Tenere d'occhio i trasformatori

Autore: Daniel Hering, Software Developer, Power Diagnostix

Le misurazioni della scarica parziale (PD) con l'ICMsystem di Power Diagnostix di Megger forniscono informazioni preziose sulla natura, la posizione e la gravità dell'attività della PD e, quindi, il livello di rischio associato. Questi dettagli sono di inspirazione per decisioni informate sulla gestione delle risorse. In alcuni casi, potrebbe essere possibile gestire condizioni di rischio relativamente basse riducendo le esigenze operative di una risorsa interessata fino a quando non sarà disponibile una data di interruzione più comoda, mentre in altri potrebbe essere necessaria una riparazione immediata. In entrambi i casi, le misurazioni della PD forniscono informazioni sulla natura delle riparazioni necessarie prima di avviare il processo di riparazione. In questo modo si elimina la necessità di indagini esplorative per individuare il danno dielettrico, e sarà più facile prepararsi a ciò che probabilmente si potrà trovare all'apertura del trasformatore. Ciò, a sua volta, consente di migliorare la pianificazione, ridurre i tempi di interruzione, abbassare i costi e migliorare la sicurezza delle forniture.

Figura 1: ICMsystem

La misurazione della PD è una tecnica consolidata e comprovata per l'analisi delle condizioni dell'isolamento in trasformatori di potenza e per grande distribuzione. In effetti, per molti operatori di trasformatori, questa tecnica è diventata un elemento obbligatorio dei test di accettazione in fabbrica, nonché una parte fondamentale del programma di test di manutenzione ordinaria. Power DiagnostiX, un'azienda Megger, sviluppa sistemi di misurazione della PD dagli anni '80, e questo articolo illustra le applicazioni di uno dei prodotti più recenti e versatili dell'azienda: ICMsystem di Power Diagnostix.

Una volta completata la produzione di un trasformatore di potenza, il nucleo, gli avvolgimenti, l'isolamento e altri componenti chiave, inclusi i commutatori sotto carico, non sono facilmente accessibili per l'ispezione e la riparazione. L'apertura di un trasformatore ai fini della riparazione è un processo difficile e dispendioso in termini di tempo e denaro. Ciò rende il test della PD una componente preziosa della manutenzione regolare dei trasformatori di potenza, poiché consente di determinare facilmente la natura, la posizione e la gravità di guasti incipienti.

Analisi dei gas disciolti

La manutenzione del trasformatore inizia in genere con l'analisi dei gas disciolti (DGA), un'analisi sistematica dell'olio del trasformatore mediante gascromatografo. È disponibile un patrimonio di conoscenze su come i gas disciolti nell'olio per trasformatori sono causa di problemi quali surriscaldamento, invecchiamento della carta e archi elettrici, e sono correlati al verificarsi dell'attività della PD. L'analisi iniziale dei gas di solito si concentra su idrogeno, idrocarburi e ossidi di carbonio come CH4, C2H2, C2H6, CO e CO2. Fornisce importanti informazioni preliminari sull'esistenza dell'attività della PD e sui rischi associati, ma poco o niente sulla posizione dell'attività della PD all'interno del trasformatore. L'identificazione della posizione richiede due fasi: prelocalizzazione e individuazione.

Prelocalizzazione dell'attività della PD

Le prese di potenziale o di test sulle boccole ad alta tensione del trasformatore di potenza vengono utilizzate per accoppiare il segnale di scarica parziale e facilitare le misurazioni della PD. Un'impedenza di misurazione, nota come PDIX Quadrupole™, è collegata alla presa di test di ciascuna boccola. Quando combinato con un preamplificatore, ciascun quadrupolo diventa un filtro passa-alto attivo che trasmette segnali ad alta frequenza. Il preamplificatore ICMsystem ha un'impedenza di ingresso molto alta, che consente un trasferimento efficiente del segnale che mantiene il segnale proveniente dal trasformatore sul suo percorso attraverso la presa della boccola. Amplifica i segnali a bassa potenza e ha una bassa impedenza di uscita (50 Ω), ideale per attivare la linea che si collega agli elementi principali dell'ICMsystem. Questa disposizione consente di ottenere un buon rapporto segnale-rumore, anche su collegamenti lunghi, senza la complicazione di utilizzare la trasmissione del segnale a fibre ottiche.

Ogni presa di test sul trasformatore è assegnata a un canale sul dispositivo di misurazione. L'ICMsystem dispone di dieci canali di misurazione per poter misurare contemporaneamente il primario, secondario e terziario e, se presente, il centro stella. Una volta effettuati i collegamenti necessari, il sistema di misurazione viene calibrato immettendo un impulso con carica nota in ciascuna fase misurata. Durante il processo di calibrazione, l'ICMsystem genera automaticamente una matrice di accoppiamento incrociato (Figura 2) che fornisce informazioni sull'accoppiamento dei segnali ad alta frequenza tra i singoli punti di misurazione. Il confronto tra l'accoppiamento incrociato durante la calibrazione e l'accoppiamento incrociato durante le misurazioni della PD fornirà un'indicazione iniziale della posizione della PD all'interno del trasformatore.

