettiva dell'isolamento del trasformatore raddoppia - noto come la regola dei 6°C, indicando limitazioni termiche più severe rispetto alla regola precedentemente accettata di 8°C.

4.2 Effetti dell'Umidità

La presenza di umidità accelera la degradazione della cellulosa. Pertanto, la produzione di CO e CO2 è correlata al contenuto di umidità del materiale celluloso. A umidità costante, un contenuto di umidità maggiore produce più CO2; viceversa, un contenuto di umidità minore produce più CO.

L'umidità traccia nell'olio isolante è un fattore significativo che influenza le caratteristiche dell'isolamento. L'umidità traccia nell'olio isolante danneggia gravemente sia le proprietà elettriche che fisico-chimiche del mezzo isolante. L'umidità può ridurre la tensione di scintillamento nell'olio isolante, aumentare il fattore di perdita dielettrica (tan δ), accelerare l'invecchiamento dell'olio isolante e deteriorare le prestazioni dell'isolamento. L'esposizione all'umidità dell'equipaggiamento non solo riduce l'affidabilità operativa e la durata di vita dell'equipaggiamento elettrico, ma può anche causare danni all'equipaggiamento e persino mettere a repentaglio la sicurezza personale.

4.3 Effetti dei Metodi di Protezione dell'Olio

L'ossigeno presente nell'olio del trasformatore accelera le reazioni di decomposizione dell'isolamento, con il contenuto di ossigeno legato ai metodi di protezione dell'olio. Inoltre, diversi metodi di protezione causano diverse condizioni di dissoluzione e diffusione di CO e CO2 nell'olio. Ad esempio, il CO ha una bassa solubilità, permettendogli di diffondersi facilmente nello spazio superficiale dell'olio nei trasformatori a tipo aperto, generalmente limitando la frazione volumetrica di CO a non più di 300×10-6. Nei trasformatori sigillati, poiché la superficie dell'olio è isolata dall'aria, CO e CO2 non si volatilizzano facilmente, risultando in livelli di contenuto più elevati.

4.4 Effetti delle Sovratensioni

① Effetti delle Sovratensioni Transitorie: I trasformatori trifase in funzione normale producono una tensione fase-terra pari al 58% della tensione tra fasi. Tuttavia, durante i guasti monofase, la tensione sull'isolamento principale aumenta del 30% nei sistemi a terra neutrale e del 73% nei sistemi a neutro non collegato, potenzialmente danneggiando l'isolamento.

② Effetti delle Sovratensioni da Fulmine: Le sovratensioni da fulmine hanno fronti d'onda ripidi che causano una distribuzione altamente disuniforme della tensione attraverso l'isolamento longitudinale (bobina-bobina, strato-strato, disco-disco), potenzialmente lasciando tracce di scarica sull'isolamento e danneggiando l'isolamento solido.

③ Effetti dei sovravoltaggi di commutazione: i sovravoltaggi di commutazione hanno fronti d'onda relativamente graduale, risultando in una distribuzione di tensione quasi lineare. Quando le onde di sovratensione di commutazione si trasferiscono da un avvolgimento all'altro, la tensione è approssimativamente proporzionale al rapporto di spire tra i due avvolgimenti, causando facilmente il deterioramento e il danneggiamento dell'isolamento principale o dell'isolamento tra fasi.

4.5 Effetti elettrodinamici dei cortocircuiti

Le forze elettrodinamiche durante i cortocircuiti uscenti possono deformare gli avvolgimenti del trasformatore e dislocare i connettori, alterando le distanze di isolamento originali, causando il riscaldamento dell'isolamento, accelerandone l'invecchiamento o il danneggiamento, con conseguente scarica, arco elettrico e guasti per cortocircuito.

5.Conclusione

In sintesi, comprendere le prestazioni dell'isolamento dei trasformatori e implementare operazioni e manutenzioni ragionevoli ha un impatto diretto sulla sicurezza, la durata e l'affidabilità della fornitura di energia del trasformatore. Come equipaggiamento principale critico nei sistemi di potenza, il personale di operazione, manutenzione e gestione dei trasformatori deve comprendere e padroneggiare la struttura di isolamento, le proprietà dei materiali, la qualità del processo, i metodi di manutenzione e le tecnologie diagnostiche scientifiche. Solo attraverso una gestione operativa ottimizzata e ragionevole si può garantire l'efficienza, la durata e l'affidabilità della fornitura di energia del trasformatore.