Test di resistenza statica e dinamica dei commutatori nei trasformatori

Il ruolo fondamentale dei trasformatori nel sistema di alimentazione è noto: trasferiscono energia elettrica da un circuito a un altro e, in genere, durante questo processo, modificano la tensione dell'elettricità che scorre nel circuito secondo uno schema prestabilito. Tuttavia, la trasformazione della tensione prevista, indicata dalla targhetta dati sul trasformatore, si applica specificamente al caso in cui un trasformatore viene eccitato senza carico. Quando un trasformatore trasporta il carico, la tensione secondaria del trasformatore diminuisce di un valore determinato dall'impedenza del trasformatore e dal fattore di potenza del carico. Tuttavia, poiché il carico erogato e il suo fattore di potenza variano, è importante che la tensione di uscita di un trasformatore rimanga entro limiti stretti poiché la maggior parte dei carichi richiede una tensione costante. Questa "regolazione della tensione" desiderata è resa possibile tramite l'uso di un commutatore.

Il commutatore di un trasformatore facilita il controllo del rapporto tra la tensione di uscita del trasformatore e la sua tensione di ingresso. Si tratta di un dispositivo meccanico e, in molti casi, dell'unico componente di un trasformatore con parti mobili. Le pompe e le ventole sono le altre, ma sono presenti solo sui trasformatori dotati di un sistema di raffreddamento a olio e/o ad aria forzata. Tuttavia, è di fondamentale importanza che un commutatore sia l'unico componente con parti mobili collegato agli avvolgimenti di un trasformatore. L'affidabilità del commutatore è fondamentale, perché mettere fuori servizio un trasformatore per gestire un problema del commutatore è costoso e può causare danni. Inoltre, il guasto di un commutatore può avere conseguenze disastrose. Pertanto, è nell'interesse di ogni società di energia elettrica eseguire valutazioni periodiche delle condizioni dei commutatori per rilevare eventuali guasti prima che si verifichino. Dopo aver discusso brevemente i tipi di commutatori, questo articolo esamina i metodi di test della resistenza statica e dinamica che possono essere utilizzati per eseguire queste valutazioni essenziali.

Un commutatore modifica il rapporto di trasformazione aggiungendo o sottraendo sezioni relativamente piccole degli avvolgimenti di regolazione agli o dagli avvolgimenti principali ad alta o a bassa tensione del trasformatore. Le modifiche al rapporto comportano il movimento meccanico di un contatto da una posizione all'altra e, nella valutazione della condizione di un commutatore, occorre controllare proprio le prestazioni di questo contatto mobile, il rispettivo contatto di accoppiamento fisso, le parti di lavoro aggiuntive del meccanismo del commutatore e le sezioni degli avvolgimenti di regolazione. Posso verificarsi molti problemi in un commutatore. Ad esempio, il disallineamento durante la produzione e/o il trasporto, l'allentamento del contatto mobile e l'usura da contatto determinano un contatto superficiale insufficiente, con la conseguenza che la corrente a pieno carico surriscalda il contatto e produce depositi carboniosi, ossia residui solidi che si creano quando l'olio subisce una grave ossidazione e un deterioramento termico. Altri problemi comuni sono: guasto della sequenza "make before break" durante la commutazione, che causa la formazione di archi elettrici, cablaggio non corretto, problemi con l'interruttore di transizione/arco o con resistore di transizione e spire a circuito aperto o in corto negli avvolgimenti di regolazione o, in caso di reattanza di tipo OLTC, autotrasformatore preventivo (PA), autotrasformatore in serie o trasformatore in serie.

Tipi di commutatori

I commutatori sono suddivisi in due tipi principali: commutatori sotto carico (OLTC o semplicemente LTC), che consentono di modificare il rapporto del trasformatore mentre questo è in servizio ed eroga corrente, e commutatori a vuoto, o diseccitati, (DETC), che richiedono che il trasformatore siano messi fuori servizio prima di poter cambiare il rapporto. Un DETC può essere utilizzato anche per modificare la configurazione degli avvolgimenti. Variando il rapporto del trasformatore sotto carico senza interruzioni, gli OLTC consentono la regolazione della tensione e/o la variazione di fase. Il lavoro di un OLTC è notevole se si considera che in genere un OLTC è necessario per far funzionare e trasferire la corrente di carico diverse migliaia di volte l'anno.

