Cosa si sta fondendo?

Premessa 

Questo case study ci è stato generosamente fornito dal gruppo svedese Hitachi Energy Service. Un trasformatore Diii da forno da 22 MVA e 10,5 kV/276 V (regolazione della tensione da 336 a 216 V), dopo molti anni di utilizzo intensivo presso un impianto di fusione dell'acciaio in Europa, è stato sottoposto a una serie completa di test a seguito di un guasto improvviso durante il funzionamento. L'appaltatore di servizi ha valutato le condizioni elettriche e dielettriche di questo trasformatore. Durante la manutenzione, l'avvolgimento secondario di questo tipo di trasformatore viene collegato esternamente in una configurazione Delta mediante un ponte ad alta corrente. Per chiarire la designazione del vettore, nella Figura 1 è riportato un semplice diagramma che mostra i terminali. 

Indagine 

Il blackout di un trasformatore da forno è devastante per un operatore industriale. La perdita di potenza si traduce in una perdita di produzione. Fortunatamente, in questo caso era disponibile in loco un trasformatore di ricambio. Ciò ha consentito all'appaltatore di servizi di eseguire diversi test sull'unità guasta, tra cui il rapporto di spire del trasformatore, la resistenza dell'avvolgimento, la resistenza dell'isolamento e l'analisi della risposta in frequenza sweep (SFRA). Inoltre, sono stati prelevati campioni di olio per l'analisi di laboratorio dei gas disciolti (DGA).  

I test del rapporto di spire del trasformatore sono stati eseguiti con eccitazione a bassa tensione dal lato HV. Per la misurazione è stato utilizzato un collegamento dell'avvolgimento Dd0. Sono stati eseguiti test del rapporto di spire del trasformatore su tutte le prese e sono stati ottenuti valori accettabili per due fasi. Lo strumento di test non è stato in grado di eseguire misurazioni del rapporto sulla Fase C. Ciò potrebbe essere dovuto a uno stato in cui l'impedenza era così bassa da non essere in grado di generare la tensione di eccitazione configurata per il test.  

I risultati del rapporto di spire del trasformatore sono riportati nella Tabella 1.

Tabella 1: Risultati del rapporto di spire su tutte le posizioni delle prese 

I test di resistenza dell'avvolgimento sono stati quindi eseguiti sul trasformatore. La Tabella 2 illustra le misurazioni della resistenza dell'avvolgimento sul lato HV eseguite in fabbrica (media RFAT) e sul campo.  

Tabella 2: Misurazioni della resistenza dell'avvolgimento in fabbrica e sul campo (avvolgimento ad alta tensione) 

I risultati della resistenza dell'avvolgimento vengono solitamente interpretati sulla base del confronto delle misurazioni effettuate separatamente su ciascuna fase di un avvolgimento con collegamento a stella o tra coppie di terminali su un avvolgimento con collegamento a triangolo. È inoltre possibile effettuare un confronto con i dati originali misurati in fabbrica. Una misurazione è considerata accettabile, e non sono necessarie ulteriori indagini, se le letture delle singole fasi rientrano nel 2% delle letture delle altre fasi per i trasformatori trifase o nel 2% dei valori di fabbrica riportati. Quando le letture non rientrano nell'intervallo del 2%, si consiglia di effettuare ulteriori indagini o consultare il produttore del trasformatore per determinare l'accettabilità dei risultati. Tuttavia, per valori di resistenza molto bassi, non è raro che le misurazioni superino il limite del 2%, anche in un trasformatore perfettamente normale. In questi casi, le tolleranze di misurazione dell'apparecchiatura di test potrebbero non essere sufficienti a risolvere il limite accettabile del 2% tra le misurazioni [1].  

Secondo la norma IEEE C57.152 [2], valori superiori al 5% rispetto ai record di fabbrica, devono essere esaminati.  

In questo caso, i valori di fabbrica sono stati ottenuti a 24,7 °C e le misurazioni sul campo sono state eseguite a 28 °C. La correzione ai valori di fabbrica viene eseguita come suggerito in [2] seguendo l'equazione (1).

