Incontro con IDA: Un'intervista con il Dott. Peter Werelius di Megger

Jill Duplessis - Global technical marketing manager and Editor

Il 27 settembre 2018, l'IEEE-SA Standards Board ha approvato l'IEEE C57.161-2018 - Guide for Dielectric Frequency Response Test. Questo lavoro segue quello di altre organizzazioni impegnate nel definire e migliorare gli standard, come TB 254, TB 414 e TB 445 di CIGRE, tutte brochure tecniche che trattano vari aspetti dei test della risposta dielettrica in frequenza (DFR, Dielectric Frequency Response).

Un test DFR è uno strumento di valutazione dello stato dell'isolamento più discriminante rispetto ai tradizionali test di screening dielettrici, come il fattore di potenza/fattore di dissipazione. Il test DFR può essere utilizzato, ad esempio, per valutare lo stato di isolamento di trasformatori, boccole, trasformatori di misura e cavi. In un sistema di isolamento complesso come quello di un trasformatore, il test DFR fornisce una valutazione dell'umidità dell'isolamento solido, della conduttività dell'isolamento liquido e informazioni sul comportamento termico del sistema di isolamento.

In un momento di crescente attenzione verso il metodo DFR, Jill Duplessis di Megger ha ritenuto opportuno parlare con colui che ha sviluppato il primo set di test DFR disponibile in commercio per l'uso sul campo, il dott. Peter Werelius. Ed ecco cosa ha detto.

JD: Grazie Peter. Vorrei iniziare porgendo le mie più sentite congratulazioni a te ai tuoi colleghi per il vostro lavoro collaborativo alla guida IEEE appena pubblicata! Nel 1996, fu introdotto il primo strumento DFR disponibile in commercio progettato per l'uso sul campo, oggi noto come Megger IDAX. In qualità di sviluppatore, quale consiglio darebbe lo "scienziato" di oggi allo "scienziato" di 22 anni fa?

PW:  Sono felice che i miei principi guida personali siano serviti allo sviluppo della tecnologia DFR. Quindi, quello che posso offrire è il fatto di aver sperimentato in prima persona che l'essere generoso con i miei partner commerciali, dal primo ai successivi (con cui ho fondato WaBtech e successivamente Pax Diagnostics), ed essere stato onesto e utile al mio ex datore di lavoro, così come con i primi clienti, mi ha restituito dei risultati positivi inimmaginabili. I miei partner, i miei dipendenti in quel momento, il mio ex datore di lavoro GE Programma, Megger, i primi clienti e KTH (Royal Institute of Technology) hanno mostrato un enorme impegno e sono stati di grande supporto.

JD: Mi sono emozionato quando ho appreso l'origine del nome "IDAX". Capisco che sia molto personale ma puoi spiegarlo?

PW: Björn Bengtsson, che ora è Björn Jernström, e io siamo stati i co-fondatori di WaBtech AB. Quando parlavamo del nome per il nostro primo prodotto, abbiamo definito alcuni requisiti: preferibilmente doveva essere un nome e un acronimo e idealmente l'acronimo doveva funzionare in svedese e in inglese. La mia bambina ormai cresciuta, nata nel 1995, si chiama Ida e, oltre a essere a me molto cara, il suo nome soddisfava i nostri requisiti. In svedese, era IsolationsDiagnostikApparat, successivamente cambiato in Isolations Diagnostik Analyzator, e in inglese era Insulation Diagnostic Apparatus, poi diventato Insulation Diagnostic Analyzer. Quando Pax Diagnostics ha acquisito l'IDA da GE-Programma nel 2006, il nome dello strumento è stato leggermente modificato in IDAX (Insulation Diagnostic Analyzer by Pax). Sia IDA che IDAX sono pronunciati come nomi, non come acronimi.

JD: Puoi raccontarci un po' la storia degli strumenti IDAX e di come si sono sviluppati nel corso degli anni dall'introduzione del primo modello?

