Valutazione delle apparecchiature per sottostazioni ad alta tensione a 1 Hz

È pratica comune valutare le condizioni di isolamento medie di apparecchiature per sottostazioni ad alta tensione (HV) sul campo misurando le perdite dielettriche. Questa pratica comporta l'applicazione di un segnale CA a un sistema di isolamento a una frequenza vicina alla frequenza di linea (60 o 50 Hz) e la misurazione della corrente e dell'angolo tra la corrente e la tensione applicata per determinare il fattore di dissipazione dell'isolamento (tan delta) o fattore di potenza.

Il fattore di dissipazione dell'isolamento (DF) o fattore di potenza (PF) della frequenza di linea (LF) dipende dalla frequenza del segnale applicato, dalle proprietà dielettriche del materiale isolante, dalla temperatura di isolamento e dal design geometrico, nonché dall'età e dalla contaminazione che potrebbe essere presente all'interno del mezzo isolante.

L'esperienza sul campo suggerisce che le tabelle di fattori per la correzione della temperatura non riflettono il comportamento termico effettivo del sistema di isolamento e, di conseguenza, un'analisi dell'andamento DF o PF potrebbe essere fuorviante a causa di risultati di test con compensazione errata della temperatura. Per tutta la durata di una risorsa elettrica, il fattore di dissipazione della frequenza di linea (DF LF) può rimanere invariato, aumentare o talvolta diminuire e il motivo di tali variazioni non è sempre chiaro.

Le ricerche condotte dagli autori dimostrano che anche un DF della frequenza di linea apparentemente "buono" non è sempre "buono" e che, per determinare in modo affidabile le condizioni del sistema di isolamento, la valutazione dell'isolamento dovrebbe considerare anche un valore DF aggiuntivo ottenuto a un'altra frequenza molto specifica.

Questo articolo fornisce una chiara dimostrazione dei vantaggi della misurazione dell'isolamento DF a LF (50 o 60 Hz) e a 1 Hz. Questa semplice combinazione di procedure eseguite contemporaneamente e con lo stesso strumento di test offre un modo più affidabile ed efficiente per valutare le condizioni delle apparecchiature critiche per sottostazioni ad alta tensione, tra cui trasformatori di potenza, isolatori e trasformatori di misura.

Contesto teorico:

Risposta dielettrica nel dominio della frequenza

I metodi non invasivi e non distruttivi per determinare le caratteristiche dielettriche dei sistemi di isolamento si sono evoluti in modo significativo negli ultimi due decenni. In genere, i metodi prevedono l'applicazione di un segnale sinusoidale al sistema di isolamento. Ciò non viene fatto per sollecitare l'isolamento ma per misurarne le proprietà dielettriche: capacità, fattore di dissipazione (DF), permittività complessa e conduttività. Il rapporto tra i componenti immaginari e reali della permittività complessa è l'isolamento DF (tan delta, δ).

Equazione 1

Le proprietà fisiche e/o chimiche dei materiali organici e inorganici possono variare a causa dell'età e delle sollecitazioni termiche, chimiche, elettriche o meccaniche. Un metodo non invasivo e non distruttivo per analizzare questi cambiamenti nei materiali isolanti è la misurazione delle perdite dielettriche eseguita in un ampio intervallo di frequenze o temperature. La risposta dielettrica in frequenza fornisce un'immagine istantanea della condizione del sistema di isolamento e quindi consente la valutazione in loco e il confronto con i valori storici, ma solo se viene eseguita una correzione accurata della temperatura in linea con l'equazione di Arrhenius (Equazione 2), che definisce la relazione tra frequenza e temperatura.

Equazione 2

Dove Ea è l'energia di attivazione del materiale isolante in eV, kB è la costante di Boltzmann (8,617 x 10-5 eV/K) e T è la temperatura Kelvin dell'oggetto. Le energie di attivazione sono comprese nell'intervallo 0,70 - 1,18 eV per isolamenti in cellulosa impregnati di olio.