Rs=Rm ((Ts+Tk)/(Tm+Tk )) (1)  

Rs: Resistenza alla temperatura di riferimento Ts  

Rm: Resistenza alla temperatura misurata Tm  

Tk: 234,5 °C (rame) e 225 °C (alluminio)  

I risultati rivelano un bel disastro. La resistenza dell'avvolgimento della fase C è un problema sulla posizione della presa 1 e, quando la posizione della presa cambia e vengono aggiunte ulteriori porzioni dell'avvolgimento di regolazione, i risultati peggiorano ulteriormente in modo significativo. I risultati dei test della fase A e della fase B non sono accettabili anche in posizioni delle prese più elevate. Le differenze significative osservate in questo trasformatore sono visualizzate meglio nel grafico di misurazione della resistenza (Figura 2) e nell'errore rappresentato graficamente, espresso in % (Figura 3). 

Il grafico nella Figura 2 mostra un valore elevato dei risultati del test di resistenza dell'avvolgimento rispetto ai valori FAT, ma la nota più significativa è la variazione della fase C.  

Figura 3: Variazione percentuale rispetto alle misurazioni FAT  

La Figura 2 mostra che le fasi A e B si comportano in modo simile con una variazione crescente rispetto alle misurazioni FAT quando la posizione della presa cambia. Le prese 9, 10, 11, 12 e 13 dovrebbero essere indubbiamente sottoposte a indagine in quanto la differenza è > 5%.  

La fase C si comporta in modo piuttosto diverso, superando la variazione accettabile in tutte le posizioni delle prese.  

Le fasi A e B sono state influenzate dal guasto nella fase C, poiché gli avvolgimenti in funzione erano collegati a triangolo.  

I risultati del test di resistenza dell'avvolgimento sul lato LV sono riportati nella Tabella 3. La tabella fornisce i risultati dei test per una sezione dell'avvolgimento a bassa tensione. Le altre sezioni dell'avvolgimento a bassa tensione hanno dato risultati simili.  

Tabella 3: Misurazione della resistenza dell'avvolgimento in fabbrica e sul campo (avvolgimento a bassa tensione) 

Successivamente, gli addetti ai test hanno tentato di eseguire un test di resistenza dell'isolamento a 500 V CC; i risultati sono riportati nella Tabella 4.  

Tabella 4: Risultati di isolamento ottenuti a 28 °C  

Un campione di olio è stato prelevato dal trasformatore e inviato a un laboratorio per un test DGA. I risultati sono riportati nella Tabella 5.  

Tabella 5: Concentrazione di gas da un campione di olio del trasformatore

I risultati dell'"ultimo test prima del guasto" non sono rappresentativi di un problema di sviluppo di gas, in particolare nel caso di un trasformatore da forno. I numeri rientrano nella Condizione 1 come specificato dagli standard esistenti. Questo è un caso in cui solo un monitoraggio dei gas in linea o un campione di olio "fortunato" avrebbero potuto rilevare un guasto da arco prima che si verificasse.

L'analisi DGA successiva al guasto indica una posizione D2 nel Triangolo di Duval 1 e nel Pentagono 1. D2 è un'indicazione di "scarica ad alta energia, incluso l'arco elettrico. Fusione metallica prevista e presenza di particelle di carbonio nell'olio". Questi risultati sono riportati nella Figura 4. 

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Tutte le prove indicano chiaramente un guasto all'interno del trasformatore. La domanda in sospeso era quindi: dove? Per localizzare il guasto nella totale parte attiva del trasformatore, è stato eseguito il test SFRA utilizzando lo strumento FRAX 101 di Megger.  

Figura 5: Circuito aperto ad alta tensione - Posizione della presa 1

Figura 6: Circuito aperto ad alta tensione - Posizione della presa 13  

I risultati del test di circuito aperto SFRA (Figure 5 e 6) indicano un cortocircuito nella fase C (tracce blu). Il guasto ha influenzato anche le altre due fasi, con conseguente risposta asimmetrica completa.

Figura 7: Test di cortocircuito ad alta tensione

I risultati del test di cortocircuito HV SFRA confermano che la fase C è coinvolta in questo trasformatore, ma anche che questa fase danneggiata influisce sulla risposta delle fasi A e B.  

Non vi era alcun dubbio che il trasformatore necessitasse di un intervento importante prima di rimetterlo in servizio. Per valutare l'entità del danno identificato da questa serie di test, il proprietario della risorsa ha ordinato un'ispezione interna.  

