Come l’ossigeno e gli acidi influenzano l’invecchiamento dei trasformatori

2. 1. Introduzione

Come delineato nel nostro articolo, In che modo la temperatura e l’acqua influenzano l’invecchiamento dei trasformatori, incentrato sul comportamento di invecchiamento dei trasformatori con sistema composito olio-cellulosa, l’invecchiamento dei trasformatori può essere accelerato da una serie di fattori. In questo documento viene illustrato l’impatto dell’ossigeno e degli acidi sulle prestazioni dei trasformatori. Vi sono diversi modi per ridurre l’influenza di questi acceleratori, così da mitigare e rallentare il processo di invecchiamento del parco trasformatori. Vi sono modi per sfruttare l’ossigeno a vantaggio del trasformatore e misure che è possibile adottare per prevenirne del tutto l’invecchiamento precoce.

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   2. L’influenza dell’ossigeno

Entrambi O₂ e azoto (N₂) entrano nel trasformatore dall’atmosfera. L’ossigeno viene consumato all’interno del trasformatore e fornisce informazioni cruciali sulle condizioni del trasformatore e sulla sua velocità di invecchiamento. L’effetto accelerante dell’ossigeno sull’invecchiamento è stato identificato nel 1976 in un articolo del CIGRE (“The oxygen-free transformer, reduced aging by continuous degassing”, Trasformatore senza ossigeno, invecchiamento ridotto grazie alla degassificazione continua)*. Esistono molti potenziali punti di ingresso dell’ossigeno nel trasformatore, ma il principale mezzo di ingresso è dovuto alle variazioni del volume dell’olio causate da variazioni di temperatura e di carico.

Quando le temperature di esercizio del trasformatore aumentano, l’olio si espande e il suo volume aumenta. Il volume maggiore di olio agisce come un pistone, spingendo i gas atmosferici fuori dal trasformatore. Quando la temperatura diminuisce, il volume dell’olio si contrae e i gas atmosferici vengono risucchiati nel trasformatore. Sono stati sviluppati diversi design di tenuta del trasformatore per impedire l’ingresso di O₂ nel trasformatore durante queste variazioni di volume. Quando si valuta il contenuto di gas dell’olio del trasformatore utilizzando l’analisi dei gas disciolti (DGA), è necessario comprendere la progettazione della tenuta del trasformatore perché l’analisi di O₂ varierà a seconda del tipo di tenuta.

Nel settore vengono utilizzate le seguenti alternative di tenuta:

L’O₂ viene consumato all’interno del trasformatore, quindi il contenuto di O₂ sarà in uno stato di equilibrio tra disponibilità e consumo. Perciò, in genere, i livelli di O₂ nei sistemi chiusi saranno inferiori rispetto ai sistemi a contatto con l’aria aperta.  È difficile valutare il contenuto di gas nei sistemi a respirazione aperta, poiché la velocità di scambio del gas tra il serbatoio del trasformatore e l’atmosfera può variare di un fattore di 1:10, a seconda della progettazione e della configurazione del conservatore.

Inoltre, nei sistemi a respirazione aperta, concentrazioni pari a circa 22.000-25.000 ppm possono essere considerate normali. Se il contenuto di O₂ è inferiore a 20.000 ppm, è lecito supporre che esso si stia consumando e che si stia verificando un invecchiamento accelerato. Anche i livelli di anidride carbonica (CO₂₎ possono essere utilizzati nello stesso modo. I livelli di CO₂ superiori a 6.000 ppm sono una chiara indicazione di invecchiamento accelerato. Se il valore di O₂ è di circa 10.000 ppm, in casi estremi si possono raggiungere valori di CO₂ superiori a 12.000 ppm. I valori limite IEEE non si applicano ai trasformatori a respirazione aperta e il rapporto CO/CO₂ è applicabile in misura limitata.

I valori riscontrati nei sistemi chiusi con sacche d’aria o membrane saranno completamente diversi da quelli riscontrati nei sistemi a respirazione aperta. I trasformatori con sistemi chiusi hanno in genere un contenuto di ossigeno residuo di 2.000-4.000 ppm, combinato con 1.500-2.000 ppm di CO₂ in sistemi chiusi. Tuttavia, se O₂ è “0” e CO₂ è superiore a 4.000, è ancora una volta lecito supporre che il trasformatore stia invecchiando a un ritmo accelerato.

3. L’influenza degli acidi

L’interazione di O₂ e del calore con l’olio isolante nel trasformatore porta alla formazione di acidi nell’olio. Gli acidi si misurano in base al numero di acidità, espresso in “mgKOH/g”. Questo numero indica la quantità di materiale alcalino (KOH) necessaria per neutralizzare gli acidi presenti nell’olio.  Il numero di acidità è una misura del livello di acidità ed è il metodo più importante per valutare le condizioni dell’olio isolante nel trasformatore.