L'equazione di Arrhenius consente la normalizzazione della risposta dielettrica a una temperatura di riferimento, che in genere è di 20 °C. Questo approccio è noto come correzione individuale della temperatura (ITC). L'effetto della temperatura su un campione di carta impregnata di olio (OIP) è mostrato nella Figura 1.
 

Fattore di dissipazione della frequenza di linea (DF LF)

Il valore DF LF misurato di per sé non fornisce molte informazioni, a meno che non venga corretto adeguatamente a 20 °C. In un trasformatore di potenza o di distribuzione, l'isolamento tra avvolgimenti e i sistemi di isolamento avvolgimento-messa a terra sono testati utilizzando una tensione applicata di 10 kV (o inferiore alla tensione nominale dell'avvolgimento sottoposto a test) alla frequenza di linea. I valori normalizzati risultanti sono soggetti ad almeno una delle tre valutazioni tipiche: analisi comparativa, analisi delle tendenze e accettazione entro i limiti stabiliti dagli standard internazionali. Non è solo il valore DF LF che è importante, ma anche il valore della capacità. Tuttavia, l'esperienza sul campo ha dimostrato che l'apparecchiatura ad alta tensione può guastarsi anche dopo un test DF LF con risultati apparentemente accettabili.

I motivi per cui non vengono rilevati problemi di isolamento con DF LF sono correlati al fatto che DF dipende dalla temperatura e all'effetto molto marginale dei contaminanti emergenti su LF.

L'esecuzione del test a una frequenza aggiuntiva è un approccio pratico per migliorare la valutazione, fornendo due punti di misurazione all'interno dello spettro della risposta dielettrica.
 

Fattore di dissipazione a 1 Hz

Sono stati analizzati, in modo approfondito e a varie frequenze, oltre 25 anni di informazioni ottenute utilizzando la risposta dielettrica in frequenza (DFR) a spettro completo (da 1 mHz a 1 kHz) sul campo per valutare le condizioni dei trasformatori di potenza.

Come si può vedere nella Figura 1, a LF (60 Hz) la variazione di DF in funzione della temperatura è molto ridotta rispetto alla variazione osservata a 1 Hz. Le differenze a LF sono piuttosto difficili da osservare, in particolare per un campione in buone condizioni, senza contaminazione, con umidità inferiore allo 0,5% nell'isolamento solido e una conduttività dell'olio molto bassa.

Ecco dove entra in gioco l'importanza del test a 1 Hz. Come illustrato nella Figura 1, la regione di frequenza più alta della risposta rappresenta un sistema a bassa perdita relativamente lineare. A una frequenza di risonanza ωr, la risposta dielettrica passa in una regione di frequenza più bassa rappresentata da perdite più elevate e da una maggiore dispersione della risposta dielettrica. La frequenza di risonanza passa a valori più alti quando la temperatura aumenta e a valori più bassi quando la temperatura diminuisce, come illustrato nella Figura 2. È importante sapere in che misura una variazione della temperatura di test ha causato lo spostamento della frequenza di risonanza perché le variazioni nell'asse verticale o orizzontale implicano una variazione della condizione dielettrica. Pertanto, per eliminare la temperatura come fattore per una variazione osservata, l'intera risposta deve essere normalizzata adeguatamente a 20 °C ogni volta che si effettua una misurazione a una temperatura diversa da 20 °C.
 

