Test tan delta: Metodo a frequenza variabile

Autore: Jill Duplicessis, Global Technical Marketing Manager

Southern California Edison (SCE) utilizza in modo esteso i test della risposta dielettrica in frequenza a banda stretta (NB DFR), che descrive come "preferibili rispetto ai convenzionali test della frequenza di linea poiché anomalie come l'isolamento moderatamente umido potrebbero non essere rilevate con i test tradizionali." Questo articolo descrive in modo dettagliato le tecniche di test a frequenza variabile, come i test NB DFR, e i vantaggi che offrono.

Tan delta a frequenza variabile (risposta dielettrica in frequenza a banda stretta, NB DFR)

Un test tan delta 1 a frequenza variabile è l'espansione di un test tan delta tradizionale, in cui i test tan δ vengono eseguiti su ogni componente di isolamento (ad es. CH, CHL e CL) a più frequenze (ad es. tra 1 e 500 Hz) compresa la frequenza di linea. In definitiva, il test è una misurazione della risposta dielettrica in frequenza (a banda stretta).

I vantaggi di un test DFR a banda stretta sono degni di nota, tra cui:

♦  Fornisce un'indicazione tempestiva di un problema nel dielettrico.

♦  Distingue tra gli "alias tan delta" [ad esempio, separa il caso in cui un delta di frequenza di linea dello 0,3% è veramente accettabile (con lo 0,5% di contenuto di acqua) dal caso in cui un delta di frequenza di linea dello 0,3% nasconde umidità crescente (con il 2,0% di contenuto di acqua)].

♦  Consente di determinare il tan delta con correzione della temperatura a 20 °C per il sistema di isolamento in base alle sue condizioni effettive senza fare riferimento alle tabelle standard (ITC, correzione individuale della temperatura). 

Un vantaggio dei test tan delta a più frequenze è che forniscono il contesto per la misurazione tan delta della frequenza di linea. La conoscenza del comportamento della risposta del dielettrico in più punti su entrambi i lati della misurazione della frequenza di linea fornisce una visione migliore del risultato del test tan delta a 50/60 Hz, aiuta a capire se sia rappresentativo di un sistema di isolamento in buono stato, ma anche se l'osservazione di una variazione del tan delta a 50/60 Hz rispetto a quella precedente debba essere esaminata immediatamente o meno. Idealmente, la pendenza della risposta dielettrica (ovvero della linea tracciata tra i diversi punti di misurazione del fattore di potenza) è positiva sull'intera frequenza di linea. Ciò indica basse perdite del sistema.

Correzione individuale della temperatura (ITC)

Un test del fattore di potenza della frequenza di linea non è estremamente sensibile a un problema dielettrico emergente, ma è sensibile alla temperatura. Ad esempio, in generale ci si aspetta che una misurazione del fattore di potenza a una temperatura massima dell'olio di 30 °C sarà superiore a una misurazione del fattore di potenza sullo stesso componente di isolamento effettuata a 25 °C, semplicemente a causa dell'influenza della temperatura. Pertanto, è importante compensare eventuali variazioni di temperatura tra i test per poter tracciare le tendenze nei dati di test e assicurarsi che una variazione del tan delta sia veramente dovuta a un cambiamento delle condizioni del sistema di isolamento. Questa variabile di dipendenza dalla temperatura può essere rimossa correggendo tutti i risultati del test tan delta con il loro valore equivalente a 20 °C.

Per anni, il settore si è affidato a un paio di curve per correggere la dipendenza dalla temperatura di tutti i trasformatori, vecchi o nuovi, con carico leggero o con sovraccarico, puliti o contaminati, ecc. Tuttavia, i fattori di correzione generici che erano disponibili nello standard IEEE C57.12.90-2006, sezione 10.10.5, sono stati successivamente rimossi in C57.12.90-2010 con la seguente nota: "Nota 3.b) L'esperienza ha dimostrato che la variazione del fattore di potenza con la temperatura è sostanziale e irregolare, per cui nessuna singola curva di correzione può adattarsi a tutti i casi".

Un test NB DFR consente di determinare la correzione unica, o individuale, della temperatura (ITC) di un sistema di isolamento. Ciò è significativo in quanto i test hanno rivelato che non solo ogni trasformatore presenta una sensibilità unica alla temperatura e richiede una compensazione della temperatura individuale, ma anche che, nel corso della sua durata, la dipendenza dalla temperatura di un trasformatore può cambiare. In genere, con il deterioramento dell'isolamento, un aumento della temperatura provoca un sostanziale aumento del tan delta.

