Test diagnostici degli isolatori

Di Sanket Bolar e Ankit Porwal

Per quasi un secolo, i test di capacità e del fattore di potenza sono stati eseguiti regolarmente sugli isolatori dei trasformatori. Negli ultimi tempi, tuttavia, il test della risposta dielettrica in frequenza (DFR) è stato riconosciuto come una forma estesa del test del fattore di potenza che offre vantaggi significativi, come spiegano Sanket Bolar e Ankit Porwal di Megger.

Introduzione

Nei primi anni del 1900 è stato dimostrato che l'adozione di un design con isolatori passanti a condensatore per i trasformatori ha fornito una migliore distribuzione della tensione radiale e ha permesso l'uso di isolatori di dimensioni ridotte per una data tensione di esercizio. Oggi, gli isolatori a condensatore sono quasi universali per applicazioni a 25 kV o superiori. Questi isolatori possono essere classificati in base ai materiali utilizzati nel sistema di isolamento: carta impregnata di olio (OIP), carta impregnata di resina (RIP), carta legata in resina (RBP) e materiali sintetici impregnati di resina (RIS). Gli isolatori OIP sono i più utilizzati.

Nelle sottostazioni, gli isolatori forniscono il mezzo di collegamento con i trasformatori. Sono progettati per resistere alle sollecitazioni ad alta tensione durante il funzionamento, per trasportare correnti elevate e per operare ad alte temperature. Sono generalmente utilizzati in esterni, dove sono esposti a condizioni atmosferiche potenzialmente avverse. Inoltre, prima dell'installazione, possono essere facilmente danneggiati durante il trasporto e, dopo l'installazione, sono bersaglio di atti vandalici.

Per questi motivi, i problemi agli isolatori sono tra le cause più comuni di guasto al trasformatore, e i guasti al trasformatore possono costare cari. È quindi importante monitorare le condizioni degli isolatori per tutta la loro durata utile per poter affrontare eventuali difetti e deterioramento prima che si verifichino guasti gravi. Per tradizione, il monitoraggio delle condizioni veniva eseguito utilizzando i test di capacità e del fattore di potenza, ma oggigiorno il test della risposta dielettrica in frequenza (DFR), una forma avanzata di test del fattore di potenza, sta diventando sempre più popolare, sia come integrazione che come sostituzione dei test tradizionali. Per scoprire il perché, esaminiamo più da vicino ciascuna delle tecniche.

Test del fattore di potenza della frequenza di linea (LFPF) sugli isolatori OIP.

Il termine "fattore di potenza" viene generalmente utilizzato negli Stati Uniti, mentre in altre parti del mondo è più comune fare riferimento a tan delta e a fattore di dissipazione. Notare che il fattore di potenza e il fattore di dissipazione sono calcolati in modi diversi ma, per i nostri scopi, sono numericamente uguali e i termini possono quindi essere utilizzati in modo intercambiabile quando i valori sono inferiori al 10%.

Il sistema di isolamento di un isolatore a condensatore è dotato di due componenti capacitivi: C1 e C2 (Fig. 1).

In un isolatore OIP, la classificazione della capacità si ottiene avvolgendo più volte la carta Kraft attorno al nucleo del conduttore e posizionando inserti in lamina conduttiva a intervalli specifici durante l'avvolgimento; in seguito, questo sistema di isolamento principale viene impregnato di olio. Negli isolatori con valore nominale di 69 kV (o 350 kV BIL), lo strato di carta più esterno è collegato a una presa di test. In servizio, la presa di test è collegata a massa tramite l'apposito coperchio. Negli isolatori con valore nominale > 69 kV (ovvero > 350 kV BIL), uno degli strati più esterni è collegato a una presa di potenziale mentre lo strato più esterno è collegato a massa internamente. La presa di potenziale "fluttua" durante il funzionamento con il coperchio in posizione.