Applicazioni sul campo:

Isolatori

Isolatori a condensatore, più comunemente noti come isolatori passanti a condensatore, sono in uso da diverso tempo e sono stati testati in molti modi. La risposta dielettrica di un isolatore nel dominio del tempo o della frequenza è principalmente dominata dalla sua struttura, dalla temperatura durante il test e dalle proprietà dei materiali. Nella maggior parte degli isolatori ad alta tensione e a tensione extra alta, viene comunemente utilizzata una struttura geometrica dell'isolamento principale che replica un condensatore passante. L'isolamento in carta impregnata di olio (OIP) viene utilizzato nella maggior parte degli isolatori installati sul campo, in cui l'isolamento liquido è un olio minerale, mentre l'isolamento solido è in genere carta kraft con un limite d'impiego termico che sale a 55 °C. Entrambi i materiali hanno caratteristiche meccaniche e dielettriche ben note ed eccellenti. Altri tipi comuni di isolatori ad alta tensione sono la carta impregnata di resina (RIP) e il materiale sintetico impregnato di resina (RIS).

Poiché un guasto agli isolatori ha un notevole impatto sui trasformatori, la valutazione delle condizioni degli isolatori ad alta tensione è stata oggetto di approfondite indagini e l'organizzazione CIGRE ha recentemente pubblicato un documento molto dettagliato che descrive l'affidabilità degli isolatori ad alta tensione e a tensione extra alta [1]. Molti dei metodi utilizzati per testare gli isolatori ad alta tensione sono talvolta inefficaci e i risultati sono inconcludenti. Il test non in linea della capacità e del fattore di dissipazione viene generalmente eseguito alla frequenza di linea nell'ambito dell'accettazione, della messa in funzione, dei test di routine e della risoluzione dei problemi, o dopo interventi di manutenzione correttiva. Variazioni nella capacità possono essere indicative di un corto tra gli strati capacitivi in C1 (l'isolamento del nucleo principale) mentre variazioni del fattore di dissipazione (o fattore di potenza o tan delta) possono indicare il deterioramento dell'isolamento e/o la contaminazione. La contaminazione dell'isolamento dovuta a surriscaldamento o generazione eccessiva di scarica parziale (PD) e, di conseguenza, di sottoprodotti della PD, come X-wax, ha una chiara influenza sulla risposta dielettrica [2].

Come presentato in [3], l'influenza della contaminazione sulla risposta dielettrica può essere significativamente più pronunciata a frequenze non in linea piuttosto che a LF. Ipotizzando una correzione accurata della temperatura con l'algoritmo ITC, gli autori suggeriscono che è possibile valutare le condizioni di isolamento degli isolatori OIP come mostrato nella Tabella 1.

Tabella 1: Valutazione degli isolatori OIP per DF a 1 Hz a 20 °C

Trasformatori

Negli ultimi 25 anni è stata esaminata la risposta dielettrica dei trasformatori di potenza e di distribuzione su un ampio intervallo di frequenze. Nell'ultimo decennio sono stati eseguiti e pubblicati diversi esperimenti di invecchiamento accelerato, in particolare per i trasformatori di distribuzione [4]. È stato dimostrato che l'invecchiamento dei trasformatori di distribuzione ha un effetto minimo sul valore DF LF, ma sono state osservate variazioni di gran lunga maggiori a frequenze più basse, in particolare a 1 Hz.

Ipotizzando una correzione accurata della temperatura con l'algoritmo ITC, gli autori suggeriscono di valutare le condizioni di isolamento dei trasformatori OIP come mostrato nella Tabella 2.

Tabella 2: Valutazione dei trasformatori OIP per DF a 1 Hz a 20 °C

Trasformatori di misura (CT, VT e CVT)

I trasformatori di misura monitorano il flusso di alimentazione e servono a diversi scopi, tra cui la misurazione (per scopi di fatturato), la protezione e il controllo. Per i trasformatori di corrente (CT), il sistema di isolamento è simile a quello degli isolatori ad alta tensione e viene effettuata una valutazione del fattore di dissipazione dell'isolamento complessivo. Anche i trasformatori di tensione (VT) e i trasformatori di tensione capacitivi (CVT) hanno qualcosa in comune con i trasformatori di corrente e gli isolatori ad alta tensione. Solitamente, i trasformatori di misura sono dotati di isolamento costituito da carta kraft e olio minerale, e il volume dell'isolamento in carta è predominante. Generalmente, la capacità misurata dei trasformatori di misura e degli isolatori ad alta tensione è inferiore a 800 pF. Pertanto, per effettuare misurazioni a basse frequenze, potrebbe essere necessaria una sorgente di alta tensione per compensare l'influenza negativa dell'EMI e aumentare il rapporto segnale-rumore (SNR).