Durante l'ispezione, il guasto è stato osservato sull'avvolgimento di regolazione della fase C, come mostrato nella Figura 8.  

Gli avvolgimenti delle fasi A e B, così come il nucleo, non sono stati danneggiati.

Figura 8: Avvolgimento di regolazione della fase C rilevato durante l'ispezione visiva  

Il proprietario della risorsa ha deciso di far riparare l'unità. L'unità è stata portata presso l'officina di riparazione del produttore per un ripristino completo. L'unità riparata è stata rimessa in servizio.  

La causa principale del guasto non è chiara al 100%. Questo trasformatore da forno è stato utilizzato per molti anni, con una frequente attivazione e disattivazione della potenza massima. Le condizioni del trasformatore non sono mai state esaminate accuratamente prima che si verificasse il guasto. 

Punti chiave 

Durante la vita utile di un trasformatore di potenza o di distribuzione, è quasi impossibile prevenire eventi transitori e guasti interni che possono danneggiare gravemente la parte attiva del trasformatore.  

Dopo molti anni di utilizzo, in particolare per i trasformatori da forno, è utile valutare accuratamente le condizioni operative. Per i trasformatori usati, potrebbe essere necessario modificare il profilo operativo in modo che il trasformatore sia ancora in grado di resistere alle sollecitazioni operative.  

1. Dopo un guasto, è necessario valutare diverse azioni. Se il guasto è esterno al trasformatore, smagnetizzarlo dopo averlo isolato dal sistema. Rimuovere la magnetizzazione residua nel nucleo per facilitare un'interpretazione significativa dei risultati dei test CA, in particolare i test SFRA, di eccitazione e del rapporto di spire del trasformatore.  
2. Se il guasto è interno, utilizzare procedure di test a bassa energia. Assicurarsi che i gas combustibili vengano rimossi dal trasformatore.  
3.  
4. In questo case study, i test elettrici e dielettrici hanno confermato che l'avvolgimento della fase C presentava un guasto grave e che l'unità non poteva a tornare in funzione senza essere riparata. Per ridurre al minimo i tempi di inattività durante i test e riparare l'unità difettosa, è stata installata un'unità di ricambio.  
5. I danni subiti da questo trasformatore avrebbero potuto essere identificati esclusivamente mediante SFRA. Altri test supportano i risultati e aiutano a identificare la potenziale causa all'origine del guasto 

Vantaggi 

Una combinazione di procedure di test a bassa energia è sempre necessaria dopo una condizione di guasto. La disponibilità in loco dell'apparecchiatura SFRA e i record delle misurazioni SFRA consentono una rapida identificazione di un guasto e della relativa posizione. Altre procedure aiutano a convalidare e valutare l'entità del danno.  

Il prelievo di campioni di olio è una buona prassi quando una condizione di guasto attivo influisce continuamente sul normale funzionamento del trasformatore. Tuttavia, i guasti possono essere rapidi e violenti, e non lasciare all'operatore il tempo di prevenire danni al trasformatore. Il campionamento DGA continuo è particolarmente consigliato per i trasformatori sotto carichi pesanti, come nel caso di questo trasformatore da forno.  

Per un proprietario di risorse industriali, la perdita di alimentazione di rete è direttamente proporzionale alle perdite finanziarie e alla produzione non recuperabile. In questo caso, era disponibile un'unità di ricambio e i tempi di inattività sono stati ridotti al minimo.  

Bisogna essere proattivi, non reattivi. È opportuno conservare i record di riferimento dei risultati dei test di fabbrica e di routine dell'apparecchiatura e assicurarsi che la cassetta degli attrezzi per i test elettrici contenga gli strumenti giusti e, soprattutto, un dispositivo portatile SFRA come il FRAX 101 di Megger.  

BIBLIOGRAFIA  

[1] “Transformer Service Handbook – 4th Edition” (ABB, 2018, pag. 189)  

[2] IEEE C57.152-2013 “Guide for Diagnostic Field testing of Fluid-filled Power Transformers, Regulators, and Reactors”. 

Riferimenti dei prodotti 

TTRU3

TRAX

FRAX