PW: Lo sviluppo iniziale dello strumento DFR faceva parte del mio progetto Ph.D. partito all'inizio del 1992 presso KTH (Royal Institute of Technology, Stoccolma). Nel 1994, Björn Jernström si è unito a me e mi ha aiutato a trasformare il mio progetto per studenti in uno strumento pratico per l'uso sul campo. Alla fine del 1996, abbiamo venduto il primo prodotto commerciale, IDA n. 1, a Vattenfall, in Svezia. Il secondo prodotto, IDA n. 2, distribuito nella primavera del 1997 ad ABB Inc. negli Stati Uniti, era già stato cambiato significativamente dall'IDA n. 1, in modo che si adattasse a un involucro di circa la metà delle dimensioni di quello precedente.  Dopo l'acquisizione di WaBtech da parte di Programma Electric alla fine del 1998, nel 2000 è stato sviluppato e rilasciato lo strumento IDA 200. Seguì poi IDAX 206 (2006), mentre IDAX 300 è entrato nel mercato nel 2008. All'incirca in quel periodo, si sono iniziati a vedere i primi concorrenti. Da allora, abbiamo migliorato l'hardware, il software e gli algoritmi di elaborazione del segnale digitale. Un importante traguardo è stata l'introduzione dell'amplificatore di picco a 2000 V nel 2011.

JD: Si è parlato della necessità di compensare i risultati dei test DFR per i sottoprodotti obsoleti perché, in alcuni casi, i risultati relativi all'umidità potrebbero risultare fuorvianti. Per gli utenti perspicaci, questa sorta di "depistaggio" riporta l'attenzione sul database.

Fondamentalmente, l'analisi DFR e i risultati che si intendeva fornire, come il contenuto di umidità nell'isolamento solido e nella conduttività dell'olio, si basavano sull'adattamento della curva DFR misurata alla corrispondenza migliore in un database di curve. Il software di test esegue questa operazione attraverso la modellazione matematica, regolando i parametri che influiscono sulla forma della curva del modello fino a quando il software non trova la corrispondenza migliore. I parametri includono: 

• Relazione tra isolamento solido (cellulosa) e liquido (olio)
• Umidità nell'isolamento solido
• Conduttività dell'olio

Penso che sia importante per gli utenti riconoscere che non esiste un database universale condiviso da tutti i produttori di strumenti. Quando si acquisisce uno strumento DFR, si seleziona un database. Il database determina la precisione dei risultati della valutazione dell'umidità. Se le differenze osservate nelle valutazioni dell'umidità utilizzando diversi strumenti DFR (o nei risultati di uno strumento DFR rispetto ad altri strumenti di valutazione dell'umidità) vengono spiegate come dovute ad alcuni algoritmi di compensazione non definiti, ciò potrebbe giustamente rendere difficile lo sviluppo di utenti perspicaci.

Come può un utente convalidare il database di un produttore dello strumento? Inoltre, esiste un approccio più pragmatico da adottare quando un utente ha dubbi legittimi sul fatto che l'invecchiamento della risorsa potrebbe deviare i risultati della valutazione dell'umidità?

PW: Il fatto che l'invecchiamento dei sottoprodotti, o più specificatamente degli acidi a basso peso molecolare, influisca sui risultati DFR è noto nel settore ormai da oltre 10 anni (vedere: Dielectric response of mineral oil impregnated cellulose and the impact of aging, D.Linhjell et. al. IEEE Transaction of Dielectrics and Electrical Insulation, 2007). Il nostro database e altri vengono in genere applicati senza alcun tentativo di compensare direttamente i risultati.  Un database tenta di compensare l'effetto dei prodotti obsoleti utilizzando la conduttività dell'olio misurata, ma secondo me questo approccio non è corretto. Nel documento sopra citato è stato riportato che gli acidi a basso peso molecolare influenzano la risposta DFR, ma gli acidi ad alto peso molecolare, che anche possono influenzare la conduttività dell'olio, non influiscono sulla risposta DFR.

A mio parere, l'influenza degli acidi a basso peso molecolare non è un gran problema. Per l'isolamento a secco, l'interpretazione DFR fornirà l'isolamento a secco. Se l'isolamento è moderatamente umido, ad esempio con un contenuto di umidità del 2%, il livello di acidi a basso peso molecolare solitamente è molto basso. L'unico caso in cui acidi a basso peso molecolare possono influenzare la valutazione dell'umidità è quello di un trasformatore molto vecchio e bagnato. Tuttavia, anche gli acidi sono molto dannosi per l'isolamento, quindi un elevato contenuto di acido con basso peso molecolare combinato con quello che finisce per essere un contenuto di umidità effettivo leggermente inferiore a quello stimato richiede comunque la pianificazione di azioni.

Prima di investire, decidere come trattare il trasformatore. Le analisi complementari, comprese le analisi dei liquidi di isolamento, vengono solitamente eseguite per ottenere un quadro più completo delle condizioni di isolamento.