È stato utilizzato il test della risposta dielettrica in frequenza (DFR) per monitorare il processo di disidratazione di trasformatori di corrente e trasformatori di tensione capacitivi in fabbrica [5], fino a livelli di umidità inferiori all'1% nell'isolamento solido. Per trasformatori di corrente, DF a 1 Hz e LF devono raggiungere valori inferiori allo 0,3% a 20 °C. Valori simili si applicano ai CVT. In [6] viene mostrato che le condizioni di isolamento dei trasformatori di corrente ad alta tensione e a tensione extra alta possono essere prontamente valutate sul campo utilizzando i valori DF LF insieme ai valori DF a 1 Hz. Gli autori suggeriscono che le valutazioni mostrate nella Tabella 1 per gli isolatori OIP possono essere applicate anche ai trasformatori di misura.

Esperienza sul campo:

Messa in funzione di nuovi isolatori RIP da 69 kV

I test di messa in funzione condotti sul campo all'inizio del 2021 implicavano la valutazione dielettrica dei nuovi isolatori RIP da 69 kV. I dati della targhetta sono indicati nella Tabella 3.

Tabella 3: Informazioni sulla targhetta dei nuovi isolatori C1 RIP
 

È stato eseguito un test DF LF a 3 °C. Le curve fornite nella sezione 5.2.2.2 di [1] sono state utilizzate per la correzione della temperatura DF LF.
 

Tabella 4: Risultati DF LF dei nuovi isolatori "Y" RIP con avvolgimento terziario

I risultati, così come riportati nella Tabella 4, rientrano nei limiti "accettabili" prescritti dalle linee guida CIGRE [1] per i nuovi isolatori RIP - (vedere Tabella 5).

Tabella 5: Valori limite DF LF a 20 °C [2]

Durante la messa in funzione, è stato utilizzato un set di test del fattore di dissipazione Megger DELTA 4310A per i test DF a LF e a 1 Hz. Il software applicativo ha corretto i valori della % DF da 3 °C a 20 °C utilizzando l'algoritmo di correzione individuale della temperatura (ITC). I risultati sono riportati nella Tabella 6.

Tabella 6: Valori RIP LF e DF a 1 Hz corretti dall'ITC

I risultati riportati nella Tabella 6 mostrano una differenza significativa nella correzione della temperatura dei risultati della % DF a 60 Hz per l'isolatore Y2 rispetto agli isolatori Y1 e Y3: la correzione riduce il valore per Y2 ma aumenta i valori per Y1 e Y3. Con un isolatore in buone condizioni, si prevede che la correzione della temperatura riduca il valore ottenuto a 3 °C per produrre il suo valore equivalente di 20 °C, come nel caso di Y2. I test condotti su un trasformatore gemello hanno in effetti confermato che la correzione della temperatura ha ridotto i valori di tutti e tre gli isolatori, come previsto.

Dopo aver applicato l'ITC ai risultati, i valori DF LF degli isolatori Y1 e Y3 a 20 °C sono superiori al limite di accettazione (valore DF > 2 volte la targhetta secondo le linee guida IEEE). Questi due isolatori sono stati quindi valutati come "da indagare". La grande differenza osservata tra i valori DF corretti a 1 Hz per gli isolatori Y1 e Y3, che sono più di cinque volte superiori al valore per Y2, è chiara indicazione di un problema di isolamento.

