Come Diagnosticare i Guasti dei Trasformatori e Ridurre il Rumore

Con lo sviluppo rapido dell'economia cinese, l'industria elettrica ha gradualmente ampliato la propria scala, aumentando le esigenze in termini di capacità installata e capacità unitaria dei trasformatori. Questo articolo fornisce una breve introduzione a quattro aspetti: costruzione del trasformatore, protezione contro i fulmini, guasti del trasformatore e rumore del trasformatore.

Un trasformatore è un dispositivo elettrico comunemente utilizzato in grado di convertire l'energia elettrica alternata. Può trasformare una forma di energia elettrica (corrente e tensione alternata) in un'altra forma di energia elettrica (con la stessa frequenza di corrente e tensione alternata). Nelle applicazioni pratiche, la funzione principale del trasformatore è quella di modificare i livelli di tensione, rendendo più conveniente la trasmissione di energia. 

In base al rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso, i trasformatori sono classificati come trasformatori abbassatori o alzatori. Un trasformatore con un rapporto di tensione inferiore a 1 è chiamato trasformatore abbassatore, la cui funzione principale è fornire le tensioni necessarie per vari dispositivi elettrici, assicurando che gli utenti ricevano la tensione appropriata. Un trasformatore con un rapporto di tensione superiore a 1 è chiamato trasformatore alzatore, il cui scopo principale è ridurre i costi di trasmissione, minimizzare le perdite di energia durante la trasmissione e aumentare la distanza di trasmissione.

Costruzione del Trasformatore
Nel caso di trasformatori di potenza di media e grande capacità, viene fornito un serbatoio sigillato, riempito con olio di trasformatore. Le bobine e il nucleo del trasformatore sono immersi nell'olio per ottenere una migliore dissipazione del calore. Vengono utilizzati isolatori per far uscire le bobine e connetterle ai circuiti esterni. Un trasformatore è composto principalmente dai seguenti componenti: dispositivo di regolazione della tensione, corpo principale, dispositivi di uscita, serbatoio, dispositivi di protezione e dispositivi di raffreddamento. Il dispositivo di regolazione della tensione è diviso in cambiatori di presa a carico e a scarico, essenzialmente un tipo di interruttore a presa; il corpo principale consiste in conduttori, nucleo, struttura isolante e bobine; i dispositivi di uscita includono isolatori ad alta e bassa tensione; il serbatoio comprende accessori (inclusi valvole per il prelievo di olio, targhette, valvole di drenaggio, viti di messa a terra e ruote) e il corpo principale del serbatoio (incluso il fondo, le pareti e il coperchio); i dispositivi di protezione includono respiratori seccanti, relè di gas, serbatoi conservatori, relè galleggianti, indicatori di livello d'olio, sensori di temperatura e valvole di sicurezza; i dispositivi di raffreddamento consistono in raffreddatori e radiatori.

Rumore del Trasformatore e Misure di Attenuazione
I trasformatori spesso producono suoni durante l'operazione, principalmente a causa delle forze elettromagnetiche che causano la vibrazione del corpo principale e la magnetostrizione nelle lamiere di silicio sotto campi magnetici, nonché il rumore generato da ventilatori e soffiatori del sistema di raffreddamento. Il sistema uditivo umano può percepire il suono solo entro determinate frequenze di vibrazione; quando la frequenza è compresa tra 16 Hz e 2000 Hz, può essere udita. L'ultrasuono al di sopra di questo intervallo e l'infrasuono al di sotto non possono essere percepiti. Il rumore si propaga dal nucleo all'aria, alle bobine e alle strutture di fissaggio—questo è il percorso principale di trasmissione del rumore dei trasformatori di potenza. Il rumore può essere ridotto diminuendo la densità di flusso magnetico e minimizzando la magnetostrizione nelle lamiere di silicio del nucleo. Tuttavia, ridurre la densità di flusso aumenta le dimensioni del nucleo e il numero di lamiere di silicio, aumentando i costi. Per ridurre il rumore senza aumentare i costi, l'aggiunta di componenti smorzanti è efficace. Ad esempio, posizionare spaziatori in gomma adattabili tra la bobina a bassa tensione e il nucleo può stringere la bobina e fornire ammortizzazione. Questa struttura smorzante aiuta a ridurre il rumore durante la sua propagazione.

Protezione Contro i Fulmini del Trasformatore
In Cina, ogni anno un gran numero di trasformatori viene danneggiato a causa di colpi di fulmine. Secondo le autorità competenti, tra i trasformatori di distribuzione a 10 kV danneggiati, il 4%–10% è danneggiato a causa dei fulmini. Connessioni improprie dei conduttori di messa a terra e installazione errata dei parafulmini del trasformatore sono le cause principali dei danni legati ai fulmini. I problemi chiave includono: messa a terra separata dei parafulmini sul lato ad alta e bassa tensione e del punto neutro del trasformatore; conduttori di connessione eccessivamente lunghi e sezione trasversale del conduttore di messa a terra insufficiente; assenza di parafulmini sul lato a bassa tensione; utilizzo della struttura di supporto come conduttore di messa a terra per i parafulmini sul lato ad alta tensione; e mancanza di prove preventive sui parafulmini.