JD: Alcuni anni fa, un test DFR su un trasformatore in buono stato avrebbe richiesto più di un'ora. Ovviamente, era da qui che nascevano alcune preoccupazioni del settore poiché l'adozione di un test richiede che il suo valore superi i costi e, naturalmente, il costo è notevolmente influenzato dal tempo che il test richiede per l'esecuzione.

Un primo tentativo di ridurre la durata del test DFR combinava il metodo della spettroscopia nel dominio della frequenza (FDS, Frequency Domain Spectroscopy) preferito, che ha una migliore immunità alle interferenze, con il metodo della corrente di polarizzazione e depolarizzazione (PDC, Polarization And Depolarization Current), consentendo allo strumento di passare all'uso della tensione CC per la misurazione della corrente di polarizzazione (PC) a basse frequenze. Queste sono le frequenze in cui la misurazione FDS è lenta perché deve attendere il completamento di diversi cicli molto lunghi della tensione di test applicata. Tuttavia, questo approccio combinato non risultava molto affidabile, soprattutto in ambienti elettricamente rumorosi, poiché il metodo PDC è particolarmente suscettibile a errori dovuti a interferenze. Esiste un modo per eseguire rapidamente i test DFR senza tornare a un approccio che combini il metodo FDS con il PDC?

PW: Ogni volta che è possibile eseguire un'intera misurazione solo in modalità FDS, si ottiene una misurazione migliore e più affidabile. Il metodo CC presenta due svantaggi principali. Il primo è fondamentale e comporta un'interferenza di corrente CC che determina perdite maggiori (fattore di potenza/fattore di dissipazione), soprattutto a frequenze più basse. Ciò può portare a una sottostima o, più comunemente, una sovrastima del contenuto di umidità. In una misurazione del dominio di frequenza reale, l'interferenza della corrente CC non influisce sulle perdite misurate. In secondo luogo, la misurazione CC (PDC) consente di applicare contemporaneamente tutte le frequenze. In questo modo si riduce il tempo di misurazione ma, diffondendo l'energia su tutte le frequenze, si rende il metodo più sensibile alle interferenze CA.

Un metodo del dominio di frequenza reale che accelera il tempo di misurazione viene realizzato semplicemente applicando diverse frequenze contemporaneamente ed estraendo i dati di misurazione dalle frequenze applicate simultaneamente. Naturalmente, il livello di tensione di ciascuna frequenza deve essere ridotto, il che rende le misurazioni un po' più sensibili alle interferenze CA, ma l'interferenza della corrente CC ancora non influisce sulle misurazioni. Questo approccio multifrequenza rappresenta un passo avanti rispetto al precedente approccio che combinava i metodi FDS e PDC, è più sensibile alle interferenze CA e anche abbastanza sensibile alle interferenze CC.

Il risparmio di tempo del metodo multifrequenza è significativo. Ad esempio, l'utilizzo simultaneo di tre frequenze riduce il tempo di misurazione di circa il 40%.

JD: A proposito di tempo, se sto testando un trasformatore a tre avvolgimenti e desidero misurare due componenti di isolamento contemporaneamente (ad es. CHL e CLT), è necessario uno strumento con due canali di misurazione. Se si sostiene che uno strumento fornisca i risultati del test DFR per due componenti nello stesso tempo necessario per eseguire il test di un solo componente, ricevo effettivamente lo stesso numero di valori misurati per componente di isolamento di quello ottenuto misurando ciascun componente di isolamento separatamente?

PW: In alcuni strumenti a due canali, entrambi i canali condividono un unico amperometro e, in questo caso, o viene eseguita la metà delle misurazioni ciascuno oppure è impossibile che si risparmi del tempo. Uno strumento deve essere dotato di due amperometri se deve eseguire effettivamente due misurazioni contemporaneamente.

JD: La maggior parte degli strumenti di test DFR fornisce un segnale RMS massimo di 140 V (picco di 200 V), principalmente perché questa tensione è sufficiente per fornire una valutazione accurata dell'umidità dell'isolamento solido. Inoltre, la fonte di tensione si presta a uno strumento leggero e facilmente trasportabile. Tuttavia, in alcuni casi, è necessario un RMS di 1400 V per migliorare la precisione della misurazione o anche per ottenere risultati di test comprensibili. Ci puoi fornire maggiori dettagli in merito?