La capacità degli strati multipli tra il nucleo e la presa di test, o tra il nucleo e la presa di potenziale, è rappresentata da C1. La presa di test viene isolata dalla flangia di messa a terra nel momento in cui il coperchio viene rimosso e la capacità di questo isolamento è rappresentata da C2. Il sistema di isolamento C2 di un isolatore con una presa di potenziale include gli strati di carta impregnati di olio più esterni del nucleo principale, nonché l'isolamento tra la presa di potenziale e la flangia di messa a terra.
 

Figura 1: Sistema di isolamento di un isolatore a condensatore

I test di capacità e del fattore di potenza misurano, solitamente a 10 kV, le perdite dielettriche nell'isolamento rappresentate da C1 . I valori ottenuti sono comunemente espressi in percentuali, e i valori tipici degli isolatori nuovi rientrano nell'intervallo compreso tra lo 0,2% e lo 0,4%. I test in fabbrica forniscono i valori di riferimento che sono inclusi sulla targhetta dell'isolatore, e i valori dei test sul campo vengono confrontati con questi riferimenti. Qualsiasi deviazione significativa suggerisce che l'isolamento dell'isolatore potrebbe essersi deteriorato.

Anche le variazioni del valore della capacità di C1 sono importanti. Un aumento della capacità può essere il risultato di strati in cortocircuito, mentre una diminuzione della capacità spesso è dovuta a problemi di collegamento della presa. Le misurazioni della capacità e del fattore di potenza possono essere eseguite anche sull'isolamento rappresentato da C2, a 500 V (presa di test) o a 2 kV (presa di potenziale). In particolare quando una guarnizione si rompe su un isolatore che, a sua volta, consente l'ingresso di umidità, l'acqua si accumula generalmente nello scomparto della presa e attacca il nucleo dell'isolamento principale dagli strati più esterni. Un test C2 include principalmente questo isolamento più suscettibile e, in tali casi, segnala un problema di ingresso di umidità o altra contaminazione prima di un test C1.

Diversi standard forniscono linee guida sull'interpretazione e la convalida dei risultati dei test del fattore di potenza. Esempi per i test di accettazione in fabbrica sono IEEE C57.19.01 – IEEE Standard Performance Characteristics and Dimensions for Outdoor Apparatus Bushings e IEC 60137 – Insulated bushings for alternating voltages above 1000 V. I limiti per il fattore di potenza C1 prescritti da questi standard sono mostrati nella Tabella 1. Tutti i valori sono misurati a 20 °C o normalizzati a 20 °C.

Gli standard applicabili ai test sul campo includono: IEEE C57.152 – IEEE Guide for Diagnostic Field Testing of Fluid-Filled Power Transformers, Regulators, and Reactors.

Questo standard stabilisce che: 

• Una deviazione di 1,5 o 2 volte rispetto alla lettura iniziale giustifica test più frequenti degli isolatori
• Una deviazione superiore a tre volte rispetto alla lettura iniziale giustifica la messa fuori servizio dell'isolatore
• Una deviazione della capacità superiore al 5% è un motivo per indagare riguardo l'idoneità della permanenza in servizio dell'isolatore

Queste linee guida sono allineate a quelle fornite in IEEE C57.19.100 - IEEE Guide for Application of Power Apparatus Bushings.

Un punto spesso trascurato quando si analizzano i risultati dei test del fattore di potenza è l'effetto della temperatura. La misurazione a temperature diverse produce valori diversi, quindi è importante normalizzare i valori misurati correggendoli a una temperatura di riferimento (20 °C). Le tabelle dei fattori di correzione sono disponibili da varie fonti, ma si tratta di valori generici e non sempre affidabili. Le esamineremo di nuovo in un secondo momento.

Misurazioni della risposta dielettrica in frequenza a banda stretta (NB DFR) 

È possibile utilizzare alcuni set di test del fattore di potenza da 10 kV per misurare il fattore di potenza a frequenze multiple da 1 Hz a 500 Hz. La curva ottenuta tracciando queste misurazioni è la risposta dielettrica in frequenza a banda stretta (NB DFR) e fornisce ulteriori informazioni sulle condizioni di isolamento dell'isolatore. Questa banda di frequenza relativamente stretta non fornisce informazioni quantitative sul contenuto di umidità dell'isolamento, ma è un'indicazione della presenza di umidità e/o impurità.