Il metodo ITC si basa sul fatto che una misurazione tan delta effettuata a una determinata temperatura e frequenza corrisponde una misurazione effettuata a una temperatura e una frequenza diverse. Misurando il fattore di potenza a diverse frequenze [1-500 Hz] e a qualsiasi temperatura dell'isolamento, è possibile determinare il fattore di potenza a qualsiasi temperatura [5 - 50 °C] e alla frequenza nominale.

Risposta dielettrica in frequenza (DFR)

Un test di risposta dielettrica in frequenza (DFR) "classico" è simile come concetto al test NB DFR, ma include più misurazioni del fattore di potenza su una gamma di frequenza più ampia (generalmente 1 mHz - 1000 Hz). Una misurazione di test DFR a una determinata temperatura viene confrontata con un database di curve attraverso uno strumento di analisi, che offre i seguenti vantaggi:

♦  Fornisce una valutazione accurata del contenuto di umidità nell'isolamento solido del trasformatore in base agli standard e alle guide internazionali

♦  Fornisce una stima della conduttività dell'olio

♦  Tra i tre metodi, è quello che si spinge più avanti nell'identificazione del contaminante tramite la valutazione delle due principali fonti di perdite sopra riportate (rispettivamente umidità e conduttività dell'olio).

Il test DFR viene generalmente eseguito solo sui sistemi di isolamento tra gli avvolgimenti di un trasformatore (CHL), poiché è il punto in cui la configurazione è più definita e meno influenzata da altri fattori, come isolatori, linee di fuga, LTC e altro ancora. Ciò è in contrasto con la versione a banda stretta del test, in cui tutti e tre i componenti di isolamento di un trasformatore a due avvolgimenti (CH, CHL e CL) vengono regolarmente misurati insieme a una tradizionale misurazione del tan delta.

Fig.1: Tipica curva di risposta dielettrica

Un tipico tracciato del tan delta rispetto alla frequenza è indicato nella Fig. 1. L'umidità influenza le aree di bassa e alta frequenza. La sezione centrale pseudo-lineare della curva riflette la conduttività dell'olio. Le condizioni della geometria dell'isolamento determinano i "knee point", situati sul lato destro e sul lato sinistro del gradiente. Con l'aumento della temperatura, la curva di risposta dielettrica si sposta verso destra. Bisogna quindi tenere conto dell'influenza della temperatura e l'operatore deve semplicemente immettere questo valore.

L'umidità viene determinata confrontando la risposta della misurazione del trasformatore con una risposta dielettrica modellata. Il modello di isolamento, che rappresenta le frazioni di volume dei componenti del sistema di isolamento, è il modello X-Y. Si tratta di un modello riconosciuto a livello internazionale e descritto in guide come CIGRE TB 254 e 414.

La struttura dell'isolamento del trasformatore di potenza è rappresentata dal numero relativo di distanziatori (barrette) e barriere nel condotto di raffreddamento, come mostrato nella Fig. 2. Il parametro X è definito come il rapporto tra la somma di tutte le barriere nel condotto raggruppate insieme, divisa per la larghezza del condotto. La copertura dei distanziatori Y è definita come la larghezza totale di tutti i distanziatori divisa per la lunghezza totale del margine del condotto.

Fig. 2: Modello XY di un trasformatore

La permettività dell'olio (ɛoil), dei distanziatori (ɛspacer) e delle barriere (ɛbarrier) sono funzioni complesse sia della frequenza che della temperatura. La permettività equivalente del modello XY è data da:

Il test DFR determina l'umidità confrontando la risposta dielettrica misurata del trasformatore con una risposta dielettrica modellata. Un algoritmo di analisi riordina la risposta dielettrica modellata e fornisce una nuova curva modellata (per la quale sono noti il contenuto di umidità e la conduttività dell'olio) che riflette il trasformatore misurato. I risultati vengono presentati come contenuto di umidità e conduttività dell'olio per il trasformatore.

Fig. 3: Analisi dell'umidità DFR dell'isolamento del trasformatore

Un esempio è mostrato nella Fig. 3. Il trasformatore è un trasformatore di distribuzione da 20 MVA. Il contenuto di umidità della cellulosa e la conduttività dell'olio si ottengono variando i parametri nella curva modello in base alla risposta dielettrica in frequenza misurata a una determinata temperatura dell'isolamento.

