Una guida alle più recenti tecnologie di test dei trasformatori

I trasformatori esistono in molti tipi, principalmente a immersione in olio e a secco. Le loro manifestazioni di guasto sono diverse, ma la maggior parte dei malfunzionamenti si concentra nelle spire, nel nucleo, nei componenti di connessione e nella contaminazione dell'olio. Ad esempio, danni all'isolamento delle spire, circuiti aperti, cortocircuiti e cortocircuiti tra spire nei punti di connessione. I sintomi esterni comuni dei guasti del trasformatore includono surriscaldamento grave, aumento eccessivo della temperatura, rumori anomali e squilibrio trifase.

La manutenzione ordinaria dei trasformatori comprende principalmente test di isolamento (resistenza d'isolamento, rapporto di assorbimento dielettrico, ecc.), misurazione della resistenza a corrente continua (per rilevare i guasti legati alle spire), ispezione con sollevamento del nucleo e test a vuoto. Alcune imprese analizzano anche la qualità dell'olio dei trasformatori a immersione in olio per garantire che le sue proprietà di isolamento elettrico e termico rimangano intatte.

Di seguito sono riportati alcuni metodi avanzati di prova dei trasformatori come riferimento.

1. Metodo ALL-Test

Il cuore del metodo ALL-Test consiste nell'utilizzare segnali ad alta frequenza e bassa tensione - invece di segnali ad alta tensione - per misurare parametri interni come la resistenza a corrente continua, l'impedenza, l'angolo di fase dell'induttanza delle spire e il rapporto corrente-frequenza (I/F) delle apparecchiature basate sulle spire. Ciò permette una valutazione accurata dei guasti interni e delle loro fasi di sviluppo. I vantaggi di questo metodo sono:

• Permette una rapida diagnosi dei guasti in loco, aiutando a determinare se siano necessarie ulteriori ispezioni laboriose e dispendiose in termini di tempo, come il sollevamento del nucleo.

• Alta precisione di misura. Poiché la resistenza a corrente continua delle spire del trasformatore è generalmente molto bassa, l'uso di segnali ad alta frequenza e bassa tensione evita di aggravare i difetti esistenti. Con una precisione fino a tre decimali, anche cortocircuiti inter-spire minimi possono essere rilevati attraverso cambiamenti notevoli nella resistenza a corrente continua (R) - qualcosa che non può essere ottenuto con i test convenzionali di resistenza a corrente continua.

• Facilita il monitoraggio basato sullo stato. Ogni misurazione può essere registrata e archiviata. Eseguendo regolarmente i test e tracciando curve di tendenza, è possibile monitorare nel tempo le variazioni dei parametri chiave, fornendo dati affidabili per la rilevazione precoce dei guasti e la manutenzione predittiva - supportando la gestione quantitativa dei guasti nelle strutture industriali.

• L'analisi complessiva dei parametri (R, Z, L, tgφ, I/F) offre una descrizione più completa, tempestiva e accurata dei guasti interni del trasformatore.

Procedura di base per l'ALL-Test:
Dopo aver staccato l'alimentazione al trasformatore, collegare a terra il lato secondario (o primario). Quindi, collegare i cavi di segnalazione dello strumento ai terminali primari (o secondari) (H1, H2, H3) uno alla volta, misurando i parametri interfasce (R, Z, L, tgφ, I/F). Confrontando i risultati tra le fasi o con i dati storici della stessa fase in momenti diversi, è possibile determinare lo stato di guasto del trasformatore.

Come riferimento, i seguenti sono i criteri di valutazione empirici consigliati:

• Resistenza (R):

• Se R > 0,25 Ω, una differenza tra fasi superiore al 5% indica un squilibrio trifase.

• Se R ≤ 0,2 Ω, utilizzare una soglia del 7,5% per la valutazione dello squilibrio.

• Impedenza (Z):

• Lo squilibrio interfasce non dovrebbe superare il 5%.

• I trasformatori guasti spesso mostrano uno squilibrio che tende a superare il 100%.

• Induttanza (L):

• Lo squilibrio non deve superare il 5%.

• Tangente dell'angolo di fase (tgφ):

• La differenza tra le fasi dovrebbe essere entro una cifra (ad esempio, 0,1 rispetto a 0,2 è accettabile; 0,1 rispetto a 0,3 non lo è).

