Quali parametri vengono testati nei test sui trasformatori di tipo olio?

Trasformatori ad oliosono risorse critiche nei sistemi di energia elettrica. Per garantire che funzionino in modo sicuro, efficiente e affidabile, è necessario eseguire una serie di test rigorosi, sia in fabbrica che durante la messa in servizio, nonché per tutta la loro durata di servizio. Questi test verificano la resistenza elettrica, l'integrità meccanica, le prestazioni termiche e le condizioni dell'olio isolante.

Di seguito, i parametri chiave sono spiegati per categoria di test.

Parte 1: test di routine (eseguiti su ogni trasformatore)

Questi test vengono condotti su ciascuna unità prima che lasci la fabbrica per confermare la qualità di produzione di base.

1. Misurazione della resistenza dell'avvolgimento

Questo parametro misura la resistenza CC. Misurando la resistenza di ciascun avvolgimento di fase (sia primario che secondario), gli ingegneri possono rilevare collegamenti allentati, fili rotti, posizioni errate del commutatore o squilibri di fase significativi. I valori accettabili devono essere bilanciati tra le fasi (tipicamente entro il 2%) e corrispondere ai calcoli di progettazione.

2. Rapporto di tensione e sfasamento

Questo parametro verifica il rapporto spire. Viene applicata una tensione all'avvolgimento primario e viene misurata la tensione indotta sul lato secondario. Viene controllato anche l'angolo di fase tra gli avvolgimenti. Ciò garantisce che il trasformatore produca la tensione di uscita e il rapporto di fase corretti (ad esempio Dyn11). In genere l'errore deve essere compreso tra ±0,5%.

3. Perdite a vuoto e corrente di eccitazione

La perdita a vuoto (perdita del nucleo) è causata dall'isteresi e dalle correnti parassite nel nucleo. La corrente di eccitazione è la corrente necessaria per magnetizzare il nucleo. La misurazione di questi parametri aiuta a rilevare difetti principali come laminazioni in cortocircuito o assemblaggio scadente. Un'eccessiva perdita a vuoto significa che il trasformatore sprecherà continuamente una quantità significativa di energia.

4. Perdita di carico e tensione di impedenza

La perdita di carico (perdita di rame) è il calore generato dalla corrente che scorre attraverso gli avvolgimenti. La tensione di impedenza determina la regolazione della tensione del trasformatore e l'entità delle correnti di guasto. Per misurarli, il secondario viene cortocircuitato e la tensione sul primario viene aumentata finché non scorre la corrente nominale.

5. Resistenza di isolamento (test Megger)

Questo parametro misura la resistenza CC tra gli avvolgimenti e tra gli avvolgimenti e terra (nucleo e serbatoio). Un'elevata resistenza di isolamento (tipicamente >1.000 MΩ per i nuovi trasformatori) indica che il sistema di isolamento è asciutto, pulito e intatto. Una bassa resistenza solitamente suggerisce l'ingresso di umidità o la contaminazione.

6. Rigidità dielettrica (test di resistenza alla tensione)

Questo parametro verifica quanta sovratensione può sopportare l'isolamento senza rompersi. Esistono due forme comuni:

Resistenza CA da sorgente separata: verifica l'isolamento principale (dagli avvolgimenti a terra e tra gli avvolgimenti).

Resistenza CA indotta: verifica l'isolamento tra le spire e tra gli strati.

Per il superamento non è richiesto alcun flashover o guasto durante il test.

Parte 2: prove di tipo (verifica della progettazione)

Questi test vengono eseguiti su un prototipo di ciascun progetto per dimostrare che il progetto soddisfa tutti i requisiti standard.

1. Limiti di aumento della temperatura

Questo parametro misura la temperatura a regime degli avvolgimenti (calcolata con il metodo della variazione di resistenza) e la parte superiore dell'olio sotto carico nominale. La temperatura è il fattore più importante che influenza la durata del trasformatore: ogni aumento di 6°C oltre il valore nominale dimezza la durata dell'isolamento. Gli standard in genere richiedono che l'aumento della temperatura dell'avvolgimento non superi i 65 K (per l'isolamento di classe A).

2. Tensione di resistenza all'impulso di fulmine

Questo parametro simula un fulmine sulle linee collegate utilizzando una forma d'onda di tensione 1,2/50 µs. Viene applicata un'elevata tensione impulsiva per verificare se l'isolamento può resistere alle sovratensioni atmosferiche. Questo è un test fondamentale per prevenire guasti improvvisi del trasformatore dovuti a fulmini.