Il test NB DFR rappresenta un progresso rispetto alla misurazione del fattore di potenza solo alla frequenza di linea e, in circa tre minuti, fornisce preziose informazioni aggiuntive. Può, ad esempio, fornire un'indicazione precoce dell'invecchiamento e del deterioramento dell'isolamento, suggerendo di dare priorità alla manutenzione o di esaminare ulteriormente la condizione utilizzando tecniche di test più avanzate.

Il test NB DFR viene generalmente eseguito a 250 V e, poiché si tratta di un test a bassa energia, è più sicuro rispetto al test LFPF a 10 kV di routine. Consente di visualizzare la caratteristica dielettrica univoca dell'oggetto sottoposto a test, facilitando così il confronto grafico dei risultati ottenuti da più isolatori sullo stesso trasformatore. Fornisce inoltre 
un modo per misurare la sensibilità della temperatura di un particolare sistema di isolamento, in modo da poter determinare un fattore di correzione della temperatura (ITC) individuale accurato per normalizzare i risultati a 20 °C.

Il fattore di potenza dipende dalla temperatura e la Nota 3(b) della sezione 10.10.4 IEEE - Codice di test standard IEEE C57.12.90 per trasformatori di distribuzione, alimentazione e regolazione immersi in liquido afferma: "L'esperienza dimostra che la variazione del fattore di dissipazione con la temperatura è sostanziale e irregolare, per cui nessuna singola curva di correzione può adattarsi a tutti i casi". Fortunatamente, la risposta in frequenza e la risposta termica di un sistema dielettrico sono correlate e questa relazione rivela un modo alternativo più preciso per "correggere" o normalizzare il risultato di un test del fattore di potenza al suo equivalente a 20 °C.

Per un isolatore OIP, il grafico della risposta dielettrica in frequenza si sposta orizzontalmente con una variazione di temperatura, ma la forma della curva rimane invariata. È possibile determinare l'esatta entità dello spostamento orizzontale della curva per una determinata variazione di temperatura, il che significa che le misurazioni del fattore di potenza eseguite alle temperature più comuni degli isolatori possono essere normalizzate in modo preciso e affidabile a 20 °C. La Figura 2 mostra un esempio di curva DFR normalizzata accanto alla curva misurata.

L'uso del metodo ITC per normalizzare accuratamente i risultati elimina la necessità di attendere che la temperatura sia prossima a 20 °C per testare un isolatore o di fare affidamento su fattori di correzione generici che potrebbero o meno essere validi, a seconda della condizione di isolamento.

Misurazioni della risposta dielettrica in frequenza (DFR)

Il sistema di isolamento di un isolatore OIP si comporta elettricamente come più condensatori in serie formati da lamina conduttiva e carta Kraft impregnata di olio, come menzionato in precedenza. L'olio e la carta formano un sistema dielettrico composito e i risultati DFR sono una combinazione delle risposte delle componenti olio e carta. Le risposte di entrambe queste componenti variano in base alla frequenza, ma il modo in cui variano è diverso e questa differenza viene sfruttata nei test DFR.

Quando il test NB DFR non fornisce un'indicazione definitiva delle condizioni di un isolatore, è possibile utilizzare il test DFR, eseguito su un intervallo più ampio di frequenze, per un'analisi più approfondita. L'analisi delle curve DFR può produrre informazioni importanti, come il contenuto di umidità della carta e la conduttività dell'olio. Inoltre, la presenza di contaminazione o di altri problemi fisici può causare risposte atipiche, con le deviazioni più evidenti osservate alle frequenze più basse.

Le misurazioni DFR vengono spesso eseguite a 140 V. Poiché il test copre un ampio intervallo di frequenze e utilizza correnti basse, il rumore elettrico può influire negativamente sulla precisione delle misurazioni, in particolare quando si eseguono test su campioni con capacità già relativamente bassa, come gli isolatori. La soluzione è eseguire il test a una tensione più alta. L'uso di un amplificatore di tensione in combinazione con un set di test DFR migliora notevolmente il rapporto segnale-rumore, il che consente di eseguire misurazioni accurate e affidabili anche in ambienti rumorosi.