Individuazione dell'attività della PD

Per individuare l'attività della PD in modo più preciso, sono disponibili diverse opzioni.

Variazione della modalità di eccitazione

La tensione di innesco della PD e la posizione della fase dell'attività PD interna dipendono dalla modalità della tensione di eccitazione. La variazione della modalità di eccitazione fornisce informazioni preziose sulla posizione del guasto nel trasformatore. Nel test di tensione indotta trifase, tutte e tre le fasi del trasformatore sono alimentate con alta tensione con un offset di fase di 120 gradi. Questo offset determina ulteriori variazioni di fase in multipli di 30 gradi tra coppie di avvolgimenti (ad es. tra primario e secondario). Ciò significa che una variazione della posizione della fase del modello di scarica parziale risolta in fase (PRPD) tra eccitazione monofase e trifase fornisce informazioni sul campo elettrico locale in corrispondenza della posizione del guasto, e quindi sulla posizione del guasto nel trasformatore. Se la posizione della fase non cambia tra le misurazioni monofase e trifase, il guasto osservato si trova nel sistema di isolamento fase-terra, ma se la posizione della fase cambia, l'isolamento tra le due fasi è difettoso.

Figura 2: matrice di accoppiamento incrociato durante la calibrazione

Figura 3: eccitazione monofase su un trasformatore YNd

Figura 4: modello della PD per delaminazione all'interno degli strati di carta

A condizione che il trasformatore da testare ammetta questa modalità operativa, l'eccitazione monofase con un centro stella non collegato a terra fornisce ulteriori opzioni diagnostiche. Rispetto alla normale misurazione della tensione indotta monofase, la caduta di tensione all'interno dell'avvolgimento eccitato è ridotta di un terzo per l'eccitazione con un centro stella non collegato a terra. Come mostrato nella Figura 3, quando il centro stella non è collegato a terra, la tensione viene distribuita nell'avvolgimento eccitato in serie con la combinazione parallela degli altri due avvolgimenti di fase. La reattanza induttiva della combinazione parallela è la metà della reattanza induttiva dell'avvolgimento eccitato. Pertanto, due terzi della caduta di tensione si verifica nell'avvolgimento eccitato. Il confronto delle tensioni di innesco della PD, tra eccitazione monofase con un centro stella collegato a terra ed eccitazione monofase con centro stella non collegato a terra, fornisce pertanto informazioni sulla posizione del guasto della PD all'interno del rispettivo avvolgimento.

Metodi avanzati per una localizzazione precisa

I metodi analitici menzionati finora forniscono informazioni sulla posizione del guasto all'interno del trasformatore, senza la necessità di una conoscenza approfondita del modo in cui viene generata la PD. I seguenti metodi di analisi avanzati possono, tuttavia, essere utilizzati per individuare l'esatta posizione del guasto con una precisione di pochi centimetri.

Analisi del modello di scarica parziale

L'aspetto del modello PRPD è determinato dalle proprietà fisiche del mezzo di isolamento circostante e dalla posizione della sorgente di scarica parziale nel mezzo di isolamento. Esistono alcuni modelli di scarica parziale tipici che vengono spesso osservati nei trasformatori di potenza, e il loro riconoscimento può contribuire a determinare la posizione della PD. Ad esempio, la delaminazione all'interno degli strati di carta ha un modello di scarica parziale molto chiaro che consente di restringere notevolmente le aree sospette all'interno del trasformatore.

Misurazione del dominio del tempo

I segnali di scarica parziale sono impulsi ad alta frequenza con tempi di salita nell'ordine di 1 ns (in aria), che determinano componenti di frequenza fino a 400 MHz. Tuttavia, i trasformatori di potenza sono progettati per funzionare in modo efficiente con correnti e tensioni a 50 o 60 Hz, non alle alte frequenze. Nel cammino attraverso il trasformatore, i segnali di scarica parziale ad alta frequenza sono inevitabilmente soggetti a riflessione e oscillazione causate da variazioni di impedenza ed effetti di attenuazione e di dispersione. Ciò significa che è possibile ottenere altre informazioni importanti sulla posizione dell'attività della PD nel trasformatore confrontando i segnali irradiati e condotti con l'oscilloscopio multicanale integrato nell'ICMsystem. Questi segnali possono essere differenziati perché i segnali condotti hanno meno rumore e sono meglio definiti rispetto ai segnali irradiati. Quando predominano i segnali irradiati, questo solitamente indica che l'origine della PD si trova in un'area relativamente aperta, ad esempio un cavo nella cassa del trasformatore. Al contrario, l'attività della PD sotterrata all'interno di altri componenti, ad esempio in profondità all'interno di un avvolgimento, produce pochissimi segnali irradiati.