Gli OLTC possono essere ulteriormente suddivisi in OLTC a resistore e OLTC a reattanza. Nella maggior parte degli scenari che implicano misurazioni dinamiche, si incontrano gli OLTC a resistore, e gli esempi riportati in questo articolo si riferiscono appunto a questo tipo di commutatori sotto carico. Tuttavia, il TEST DI RESISTENZA STATICA E DINAMICA SUI COMMUTATORI DEI TRASFORMATORI ET 103 si è ampliato negli ultimi anni per includere anche i tipi a reattanza.

Figura 1: OLTC a resistore

La Figura 1 mostra un tipico OLTC a resistore con un selettore di presa e un deviatore. I resistori di transizione sono in genere solo di pochi ohm. Il tempo di funzionamento totale per un OLTC a resistore, dalla ricezione di un segnale per la commutazione delle prese al commutatore che raggiunge la sua posizione finale, è solitamente compreso tra 3 e 10 secondi, a seconda delle specifiche di progetto. Il tempo di commutazione effettivo dei contatti per questo tipo di commutatore è solitamente di circa 40 - 60 ms e i resistori di transizione vengono caricati per circa la metà di questo tempo o un po' più a lungo. Gli OLTC a resistore, collegati all'avvolgimento ad alta tensione del trasformatore, sono utilizzati soprattutto in Europa, Asia, Africa e Sud America.

Gli OLTC a reattanza utilizzano un autotrasformatore preventivo (PA) al posto dei resistori utilizzati negli OLTC a resistore, quindi la resistenza aggiuntiva nel deviatore è molto bassa. Il tempo di commutazione degli OLTC a reattanza è notevolmente più lungo, nell'ordine di secondi. Gli OLTC a reattanza sono quasi sempre collegati al lato a bassa tensione del trasformatore e sono molto comuni negli Stati Uniti, in Canada e in Messico.

A differenza di un OLTC a resistore, un OLTC a reattanza utilizza la posizione di bridging (ovvero le posizioni in cui vengono selezionati contemporaneamente due prese consecutive e una forma di impedenza, resistiva o reattiva, è presente per limitare la corrente di circolazione risultante) come posizione di servizio. Pertanto, quando si esegue una misurazione statica su una presa in posizione dispari o di bridging di un OLTC a reattanza, i componenti bridging (ad esempio il PA) sono inclusi nel circuito di test e possono essere valutati. Poiché un OLTC a resistore non "riposa" in uno stato di bridging, quando si esegue una misurazione statica, i suoi componenti di bridging, come i resistori di transizione, non sono inclusi nel circuito di test, indipendentemente dalla posizione della presa su cui viene eseguito il test. Pertanto, le misurazioni dinamiche sono fondamentali per valutare questi "componenti di transizione" oltre a fornire altri vantaggi diagnostici.

Metodi di test del commutatore

Misurazioni della resistenza dell'avvolgimento (statiche)

Esistono numerose misurazioni statiche che possono essere eseguite mentre l'OLTC (e il DETC) è in stato stazionario in ciascuna delle diverse posizioni delle prese selezionate, tra cui corrente di eccitazione, rapporto di spire del trasformatore, resistenza dell'avvolgimento e test SFRA. Le misurazioni della resistenza dell'avvolgimento CC (WRM) vengono normalmente eseguite per ogni presa nello stesso modo in cui vengono eseguite per i singoli avvolgimenti. Lo strumento di verifica inietta la corrente in modo continuo e la resistenza di ciascuna presa viene misurata in sequenza man mano che il commutatore passa attraverso le sue posizioni. I risultati vengono in genere presentati sotto forma di grafico o tabella. Le variazioni di resistenza tra le prese devono essere coerenti, con solo piccole differenze tra le fasi e le posizioni delle prese.