3. Capacità di resistenza al cortocircuito

Questo parametro verifica se gli avvolgimenti possono resistere alle enormi forze elettromagnetiche generate durante un cortocircuito esterno senza deformarsi o spostarsi. Dopo il test, vengono controllate le variazioni nella resistenza e nella reattanza dell'avvolgimento e viene utilizzata l'analisi della risposta in frequenza per confermare che non si è verificato alcun danno meccanico.

Parte 3: Test speciali (specifici per il cliente o per l'applicazione)

Questi test vengono eseguiti quando è richiesta ulteriore sicurezza, ad esempio per trasformatori di grandi dimensioni o critici.

1. Livello di scarica parziale (PD)

Questo parametro misura minuscole scariche elettriche all'interno dei vuoti di isolamento o alle interfacce, espresse in picocoulomb (pC). La scarica parziale è un segnale precoce di deterioramento dell'isolamento. Per i nuovi trasformatori, il livello PD deve essere generalmente inferiore a 10 pC a 1,5 volte la tensione nominale. Un livello PD basso significa che l'isolamento è privo di bolle o contaminanti.

2. Fattore di dissipazione dielettrica (Tan δ) e capacità

Tan δ (angolo di perdita) riflette la quantità di energia persa nel materiale isolante. La capacità riflette la struttura geometrica del sistema di isolamento. Entrambi i parametri sono altamente sensibili all'umidità e all'invecchiamento. Un valore tan δ in aumento indica che l'isolamento potrebbe essere diventato umido o carbonizzato.

3. Analisi della risposta in frequenza (FRA)

Questo parametro registra l'"impronta digitale" dell'impedenza del trasformatore in una gamma di frequenze (tipicamente da 20 Hz a 2 MHz). FRA è estremamente sensibile al movimento meccanico degli avvolgimenti causato da impatti di spedizione o forze di cortocircuito. Confrontando le tracce di fabbrica e sul campo, se le tracce rimangono altamente correlate (oltre il 98%), la struttura dell'avvolgimento si dimostra invariata.

4. Impedenza di sequenza zero

Questo parametro misura l'opposizione del trasformatore alle correnti omopolari (correnti di guasto a terra). Determina l'entità della corrente di guasto a terra monofase in un sistema con neutro solidamente messo a terra ed è un ingresso essenziale per le impostazioni del relè di protezione.

Parte 4: Parametri del test dell'olio isolante (fondamentale per i trasformatori di tipo olio)

L'olio agisce sia come isolante che come refrigerante, quindi le sue proprietà fisiche, chimiche ed elettriche sono fondamentali.

1. Tensione di rottura (BDV)

Questo è l'indicatore più diretto della forza elettrica dell'olio. Un campione di olio viene posizionato tra due elettrodi a una distanza prestabilita (tipicamente 2,5 mm) e la tensione viene aumentata finché non si verifica la rottura. Di solito è necessario che l'olio nuovo abbia un BDV di almeno 60 kV. Un BDV basso indica che l'olio contiene umidità o particelle conduttrici.

2. Contenuto d'acqua

L’umidità è uno dei principali nemici dell’olio isolante. Riduce drasticamente la tensione di rottura e accelera l'invecchiamento dell'isolamento in cellulosa. Il nuovo petrolio richiede un contenuto di acqua estremamente basso, in genere inferiore a 10 parti per milione (ppm).

3. Numero di acidità (valore di neutralizzazione)

Questo parametro misura la concentrazione di composti acidi nell'olio. Man mano che il petrolio invecchia, il numero di acidità aumenta. Un numero di acidità elevato può corrodere i componenti metallici e accelerare il degrado dell'isolamento.

4. Analisi dei gas disciolti (DGA)

Questo è uno degli strumenti diagnostici più potenti. Misurando le concentrazioni e i rapporti dei principali gas disciolti: idrogeno (H₂), metano (CH₄), etano (C₂H₆), etilene (C₂H₄), acetilene (C₂H₂), monossido di carbonio (CO) e anidride carbonica (CO₂), gli ingegneri possono identificare guasti interni nascosti. Per esempio:

Rilevato acetilene → scarica dell'arco.

Etilene dominante → punto caldo ad alta temperatura.

Aumento improvviso dell'idrogeno → scarica parziale.

5. Tensione interfacciale (IFT)

Questo parametro riflette la presenza di contaminanti polari o sottoprodotti dell'invecchiamento nell'olio. Il nuovo petrolio ha una tensione interfacciale relativamente elevata. Man mano che l'olio invecchia o viene contaminato, il valore IFT diminuisce.

6. Punto di infiammabilità e punto di scorrimento

Il punto di infiammabilità misura il rischio di incendio. L'olio minerale ha tipicamente un punto di infiammabilità superiore a 140°C.

Il punto di scorrimento misura la fluidità a bassa temperatura. Nei climi freddi è necessario utilizzare olio con un punto di scorrimento basso.