Come la Cromatografia Gasosa Rileva e Diagnostica i Guasti nei Trasformatori a 500+ kV [Studio di Caso]

0 Introduzione
L'analisi dei gas disciolti (DGA) nell'olio isolante è un test cruciale per i grandi trasformatori ad olio. Utilizzando la cromatografia a gas, è possibile rilevare in tempo reale l'invecchiamento o le variazioni dell'olio isolante all'interno degli apparecchi elettrici ad olio, identificare potenziali guasti come sovraccarichi termici o scariche elettriche in fase iniziale e valutare con precisione la gravità, il tipo e la tendenza di sviluppo del guasto. La cromatografia a gas è diventata un metodo essenziale per il monitoraggio e la garanzia del funzionamento sicuro e stabile dell'equipaggiamento, ed è stata incorporata negli standard internazionali e nazionali pertinenti [1,2].

1 Studio di caso
Il trasformatore principale n. 1 della sottostazione Hexin è del modello A0A/UTH-26700, con una configurazione di tensione di 525/√3 / 230/√3 / 35 kV. Fu prodotto nel maggio 1988 e messo in servizio il 30 giugno 1992. Il 20 settembre 2006, il sistema di monitoraggio computerizzato segnalò un "funzionamento del relè di gas leggero sul trasformatore principale n. 1". Un ispezione successiva da parte del personale operativo ha rivelato crepe e gravi perdite d'olio sia alla presa che alla calza di fase B sul lato 35 kV, oltre alla presenza di gas nel relè di gas, che ha portato a una richiesta immediata di spegnimento. Prima di questo incidente, i test elettrici di routine e i controlli sull'olio isolante non avevano mostrato anomalie.

2 Analisi cromatografica e diagnosi del guasto
Sono stati raccolti immediatamente campioni di olio e gas dopo lo spegnimento per essere sottoposti a test cromatografici. I risultati sono riportati nelle tabelle 1 e 2. I risultati indicavano concentrazioni anormali di gas disciolti sia nell'olio del trasformatore che nel relè di gas. È stata eseguita un'analisi complessiva utilizzando i dati cromatografici e il metodo del criterio di equilibrio per valutare le concentrazioni di gas nei campioni di olio e gas.

Tabella 1 Registrazione cromatografica dell'olio isolante della Fase B del trasformatore principale n. 1 della sottostazione Hexin (μL/L)

Tabella 2 Registrazione cromatografica del gas dal relè di gas della Fase B del trasformatore principale n. 1 della sottostazione Hexin (μL/L)

Secondo gli Standard di qualità per l'olio dei trasformatori in servizio, si deve prestare attenzione quando qualsiasi delle seguenti concentrazioni di gas disciolti nell'olio dei trasformatori a 500 kV supera i valori specificati: idrocarburi totali: 150 μL/L; H₂: 150 μL/L; C₂H₂: 1 μL/L. L'acetilene (C₂H₂) è stato rilevato nell'olio del trasformatore con una concentrazione φ(C₂H₂) di 12,13 μL/L, superando la soglia di attenzione di oltre 12 volte. In base al metodo di analisi dell'eccedenza dei componenti [3], è stato preliminarmente determinato che esisteva un guasto interno nel trasformatore.

Un'ulteriore analisi basata sui gas caratteristici ha indicato un guasto di scarica ad alta energia, poiché φ(C₂H₂) è un indicatore chiave per distinguere il sovraccarico termico dalla scarica elettrica. Utilizzando il metodo delle tre proporzioni IEC, le proporzioni calcolate erano:
• φ(C₂H₂)/φ(C₂H₄) = 1,2,
• φ(CH₄)/φ(H₂) = 0,56,
• φ(C₂H₄)/φ(C₂H₆) = 6,6,
risultando in un codice 102. Questo ha portato alla conclusione preliminare che era avvenuta una scarica ad alta energia (cioè arco elettrico) all'interno del trasformatore.

Utilizzando il metodo del criterio di equilibrio [4] e la composizione del gas nel relè di gas, sono state calcolate le concentrazioni teoriche nell'olio in base alle diverse solubilità dei gas nell'olio. È stato derivato il rapporto αᵢ tra le concentrazioni teoriche e quelle misurate nell'olio (vedi Tabella 2). In base all'esperienza sul campo, in condizioni normali, i valori di αᵢ per la maggior parte dei componenti cadono nell'intervallo 0,5–2. Tuttavia, durante i guasti improvvisi, i gas caratteristici tipicamente mostrano valori di αᵢ significativamente superiori a 2. In questo caso, tutti i componenti del gas nel relè di gas hanno mostrato valori di αᵢ molto superiori a 2, indicando un guasto interno improvviso.