Quando questi risultati sono stati discussi con il team della messa in servizio, è stato riferito che gli isolatori Y erano stati posizionati in modo errato durante il trasporto e che era stata osservata la presenza di acqua nel rivestimento in plastica. Hanno chiesto di intraprendere un'azione per risolvere il problema e il produttore del trasformatore ha deciso di far restituire gli isolatori a un centro di manutenzione per l'ispezione, la riparazione e l'asciugatura. A conferma dell'intervento, quando gli isolatori sono stati restituiti al sito (circa sei settimane dopo i test originali) sono stati nuovamente testati a 5 °C. I risultati sono mostrati nella Tabella 7.

Tabella 7:  Isolatori RIP riparati - Risultati DF LF e DF a 1 Hz

L'asciugatura ha migliorato Y1 e Y3, con il risultato che tutti gli isolatori Y rientravano nello 0,02% dei valori della targhetta. Questi test hanno consentito l'approvazione degli isolatori Y per l'uso in questo nuovo trasformatore.

Nuovo trasformatore (2019) - 16 MVA 138 kV - umidità elevata

La presenza di umidità nei trasformatori di potenza e di distribuzione ha un effetto trascurabile sul valore DF LF ottenuto a 20 °C. È solo quando la concentrazione di umidità è generalmente superiore al 2% che in questo valore si osservano variazioni significative.

Un nuovo trasformatore è stato testato dopo il montaggio e prima dell'eccitazione. La presenza di un isolamento solido asciutto è un aspetto fondamentale per la durata e l'affidabilità del trasformatore. La Figura 4 mostra l'influenza della temperatura e dell'umidità sulla vita utile di un trasformatore tipico [7], mentre la Tabella 8 mostra i risultati DF LF e DF a 1 Hz ottenuti per il nuovo trasformatore sottoposto a test.

Tabella 8:  Risultati DF dell'isolamento tra avvolgimenti

I valori DF LF corretti a 20 °C con l'ITC sono risultati eccellenti. Tuttavia, facendo riferimento alla Tabella 2, l'ITC del DF con correzione della temperatura a 1 Hz corrisponde a un trasformatore "buono" piuttosto che a un trasformatore "nuovo" come previsto.

Il DFR a spettro completo ha confermato la presenza di umidità all'1,6% nell'isolamento solido e la necessità di asciugare l'unità prima dell'eccitazione. Dopo aver visto i risultati dei test LF, a 1 Hz e DFR, il cliente ha richiesto un'analisi completa dell'olio. L'analisi fisica-chimica dell'olio ha confermato la presenza di umidità (vedere Tabella 9) superiore al livello di accettazione di 10 ppm consigliato nello standard IEEE C57.106, Tabella 2.

Tabella 9: Risultati ASTM D1533

Trasformatore di tensione capacitivo (CVT) a tensione extra alta - 765 kV

I trasformatori di misura e, più nello specifico, i trasformatori di tensione capacitivi non sono dotati di strumentazione di monitoraggio per rilevare eventuali variazioni nelle condizioni di isolamento. Il prelievo di campioni di olio è solo un'opzione durante le interruzioni pianificate e non è un processo semplice. In genere, i trasformatori di tensione capacitivi a tensione extra alta non sono dotati di porte per il campionamento dell'olio per ogni sezione capacitiva (stack), pertanto una valutazione accurata delle condizioni di isolamento tramite metodi non invasivi e non distruttivi è estremamente importante per gli operatori dei servizi pubblici.

In questo esempio, durante la manutenzione programmata su un trasformatore di tensione capacitivo di fase A, è stata osservata una piccola macchia di olio sulla superficie dello stack C1-1 del trasformatore di tensione capacitivo di fase B adiacente. Come mostrato nella Tabella 10, i risultati DF LF sono più elevati dei risultati degli stack gemelli, ma questi risultati da soli non sono necessariamente sufficienti per intraprendere azioni decisive.