• Rapporto corrente-frequenza (I/F):

• La differenza interfasce non dovrebbe superare due cifre (ad esempio, 1,23 rispetto a 1,25 è accettabile).

In base all'esperienza sul campo, durante il passaggio da uno squilibrio al guasto, i dati di prova del trasformatore subiscono cambiamenti drastici. Per i trasformatori critici, si consiglia di eseguire le misurazioni ALL-Test almeno una volta al mese.

Tabella 1 Dati sperimentali di un trasformatore buono da 2500 kVA, 28800:4300, testato sul lato secondario

Tabella 2 Dati sperimentali di un trasformatore difettoso da 500 kVA, 13800:240V, test lato primario

2. Metodo di prova del rapporto di avvolgimenti

Nei test sul campo dei trasformatori, la misurazione diretta del rapporto di avvolgimenti è un metodo efficace e rapido per rilevare guasti interni, come collegamenti errati, cortocircuiti o interruzioni. Durante l'operazione, a causa delle variazioni di produzione o della degradazione dell'isolamento nel tempo, il rapporto di avvolgimenti effettivo di un trasformatore può divergere dal valore riportato sulla targhetta. Se misurato con precisione, il rapporto di avvolgimenti può servire come indicatore chiave dello stato per identificare e monitorare lo sviluppo di difetti interni. Per questo scopo, viene utilizzato un tester del rapporto di avvolgimenti (TTR) che richiede solitamente una precisione di misura molto elevata.

3. Prova della qualità dell'olio del trasformatore

I trasformatori immersi in olio sono ampiamente utilizzati, e una parte critica della loro manutenzione consiste nella valutazione dello stato dell'olio isolante. Segni di degradazione dell'olio, come colore scuro, odore acido, riduzione della resistenza dielettrica (tensione di rottura) o formazione di fanghi, possono spesso essere identificati tramite ispezione visiva. Inoltre, l'analisi quantitativa di proprietà chiave dell'olio, tra cui viscosità, punto di fiammabilità e contenuto di umidità, è essenziale per una valutazione completa. Si faccia riferimento alla tabella sottostante per i criteri di valutazione.

Il seguente testo introduce brevemente come eseguire l'analisi e l'ispezione utilizzando la cromatografia gassosa. Quando l'olio del trasformatore si deteriora o si verificano guasti, l'approccio di base di questo metodo consiste nell'estrazione di un campione di olio dal trasformatore senza interrompere l'alimentazione, analizzare i tipi e le concentrazioni dei gas disciolti e quindi determinare lo stato di guasto. In condizioni normali, il contenuto di gas nell'olio è molto basso, specialmente per i gas combustibili, che rappresentano solo lo 0,001% - 0,1% del totale.

Tuttavia, con l'aumentare della gravità dei guasti del trasformatore, l'olio e i materiali isolanti solidi generano vari gas sotto effetto termico ed elettromagnetico a causa di guasti termici. Ad esempio, in caso di surriscaldamento localizzato, i materiali isolanti producono grandi quantità di CO e CO₂; quando l'olio stesso si surriscalda, genera quantità significative di etilene e metano. Utilizzando il contenuto di gas combustibili come criterio di giudizio, possono essere applicate le seguenti linee guida: un contenuto di gas inferiore allo 0,1% indica una condizione normale; tra lo 0,1% e lo 0,5% indica un guasto lieve; superiore allo 0,5% indica un guasto grave.

I gas prodotti principalmente da guasti elettrici nei trasformatori sono idrogeno e acetilene (C₂H₂), causati principalmente da scariche ad arco o scintille. Le seguenti indicazioni di riferimento possono essere utilizzate per il giudizio: un contenuto di H₂ <0,01% è normale, 0,01–0,02% richiede attenzione, e >0,02% indica un guasto; C₂H₂ <0,0005% è normale, e >0,001% indica un guasto.

Dopo che un trasformatore si è umidificato, il contenuto di H₂ (idrogeno) tende ad essere elevato, poiché il gas idrogeno viene generato attraverso elettrolisi sotto corrente. Questi dati sui gas possono essere analizzati in modo complessivo per valutare la condizione del trasformatore.