Sul campo

Per illustrare e confermare il valore dei test descritti in questo articolo, la stessa serie di test è stata eseguita 
sul campo su tre isolatori ad alta tensione OIP. Il test è stato eseguito in tre fasi: analisi PF, analisi NB DFR e analisi DFR.

• Fase 1: analisi PF

Un aumento del fattore di potenza, misurato alla frequenza industriale, è stato osservato su due dei tre isolatori (X1 e X3), come mostrato nella Tabella 2.

Secondo lo standard IEEE C57.152, i valori PF della frequenza di linea per X1 e X3 a 20 °C superano i limiti accettabili, mentre secondo lo standard CIGRE TB 445, i valori PF degli isolatori X1 e X2 rientrano nei limiti con il solo isolatore X3 fuori dai limiti accettabili. Sulla base solo di questi risultati, potremmo affermare che gli isolatori X1 e X3 non sono in buone condizioni e, inoltre, che l'isolatore X3 deve essere ulteriormente esaminato il prima possibile.

• Fase 2: analisi NB DFR

Il test NB DFR è stato eseguito sui tre isolatori a frequenze comprese tra 1 Hz e 500 Hz. La Figura 3 mostra un aumento della % DF per gli isolatori X1 e X3 a frequenze più basse. Le curve della risposta termica sono illustrate nella Figura 4 e sono diverse per ciascun isolatore a causa delle variazioni nella risposta dielettrica in frequenza tra gli isolatori. La Tabella 3 mostra i valori della % PF con correzione della temperatura.

Per un isolatore in buone condizioni, il risultato del test PF C1 dipende solo leggermente dalla temperatura. Man mano che l'isolamento invecchia e si deteriora, il fattore di correzione della temperatura aumenta, il che significa che la dipendenza dalla temperatura è direttamente correlata alla risposta dielettrica dell'isolatore. In questi risultati, l'isolatore X3 mostra una maggiore dipendenza dalla temperatura rispetto agli isolatori X1 e X2. Questa è una buona indicazione della presenza di problemi con l'isolatore X3.

Sulla base di studi condotti in oltre 20 anni come esperto leader nei test DFR, Megger ha proposto i limiti indicati nella Tabella 4 per i valori della % PF misurata a 1 Hz.

L'elevato valore della % PF misurata sugli isolatori X1 e X3 a 1 Hz indica problemi relativi all'isolamento, ma non rivela se il problema si trova nell'isolamento liquido o nell'isolamento solido. A tale scopo, è stata eseguita un'analisi DFR completa.

• Fase 3: analisi DFR 

I risultati ottenuti dall'analisi DFR sono mostrati nella Tabella 5. I limiti proposti da Megger per la % mc (concentrazione di umidità) e la conduttività dell'olio sono riportati nella Tabella 6. La Tabella 7 riassume i risultati ottenuti dai test collettivi eseguiti sugli isolatori e rivela le loro valutazioni finali.

Conclusione

Il test PF alla frequenza di linea, utilizzato tradizionalmente per la valutazione delle condizioni degli isolatori, presenta delle limitazioni che possono essere superate utilizzando i test DFR. A causa della maggiore sensibilità di PF all'umidità e alla contaminazione a basse frequenze, il test DFR consente di rilevare in anticipo eventuali problemi di isolamento degli isolatori.

Qualsiasi dubbio rimasto sulle condizioni dopo il test NB DFR può essere eliminato eseguendo un test DFR completo, che consente di stimare la quantità di umidità nell'isolamento solido e la conduttività dell'olio. La DFR elimina inoltre il problema della dipendenza dalla temperatura delle misurazioni PF. Infine, le difficoltà talvolta associate all'esecuzione dei test DFR in ambienti elettricamente rumorosi possono ora essere risolte utilizzando tensioni di test fino a 1,4 kV RMS.