Figura 4: Influenza della temperatura e dell'umidità sulla durata dell'isolamento solido [8]

Tabella 10: Valori LF e DF a 1 Hz ottenuti dal trasformatore di tensione capacitivo a tensione extra alta di fase B

Ancora una volta, tuttavia, i risultati DF a 1 Hz confermano che l'isolamento C1-1 è deteriorato. Tale deterioramento può causare guasti irreversibili alle apparecchiature adiacenti, all'ambiente e lesioni al personale che lavora nell'area. L'unità è stata messa fuori servizio per le indagini. Durante lo smontaggio, è stata rilevata una foratura nello stack C1-1, da cui fuoriusciva dell'olio.

Conclusioni e raccomandazioni:

La condizione di isolamento è il fattore più importante per determinare l'aspettativa di vita di un trasformatore. La capacità di prendere decisioni tempestive e conclusive sulle condizioni di isolamento è fondamentale per l'affidabilità degli impianti elettrici ad alta tensione. L'uso dei risultati DF LF in combinazione con DF a 1 Hz, tutti corretti opportunamente a 20 °C con l'algoritmo di correzione individuale della temperatura (ITC), assicura un'elevata sensibilità alle variazioni del sistema di isolamento dell'apparecchiatura ad alta tensione.

L'analisi combinata di DF LF e di DF a 1 Hz (con correzione tramite ITC) consente la valutazione quantitativa delle condizioni di trasformatori e isolatori vecchi e nuovi, come suggerito dagli autori nelle Tabelle 1 e 2. Il DF a 1 Hz con valutazione ITC non richiede l'analisi dell'andamento, sebbene sia anche possibile eseguire l'analisi dell'andamento dei risultati.

Le tradizionali misurazioni della frequenza di linea e le tabelle di correzione della temperatura di riferimento basate sulle medie possono essere fuorvianti e l'utilizzo di queste tabelle può talvolta rendere impossibile eseguire valutazioni affidabili in ambienti sia caldi che freddi.

L'integrazione delle tradizionali misurazioni DF LF da 10 kV con i test DF a 1 Hz (con correzione tramite ITC) aumenta marginalmente il tempo complessivo necessario per i test, di solito meno di un minuto, ma contribuisce a prolungare la durata delle risorse ad alta tensione e a tensione extra alta fornendo un supporto affidabile per decisioni tecniche e finanziarie solide o per future indagini e analisi definitive utilizzando la tecnologia DFR.
 

Authors: 

Dr Diego Robalino

Vince Oppedisano

Ken Petroff

FONTI

[1]    CIGRE TB 755, ‘Transformer bushing reliability’, CIGRE WG A2-43, 2019
 

[2]    Güner I., Robalino D. M., Werelius P., ‘HV and EHV bushing condition assessment – field experience’, Proceedings of the 2016 CIGRE-IEC Colloquium, Montreal, Canada, 2016
 

[3]    Robalino D., Alvarez R., ‘Advances of Dielectric Frequency Response Testing for HV OIP Bushings’, Proceedings of the CIGRE Session 48, paper A2-206, Paris 2020x
 

[4]    Robalino D. M., Breazeal R… C., ‘Evaluation of Distribution Class Transformers Using Narrowband Dielectric Frequency Response Mea-surements’. Proceedings of the IEEE 2020 Electrical Insulation Conference, 2020
 

[5]    Perrier C., Roman Z., Kieffel Y., ‘Monitoring of active part drying for instrument transformers by dielectric measurements’, Proceedings of the CIGRE Session 48, paper D1-122, Paris 2020
 

[6]    Robalino D., Güner I.,’HV and EHV current transformer dielectric condition assessment and root cause analysis’, Proceedings of the 2019 CIGRE Canada Conference, paper CIGRE-133, Montreal, 2019
 

[7]    CIGRE TB 445, ‘Guide for Transformer Maintenance’, CIGRE WG A2-34, 2011