I risultati dei test elettrici hanno mostrato che le resistenze di contatto del cambio di passo a carico, le resistenze a corrente continua degli avvolgimenti e le massime differenze di fase erano tutte entro limiti accettabili. Le correnti di fuga tra gli avvolgimenti e verso terra, nonché i loro confronti storici, non hanno mostrato anomalie. I parametri di perdita dielettrica e resistenza isolante erano anche normali. Questi risultati hanno escluso un ingresso generale di umidità, un degrado maggiore dell'isolamento o difetti diffusi dell'isolamento, confermando che il sistema di isolamento principale era integro.

In base all'analisi complessiva dei risultati sopra menzionati, si è concluso che era avvenuto un guasto di arco improvviso all'interno del trasformatore. Le concentrazioni di CO e CO₂ nell'olio non hanno mostrato aumenti significativi, e sebbene i livelli di idrocarburi totali stessero aumentando, non avevano ancora superato i limiti. Ciò suggeriva che un coinvolgimento su larga scala dell'isolamento solido era improbabile. Tuttavia, a causa dei valori elevati di αᵢ per CO e idrocarburi totali, c'era il sospetto di un guasto di scarica improvvisa con danni localizzati all'isolamento solido.

3 Ispezione interna e azioni correttive
Per determinare ulteriormente la causa radice, il trasformatore è stato svuotato e ispezionato. Sono stati rimossi per l'esame i due bocchettieri da 35 kV e l'innalzamento della fase B, rivelando che la striscia di messa a terra di equalizzazione della tensione sulla piastra di pressione della bobina era stata bruciata. Sollevando il coperchio del serbatoio, si è scoperto che il supporto isolante della piastra di pressione dell'avvolgimento superiore era stato danneggiato a causa di stress meccanici a lungo termine, causando un collegamento a terra a due punti. Ciò ha creato una corrente circolante, portando a un arco che ha bruciato la striscia di messa a terra. Il volume e il tasso di produzione di gas elevati hanno creato una pressione interna significativa, causando crepe e gravi perdite d'olio nei due bocchettieri da 35 kV vicino al punto di scarica. I risultati dell'ispezione erano pienamente coerenti con le conclusioni tratte dall'analisi cromatografica.

Misure correttive:
• Sostituire i componenti di supporto isolante danneggiati;
• Eseguire la degassazione e la filtrazione dell'olio isolante;
• Restituire il trasformatore al normale funzionamento dopo un test di accettazione riuscito;
• Potenziare il monitoraggio operativo e riprendere la gestione regolare solo dopo aver confermato l'assenza di ulteriori problemi attraverso un tracciamento e un'analisi continui.

4 Conclusione
(1) Questo studio ha applicato con successo la cromatografia a gas per diagnosticare un guasto di arco interno nella Fase B del trasformatore principale n. 1 della sottostazione Hexin, fornendo un'esperienza preziosa per l'operazione e la diagnosi dei guasti dei grandi trasformatori di potenza.

(2) Quando un relè di gas del trasformatore viene attivato, dovrebbero essere raccolti campioni di olio e gas per l'analisi cromatografica. Combinando i risultati cromatografici, i dati storici, il metodo del criterio di equilibrio e i test di isolamento, è possibile determinare se il guasto è interno o correlato ai componenti ausiliari, e identificare la natura, la posizione o il componente specifico coinvolto. Ciò consente manutenzioni tempestive e assicura la sicurezza dell'equipaggiamento.

(3) L'analisi cromatografica dell'olio isolante è una delle misure più efficaci per il monitoraggio del funzionamento sicuro degli apparecchi elettrici ad olio. L'analisi DGA regolare permette di rilevare e monitorare costantemente i guasti interni e la loro gravità. Per garantire il funzionamento sicuro dei grandi trasformatori e mantenere la consapevolezza dello stato di salute, la cromatografia a gas dovrebbe essere eseguita in conformità agli standard dell'industria elettrica, e la frequenza dei test dovrebbe essere aumentata se necessario.