Guasti del Trasformatore
Quando si verificano uno o più dei seguenti cambiamenti in un trasformatore, è possibile eseguire un'analisi dei guasti in base alla sua effettiva condizione operativa: il trasformatore causa un'interruzione di energia a causa di un incidente o presenta fenomeni come un cortocircuito all'uscita, ma non è ancora stato smontato; si verificano fenomeni anomali durante l'operazione, obbligando gli operatori a spegnere il trasformatore per ispezioni o test; durante i test preventivi, l'accettazione della manutenzione o la messa in servizio in condizioni normali di interruzione di energia, uno o più valori dei parametri superano i limiti standard. Se si verifica qualcuna delle situazioni sopra menzionate durante l'utilizzo effettivo, il trasformatore dovrebbe subito sottoporsi a ispezioni e test pertinenti per garantire che possa operare normalmente.

Passaggi per Determinare la Presenza di un Guasto:

• Primo, determinare la possibilità di un guasto, e se sia un guasto evidente (visibile) o nascosto (latente).

• Secondo, identificare la natura del guasto—se sia un guasto legato all'olio o all'isolamento solido, un guasto termico o elettrico.

• Terzo, fattori come la potenza del guasto, il tempo di attivazione del relè a causa della saturazione, la gravità, la tendenza di sviluppo, la temperatura del punto caldo e il livello di saturazione di gas nell'olio sono indicatori comuni per determinare la presenza di un guasto.

• Quarto, trovare un metodo appropriato per gestire l'incidente. Se il trasformatore può ancora operare dopo l'incidente, determinare durante l'operazione se le misure di sicurezza e i metodi di monitoraggio richiedano un aggiustamento, e se sia necessario un ispezione interna o una riparazione.

Molti fattori possono portare a guasti nei trasformatori, che possono essere classificati in vari modi. Ad esempio, in base al tipo di circuito, possono essere categorizzati come guasti nel circuito di olio, nel circuito magnetico e nel circuito elettrico. Attualmente, il guasto più frequente e grave nei trasformatori è il cortocircuito all'uscita, che può anche scatenare guasti di scarica. I guasti di cortocircuito nei trasformatori si riferiscono comunemente a cortocircuiti tra fasi all'interno del trasformatore, guasti a massa nei conduttori o nelle bobine, e cortocircuiti all'uscita.

Molti incidenti derivano da tali guasti. Ad esempio, un cortocircuito all'uscita a bassa tensione di un trasformatore spesso richiede la sostituzione della bobina interessata; in casi gravi, potrebbero essere necessarie la sostituzione di tutte le bobine, causando significative perdite economiche e conseguenze. I cortocircuiti nei trasformatori meritano seria attenzione. Ad esempio, un trasformatore (110 kV, 31,5 MVA, modello SFS2E8-31500/110) ha subito un incidente di cortocircuito, accompagnato dal trip degli interruttori su tre lati del trasformatore principale e dall'attivazione della protezione a gas pesante.

Dopo aver restituito il trasformatore in fabbrica per la riparazione, l'ispezione durante lo smontaggio ha rivelato: ruggine sulla base e sul nucleo superiore (a causa della pioggia durante l'incidente); deformazione severa della bobina a media tensione nella fase C, crollo della bobina ad alta tensione nella fase C, e cortocircuito tra le bobine a bassa e media tensione causato dallo spostamento delle placche di fissaggio; deformazione severa delle bobine a media e bassa tensione nella fase B; la bobina a bassa tensione nella fase C era bruciata in due sezioni; e numerose particelle e perline di rame fini tra le spire delle bobine. Le cause principali includevano: resistenza isolante insufficiente della struttura isolante; staffe di fissaggio mal allineate, cuscinetti mancanti e spostamento lento; e avvolgimenti allentati.

La scarica danneggia principalmente l'isolamento del trasformatore, manifestandosi in due aspetti: primo, i gas reattivi prodotti dalla scarica—come ossidi di cloro, ozono e calore—causano reazioni chimiche in determinate condizioni, portando alla corrosione locale dell'isolamento, all'aumento della perdita dielettrica e, infine, alla rottura termica. Secondo, le particelle di scarica bombardano direttamente l'isolamento, causando danni locali all'isolamento che si espandono gradualmente e, infine, si rompono.

Ad esempio, un trasformatore (63 MVA, 220 kV) ha subito una scarica a 1,5 volte la tensione, accompagnata da suoni di scarica udibili e livelli di scarica fino a 4000–5000 pC. Quando la tensione di prova tra spire è stata ridotta a 1,0 volte e il metodo di prova a fine linea è stato cambiato a 1,5 volte la tensione di supporto, non si sono verificati suoni di scarica e il livello di scarica è sceso drasticamente a meno di 1000 pC. Durante lo smontaggio e l'ispezione, sono state trovate tracce di scarica a forma di albero lungo gli angoli di isolamento terminali, principalmente a causa di materiali isolanti non conformi.

Una volta che si verifica una scarica parziale sulla superficie dell'isolamento solido, specialmente quando sono presenti sia componenti normali che tangenziali della forza elettrica, l'incidente risultante è il più grave. I guasti di scarica parziale possono verificarsi in qualsiasi luogo con materiali isolanti difettosi o campi elettrici concentrati, come tra le spire, nei conduttori degli schermi elettrostatici delle bobine ad alta tensione, tra le barriere di fase e nei conduttori ad alta tensione.

I trasformatori sono dispositivi elettrici ampiamente utilizzati nei circuiti elettronici e nei sistemi di potenza. Come equipaggiamento chiave nell'uso, distribuzione e trasmissione di energia, i trasformatori svolgono un ruolo irrinunciabile. Pertanto, maggiore attenzione dovrebbe essere data ai trasformatori nelle applicazioni pratiche.