Misurazioni dinamiche

Esistono diverse tecniche per eseguire misurazioni dinamiche sui commutatori, ma è comune ad ogni tecnica l’iniezione della corrente CC nel commutatore, in una fase o in tutte le fasi, e la corrente e/o la tensione viene misurata in funzione del tempo durante il funzionamento del commutatore. Le correnti di test variano da circa 0,1 A CC alla corrente di test standard per le misurazioni della resistenza dell'avvolgimento, che in genere è compresa tra l'1% e non oltre il 15% della corrente nominale dell'avvolgimento del trasformatore. I test dinamici possono essere eseguiti contemporaneamente ai test WRM o come test separati. I test standard sono:

Figura 2: misurazione dinamica della corrente

• Test di continuità/"make-before-break"
• Misurazioni dinamiche
  • Corrente dinamica/ripple (spesso denominata "DRM" anche se il focus è esclusivamente sul comportamento della corrente di test) 
  • Tensione dinamica (spesso l'obiettivo finale in questo caso è produrre un grafico DRM)
  • Resistenza dinamica (DRM) – un nuovo approccio per acquisire con la massima precisione il DRM effettivo di ogni operazione di cambio del commutatore
• Corrente del motore

Test di continuità/rilevamento di discontinuità

Monitorando la variazione della corrente o della tensione, questo test rileva la presenza di una condizione di “break-before-make” nel commutatore. Se è presente, la corrente verrà interrotta durante il funzionamento del commutatore. Questo test viene generalmente eseguito contemporaneamente alle misurazioni della resistenza dell'avvolgimento.

Il rilevamento dei contatti aperti può essere eseguito cercando le variazioni di corrente, le variazioni di/dt o rilevando le variazioni di tensione sull'uscita del generatore o sul lato opposto del trasformatore. In altre parole, se il commutatore si trova sul lato HV, il rilevamento viene eseguito misurando i transienti di tensione sull'avvolgimento LV corrispondente.

Misurazione dinamica della corrente

La misurazione dinamica della corrente (DCM) è in qualche modo simile al test di continuità, ma, oltre al semplice rilevamento della discontinuità, la corrente viene monitorata durante la commutazione delle prese e il risultato viene presentato come valore di ripple in percentuale o come grafico del rapporto tra corrente e tempo (Figura 2). La corrente di ripple è la portata della riduzione della corrente di test durante la commutazione delle prese e viene espressa come percentuale della corrente di test. La pendenza viene valutata anche quando viene fornito un grafico del rapporto tra corrente e tempo. Ciò riflette la velocità alla quale la corrente di test diminuisce quando il contatto in movimento si separa da un contatto stazionario e la corrente scorre interamente attraverso un resistore di transizione. Lo scopo del test DCM è esaminare le condizioni durante la commutazione delle prese e fornire informazioni sulla temporizzazione dei contatti.

Figura 3: configurazione del test per l'esecuzione della misurazione DRM su un OLTC: la corrente viene iniettata in un avvolgimento ad alta tensione; la tensione viene misurata su un avvolgimento a bassa tensione

Le misurazioni dinamiche della corrente sono influenzate dall'ampiezza della corrente di test. Se la corrente di test è al di sotto del livello di saturazione del trasformatore, l'induttanza dell'avvolgimento del trasformatore è elevata e ciò rende più uniformi le variazioni di corrente. Se il test viene eseguito con una corrente pari o superiore al livello di saturazione, l'induttanza sarà bassa e le variazioni di corrente saranno maggiori. Un modo per ridurre l'induttanza del trasformatore quando si eseguono le misurazioni sui commutatori consiste nel portare in cortocircuito gli avvolgimenti LV (o HV) "non direttamente sottoposti a test". Questo, in effetti, sostituisce l'induttanza dell'avvolgimento con l'impedenza di cortocircuito. L'induttanza è notevolmente ridotta e le variazioni di corrente possono essere misurate in modo più accurato. Lo svantaggio di questo metodo di cortocircuito è che la DCM non può essere eseguita insieme alle misurazioni della resistenza dell'avvolgimento, poiché i test statici di resistenza dell'avvolgimento devono essere eseguiti con gli avvolgimenti opposti interrotti.