PW: Il livello di tensione più comunemente utilizzato è di circa 140 V RMS e, nella maggior parte delle condizioni, è sufficiente per la misurazione dell'isolamento CHL. Tuttavia, nelle situazioni in cui vi è un elevato livello di interferenza o durante la misurazione di CH, CL, reattori, boccole e trasformatori di corrente (CT), un segnale RMS a 140 V non fornisce un rapporto segnale-rumore sufficientemente elevato per ottenere risultati significativi. L'uso di una tensione di test più elevata (RMS di 1400 V/picco 2000 V) in questi casi migliora la precisione della misurazione ed è pertanto consigliato. Inoltre, facendo riferimento alla domanda precedente, l'utilizzo di una tensione di test più elevata consente anche di utilizzare correttamente le misurazioni multifrequenza per accorciare i tempi di misurazione in condizioni di interferenza media.

JD: Nessuna discussione sul fatto che l'isolamento sia completo senza affrontare l'argomento importante della temperatura.  È ampiamente noto che le caratteristiche elettriche dei materiali isolanti variano in base alla temperatura. Poiché i test diagnostici sull'isolamento si basano sul rilevamento di variazioni nelle caratteristiche elettriche dei materiali, è importante confrontare solo i dati ottenuti alla stessa temperatura. In questo modo, qualsiasi variazione dei parametri elettrici misurati può essere attribuita a una variazione dello stato del materiale e non a un cambiamento di temperatura. Poiché non è pratico attendere le stesse condizioni ogni volta che sono necessari i dati, un metodo alternativo per determinare il comportamento equivalente di un isolamento a una temperatura di base di 20 °C è assolutamente importante. Tramite i risultati dei test DFR, è infatti possibile accedere a numerose informazioni sul comportamento termico di un isolamento. Ci puoi spiegare un po' meglio?

PW: L'interpretazione DFR utilizzata nell'IDAX, e in altri strumenti, si basa sulla cosiddetta tecnica della master curve, in cui la risposta DFR del materiale di cellulosa impregnata può essere spostata su un'altra temperatura semplicemente modificando l'asse di frequenza in base alla differenza di temperatura mantenendo invariata la forma della curva. L'analisi viene quindi eseguita alla temperatura di misurazione effettiva, ad esempio 32 °C.

Tuttavia, le misurazioni del fattore di potenza della frequenza di rete (50/60 Hz) vengono tradizionalmente corrette a 20 °C utilizzando un fattore di correzione approssimativo. È noto che questo fattore di correzione dipende dallo stato dell'isolamento e che, in alcuni casi, si determinano errori piuttosto grandi. Fortunatamente, sapendo come interpretare la DFR ed essendo consapevoli che i moderni strumenti del fattore di potenza possono funzionare su un'ampia gamma di frequenze, è ora possibile determinare un fattore di correzione della temperatura molto più preciso, spostandosi su una frequenza limitata per l'effettivo oggetto sottoposto a test.

JD: Da quello che ci hai detto, Peter, è evidente che sei stato un vero pioniere dei test DFR e che sei ancora un innovatore molto attivo sul campo. Questa affermazione è corretta?
PW: Sicuramente è un buon riepilogo, ma è giusto riconoscere che il mio lavoro iniziale sui test DFR si basava sul lavoro già svolto da altri, in particolare da A K Jonscher nel Regno Unito e dal Professor Uno Gäfvert, dal Dr. Bo Nettelblad e da Kenneth Johansson in Svezia. Il grande passo avanti fatto dal nostro gruppo di ricerca di KTH, guidato dal professor Roland Eriksson, e più tardi dai miei colleghi e da me, è stato quello di portare i test DFR dal laboratorio sul campo. Come dici tu, sono rimasto, e rimango ancora oggi, molto coinvolto nei test DFR e sono lieto di vedere quanto siano ampiamente utilizzate le tecniche che io e i miei colleghi abbiamo ideato e sviluppato. Ovviamente, non siamo più i soli sul mercato, ma dicono che l'imitazione è la migliore forma di complimento. Tenendo presente questo aspetto, sono sinceramente lusingato da quante nostre idee siano state adottate da altri produttori di strumenti!

JD: Grazie per il tempo dedicato, Peter.  So che sei molto impegnato, ma sono sicuro che il tuo tempo sia stato ben utilizzato e che i lettori saranno affascinati dalle informazioni che ci hai fornito sui test DFR passati e presenti.

PW: È un piacere!