La temperatura è un parametro di test importante che deve essere fornito dall'utente come input nel software. La temperatura dell'avvolgimento o la temperatura massima dell'olio possono essere utilizzate come una buona approssimazione della temperatura dell'isolamento. Le misurazioni DFR su un trasformatore di distribuzione a varie temperature sono mostrate nella Fig. 4. Sebbene l'influenza della temperatura sulla risposta dielettrica sia chiara (uno spostamento della curva verso destra all'aumentare della temperatura), lo strumento di analisi dell'umidità è ancora in grado di identificare il valore corretto dell'umidità nell'isolamento solido, indipendentemente dalla temperatura di isolamento.

Fig. 4: Misurazione e analisi DFR a varie temperature

Un'ulteriore nota è la capacità del test DFR di distinguere tra umidità e conduttività dell'olio come fonti di aumento delle perdite. La Fig. 5 fornisce i risultati di test DFR per tre diversi trasformatori, tutti con risultati identici del test tan delta a 50 Hz (circa 0,5%), ma ciascuno con problemi molto diversi.

Fig. 5: Analisi DFR per tre trasformatori

Il test DFR è un metodo indiretto per la valutazione dell'umidità nell'isolamento solido. Non esistono modi pratici per misurare direttamente l'umidità nell'isolamento in carta di un trasformatore, pertanto la maggior parte degli strumenti disponibili utilizza metodi di misurazione indiretti, in cui vengono misurate le proprietà di isolamento che possono essere correlate al contenuto di umidità.

I metodi indiretti tradizionalmente applicati nel settore per valutare la contaminazione con l'acqua dell'isolamento in carta, come le misurazioni dell'umidità nell'olio e l'uso dei grafici di equilibrio, forniscono valutazioni accurate solo se è stato raggiunto l'equilibrio dell'umidità. Tuttavia, durante il normale funzionamento di un trasformatore, la temperatura al suo interno varia nel corso della giornata, pertanto l'equilibrio di umidità tra carta e olio viene raramente raggiunto, poiché le costanti di tempo dei processi dinamici termici e relativi all'umidità sono molto diverse. A causa delle imprecisioni associate alla maggior parte degli altri metodi, il metodo della risposta dielettrica in frequenza (DFR) è emerso come un'interessante alternativa. Questo metodo di test elettrico (basato su modelli) è un test non intrusivo, molto affidabile e con un'elevata ripetibilità. Non è necessario attendere l'equilibrio, non vi sono imprecisioni dovute al campionamento e alla manipolazione dell'olio e il test DFR può essere eseguito nell'ambito della serie di test elettrici pianificati durante un'interruzione per manutenzione.

Per decenni, il settore si è affidato a una semplice
misurazione del tan delta della frequenza di linea per determinare l'integrità dielettrica. Sfortunatamente, questo metodo di test presenta molte carenze. Le prove di ciò abbondano in tutto il settore e dimostrano che un tradizionale test tan delta non è sufficientemente sensibile ai cambiamenti dei livelli di contaminazione. Questo costringe l'operatore che esegue il test a prendere seriamente qualsiasi cambiamento nel fattore di potenza e lo studio delle tendenze è emerso come l'approccio migliore per analizzare i risultati. Il problema in questo caso è come filtrare tutte le variabili di test che possono influenzare la misurazione del fattore di potenza in modo che i risultati siano realmente rappresentativi del dielettrico sottoposto a test. Una variabile significativa è la temperatura e i metodi convenzionali per normalizzare ogni risultato di test rispetto a una base comune per il confronto sono imprecisi. Di conseguenza, i problemi spesso non vengono individuati, ma un eccesso di vigilanza è altrettanto preoccupante, in quanto può portare a troppi falsi allarmi, con costi elevati.

I metodi di risposta dielettrica hanno notevolmente migliorato la comprensione del comportamento dielettrico e hanno rivelato metodi più efficienti attraverso i quali scoprire e identificare i problemi dielettrici. Il settore sta ora incorporando i metodi di risposta dielettrica in frequenza [a banda stretta (NB DFR) e "classico" (DFR)] nei programmi di test; il risultato è una maggiore consapevolezza delle condizioni delle risorse e migliori opportunità di pianificazione. Questi metodi consentono di determinare la sensibilità alla temperatura unica (e a volte variabile) di un dielettrico e forniscono all'operatore i mezzi per correggere con precisione i risultati del fattore di potenza a una base di 20 °C.

Le misurazioni DFR a banda stretta confermano se i valori del fattore di potenza apparentemente buoni lo siano effettivamente e possono rivelare quando non lo sono, consentendo così un rilevamento precoce dei problemi. I test DFR forniscono valutazioni altamente accurate dell'umidità nell'isolamento solido e della conduttività dell'olio.

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1 o fattore di potenza . Per la semplicità del testo, il termine "tan delta" viene utilizzato per indicare "fattore di potenza/tan delta" in tutto l'articolo.