Le misurazioni dinamiche della corrente OLTC vengono generalmente eseguite durante i "tempi di riposo" del test di resistenza dell'avvolgimento, ovvero quando il commutatore si sposta in ciascuna posizione e vengono monitorate le indicazioni di discontinuità.

Le correnti di test per le misurazioni della resistenza dell'avvolgimento ad alta tensione sono spesso pari al livello di saturazione o superiori, quindi l'induttanza dell'avvolgimento è già bassa, come desiderato. Si noti che questo metodo di test può mostrare grandi variazioni di corrente/ripple anche per i contatti di buona qualità. Il ripple dovrebbe essere simile, tuttavia, per lo stesso commutatore in ciascuna delle tre fasi.

Misurazione dinamica della tensione

La misurazione dinamica della tensione (DVM) è un metodo precoce per determinare la DRM. Una corrente relativamente piccola e costante proveniente da una sorgente ad alta impedenza viene iniettata attraverso il commutatore, quindi viene misurata la tensione sul circuito di test con una risoluzione sufficiente a creare un diagramma resistenza-tempo per il funzionamento dei contatti del commutatore. Le interruzioni sono facilmente riconoscibili, è possibile valutare le variazioni dei valori dei resistori di transizione e misurare la temporizzazione dei contatti.

Nella Figura 3 è illustrato un esempio di configurazione del test per l'esecuzione della misurazione DVM su un OLTC, mentre i risultati di un OLTC in buone condizioni sono mostrati nella Figura 4.

Misurazioni "effettive" della resistenza dinamica

Un nuovo metodo in attesa di brevetto consiste nel misurare la resistenza dinamica nel commutatore sotto carico misurando contemporaneamente la corrente di test insieme alle tensioni su entrambi gli avvolgimenti HV e LV e nel combinare i risultati con la modellazione del trasformatore. Un esempio di misurazione è mostrato nella Figura 5.

L'impedenza della sorgente in questo esempio è circa 10 Ω e si può osservare una piccola variazione di corrente durante la commutazione delle prese (traccia verde nella Figura 5). A causa dell'induttanza nel circuito (ricordando che, per questa misurazione, l'avvolgimento opposto o LV viene lasciato aperto), la variazione di tensione misurata nell'avvolgimento HV (traccia rossa nella Figura 5) è piuttosto grande. Questa tensione è una somma della tensione induttiva e resistiva e non può essere utilizzata per calcolare direttamente la resistenza nel circuito. Tuttavia, la tensione misurata nell'avvolgimento LV è puramente induttiva e se si utilizzano i parametri del modello di trasformatore per calcolare la tensione induttiva sul primario, è possibile dedurre questo valore dalla tensione dell'avvolgimento HV misurata e calcolare la resistenza nel circuito. Il risultato è riportato nella Figura 5.

Figura 5: misurazione DRM su un OLTC utilizzando una corrente di test di 5 A e un'impedenza della sorgente di 10 Ω (corrente di test in verde, tensione misurata sull'avvolgimento HV in rosso, tensione misurata sull'avvolgimento LV in blu, resistenza in nero)  

Figura 6: sequenza di commutazione per un tipico OLTC con un deviatore, Maschinenfabrik Reinhausen GmbH, 2002

Figura 7: test DRM su un OLTC MR tipo V, corrente di test: 5 A, condizione normale

I vantaggi di questo metodo di misurazione DRM efficace rispetto al test DCM sono che le incongruenze nei risultati dei test, ad esempio quelle spesso introdotte dalla selezione della sorgente di corrente, vengono rimosse e si possono determinare i valori dei resistori di transizione.

Misurazione della corrente del motore

Il metodo utilizzato per misurare la corrente del motore del commutatore è fondamentalmente lo stesso utilizzato per misurare la corrente della bobina in un interruttore automatico. La corrente del motore durante una commutazione di presa riflette l'energia utilizzata dall'operazione e la misurazione può essere utilizzata come valore di riferimento per l'analisi dei trend e il benchmarking.