Figura 5: spettro di frequenza

Figura 6: differenze nel ritardo tra il segnale elettrico e il segnale acustico

Misurazione dell'intervallo di frequenza

Un analizzatore di spettro acquisisce un segnale analogico e lo converte in uno spettro di frequenza che fornisce informazioni sui componenti di frequenza che compongono il segnale. In caso di scarica parziale, la composizione dello spettro di frequenza consente di trarre conclusioni sul percorso effettuato dal segnale. Il sistema ICMsystem è in grado di eseguire un'analisi dello spettro nell'intervallo compreso tra 10 kHz e 10 MHz. La Figura 5 è un esempio che copre l'intervallo da 20 kHz a 3 MHz. In questo caso, il segnale ha solo un componente ad alta frequenza estremamente ridotto, il che suggerisce che ha dovuto percorrere una distanza considerevole all'interno del trasformatore prima di essere rilevato dal sensore sulla presa della boccola.

Al contrario, uno spettro distribuito in modo relativamente uniforme indica che la posizione dell'attività della PD è vicina al punto di misurazione/presa di test della boccola. È necessario tenere conto anche della complessa impedenza della presa della boccola stessa. L'impulso sulla presa della boccola viene confrontato con l'impulso (sulla stessa presa della boccola) registrato durante la calibrazione. La differenza fornisce informazioni precise sulla posizione dell'attività della PD.

Rilevamento dei guasti acustici dell'attività della PD

Oltre ai segnali elettrici, l'attività della PD produce anche onde sonore a frequenze udibili. I sensori piezoelettrici sulla cassa del trasformatore sono in grado di rilevare queste onde e di utilizzarle a scopo di individuazione. Con l'oscilloscopio multicanale interno, il sistema ICMsystem può essere utilizzato per il rilevamento di guasti acustici semplicemente cambiando i preamplificatori. Non sono necessari altri costosi dispositivi di misurazione.

Rispetto ai segnali elettrici, i segnali acustici si propagano in modo relativamente lento a una velocità che dipende dal mezzo attraverso il quale viaggiano. Nell'olio, un segnale acustico ha una velocità di propagazione di circa 1400 m/s (a seconda della temperatura) mentre nell'acciaio la velocità di propagazione è di 5000 m/s o superiore. Tenendo conto di questa differenza e utilizzando diversi sensori acustici, è possibile restringere la posizione del guasto all'interno del trasformatore a pochi centimetri analizzando le differenze nel ritardo dei segnali acustici. La maggiore difficoltà con il rilevamento dei guasti acustici consiste nel determinare il tempo di origine preciso dell'impulso della scarica parziale. Per farlo in modo preciso con mezzi puramente acustici, è necessario un gran numero di sensori.

L'ICMsystem offre vantaggi in termini di tempo e costi

Il sistema ICMsystem aggira elegantemente questa difficoltà utilizzando il segnale PD elettrico disaccoppiato con un'impedenza di misurazione in corrispondenza della presa di test della boccola. Ciò fornisce un punto di riferimento preciso, in modo che siano necessari solo tre sensori acustici per determinare il punto di origine delle onde sonore generate dalla scarica parziale e ottenere un risultato immediato. Grazie al numero ridotto di sensori, il sistema ICMsystem esegue la localizzazione acustica dei guasti della PD in modo rapido e con il minimo sforzo, offrendo notevoli vantaggi in termini di tempo e costi per gli operatori.

In sintesi, il problema che causa la PD all'interno del sistema di isolamento di un trasformatore può essere localizzato in modo rapido e pratico con l'ICMsystem a un livello di precisione che permette una riparazione precisa dell'area danneggiata.

Misurazioni della PD in loco

In linea di principio, la maggior parte delle tecniche descritte può essere utilizzata in loco, anche se è necessario tenere conto delle circostanze speciali. Mentre i test di accettazione in fabbrica vengono eseguiti in laboratori per alta tensione appositamente schermati, gli elevati livelli di interferenza di base riscontrati in loco rendono difficile eseguire misurazioni accurate a frequenze inferiori a 1 MHz. L'analizzatore di spettro integrato opzionale del sistema ICMsystem offre quindi all'operatore la possibilità di eseguire misurazioni della PD con una frequenza centrale variabile e una larghezza di banda di 9 o 300 kHz. Per le misurazioni in loco, l'uso di una frequenza centrale variabile massimizza l'ambito di applicazione in condizioni non ideali.

Il sistema ICMsystem è adatto sia per i test di accettazione in fabbrica che per i test di manutenzione dei trasformatori di potenza. La combinazione di metodi tradizionali e moderna tecnologia di misurazione della PD offre ai produttori e agli operatori di grandi trasformatori di potenza un modo preciso e conveniente per ottenere informazioni affidabili sullo stato attuale di queste importanti e costose risorse.