Analisi dei risultati

Misurazioni della resistenza dell'avvolgimento

La misurazione della resistenza dell'avvolgimento per ogni singola presa è piuttosto semplice. Il problema più comune che viene riscontrato è che l'operatore che esegue il test non aspetta a sufficienza dopo una commutazione di presa prima di effettuare la misurazione. Il valore della resistenza deve essere osservato attentamente per assicurarsi che si sia stabilizzato prima di registrare e memorizzare il valore. A ogni posizione della presa, è necessario confrontare i valori di resistenza per ciascuna fase. Se tutti i valori rientrano nell'1%, allora sono accettabili. La deviazione non deve superare il 3%.

Continuità

Non deve essere presente un'indicazione di discontinuità per qualsiasi commutazione di presa. Se si verifica una discontinuità durante il test, si verificherà un aumento significativo della tensione misurata e una notevole diminuzione della corrente misurata. 

Tempi dei contatti

I tempi di commutazione sono fondamentali per il corretto funzionamento dei commutatori. La Figura 6 mostra la sequenza di commutazione per un progetto tipico. Come si può vedere, il tempo di commutazione totale è circa 60 ms per un OLTC a resistore ed è costituito da una serie di passaggi (più le posizioni statiche prima e dopo l'operazione di commutazione). La Figura 7 mostra i risultati di un test DRM su un OLTC simile.

Si noti che questo tipo di commutatore ha sei stati distinti per ciascuna operazione di commutazione, tutti riconoscibili nei risultati del test DRM.

Questi stati sono:

1. Apertura dei contatti di carico
2. R1 inserito
3. R2 inserito in parallelo con R1
4. R1 rilasciato
5. R2 rilasciato
6. Chiusura dei contatti di carico

Il rimbalzo dei contatti è visibile soprattutto in relazione alla creazione di R2. Il tempo totale è 79 ms mentre il tempo di commutazione del resistore è 47 ms. Per il confronto, la Figura 8 mostra i risultati dello stesso commutatore con una molla rimossa per simulare il danno. I tempi di commutazione misurati sono circa il doppio.

Figura 8: test DRM su un OLTC MR tipo V, corrente di test: 5 A, guasto della molla simulato

Figura 9: segnale della corrente del motore; normale (blu), attrito elevato simulato (rosso)

I tempi di commutazione per un OLTC in buone condizioni devono essere coerenti su tutti i commutatori. Le misurazioni dinamiche della tensione sul lato bassa tensione del trasformatore (ipotizzando un OLTC di tipo resistivo sul lato alta tensione) possono essere utilizzate anche per eseguire misurazioni di temporizzazione, un approccio che ha il vantaggio di essere semplice. Le misurazioni dinamiche della corrente sono un'altra opzione utile per la misurazione della temporizzazione del commutatore, ma i passaggi sono diversi l'uno dall'altro e talvolta non sono così distinti come quando si utilizza la tensione o la resistenza dinamica.

Valori del resistore di transizione (o deviatore)

I valori dei resistori di transizione devono rientrare nel 10% dei valori nominali. 

Corrente del motore

La corrente del motore deve essere confrontata con i risultati dei test precedenti o con la corrente del motore misurata in unità di misura simili. L'aumento dell'attrito nel meccanismo OLTC porta a una maggiore corrente del motore perché il motore è necessario per sviluppare una coppia maggiore per azionare il meccanismo. Ciò può essere rilevato effettuando misurazioni della corrente del motore su periodi di tempo prolungati e confrontando ciascuna misurazione con la forma normale prevista. La Figura 9 mostra un esempio della curva della corrente del motore in cui un aumento simulato dell'attrito causa una corrente del motore insolitamente elevata intorno al tempo in cui le molle vengono caricate prima dell'operazione di commutazione principale.

Conclusione

Essendo una delle poche parti in movimento nei trasformatori di potenza, gli OLTC sono le parti più soggette a usura e, in ultima analisi, a guasti. I risultati di tali guasti possono essere molto costosi, ma è possibile fare molto per proteggersi da tali errori valutando regolarmente le prestazioni degli OLTC utilizzando le tecniche di test e misurazione descritte in questo articolo. Megger offre strumenti che possono essere utilizzati per eseguire questi test e sarà lieto di consigliarvi sulla scelta delle applicazioni specifiche più adatte.

Autori: Tony Wills, Team leader Applications Engineer e Jill Duplessis