Anche la tensione interfacciale (IFT) è un utile indicatore della qualità dell’olio. L’IFT è una misura della differenza tra la tensione superficiale dell’olio, che è apolare, e la tensione superficiale dell’acqua, un elemento altamente polarizzato. L’IFT tra due materiali con polarità simile sarà basso. Quando il fluido isolante dell’olio minerale si degrada attraverso il contatto con O₂, si formano acidi idrofili (che amano l’acqua), come gli acidi carbossilici. Questi sono altamente polari e non sono molto solubili in olio a causa della bassa polarità dell’olio. La presenza di acidi idrofili nell’olio aumenta la sua polarità e determina un IFT inferiore. Un IFT basso indica la presenza sia di acidi che di acqua, che possono influenzare le proprietà dielettriche dell’olio e generare fanghi nel trasformatore.

Sia il numero di acidità che la tensione interfacciale devono essere considerati insieme.  Ad esempio, un numero di acidità elevato, per esempio 0,2 mgKOH/g, porterà in genere a una tensione superficiale interfacciale inferiore a 20 N/m. Gli standard specificano valori limite di 0,1 mgKOH/g per i trasformatori superiori a 70 kV e di 0,25 per quelli inferiori. Quest’ultimo valore è assurdo poiché l’effetto chimico è indipendente dalla tensione di esercizio. Inoltre, la precipitazione dei fanghi inizia oltre il valore 0,1, il che può ridurre la capacità di raffreddamento del trasformatore e la sicurezza operativa. Pertanto, le azioni correttive hanno senso a partire da un valore pari a 0,1.

La velocità di formazione dell’acido può essere utilizzata per valutare la progettazione del sistema di raffreddamento interno del trasformatore e la velocità di invecchiamento. Un’elevata velocità di formazione di acido implica che l’olio è sottoposto a stress termico, il che ne provoca la degradazione più rapida. Ciò potrebbe indicare un raffreddamento inadeguato dovuto a una progettazione scadente.  Il “delta (Δ) di formazione dell’acido” può essere utilizzato come indicatore sia della corretta progettazione del sistema di raffreddamento interno sia del tasso di invecchiamento del trasformatore. L’acido attacca attivamente anche l’isolante in cellulosa, accelerandone la decomposizione. Ciò è evidente dall’aumento di consumo di O₂ nel processo di decomposizione in presenza di oli acidi.

4. 4. Combinazione di ossigeno e acido

L’ossigeno e l’acido agiscono all’unisono e devono essere valutati insieme. Ciò significa che entrambi i prodotti devono essere controllati per cercare di mantenere in efficienza i trasformatori obsoleti. Sia l’O₂ che gli acidi degradano l’isolamento in carta (solido) all’interno di un trasformatore. Infatti, il consumo di O₂ è un ottimo indicatore del tasso di invecchiamento complessivo del sistema. Un elevato consumo di O₂ comporta una degradazione più rapida dell’isolamento solido in carta. Il consumo di O₂ di solito diminuisce dopo la rigenerazione dell’olio, quindi ci si aspetterebbe che anche la velocità di degradazione della carta rallentasse di conseguenza.

Tuttavia, la rigenerazione dell’olio spesso provoca una continua degradazione acida dell’isolante in carta. La velocità di degradazione acida della cellulosa dipende dalla concentrazione di acqua e dalla concentrazione di ioni H+ scissi dagli acidi. Molti degli acidi che si formano nell’olio del trasformatore e nella degradazione della cellulosa vengono assorbiti dalla carta. Quindi anche quando la rigenerazione dell’olio rimuove O₂ dal sistema, gli acidi che rimangono ancora nell’isolante in carta continuano a degradare la cellulosa e creano un percorso verso un’ossidazione più rapida, come illustrato nella sezione 6.2. È importante valutare anche la produzione di acidità insieme al contenuto di CO₂ e O₂ come mostrato nell’esempio 6.1.

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   5. Quali rimedi sono utili e quando?

5.1. Gestione dell’O₂:

È utile dotare i trasformatori di sistemi di tenuta che impediscano l’ingresso di ossigeno, di sacche d’aria nel conservatore dell’olio o di tenute a monte tra il conservatore dell’olio e l’atmosfera. I sistemi di degassificazione parziale hanno dimostrato la loro efficacia anche per la ristrutturazione e la conservazione di vecchi trasformatori a respirazione aperta, riducendo la percentuale di gas atmosferici (N₂, O₂) a circa il 30% dei valori di saturazione.

I sistemi sopra descritti rimuovono anche l’acqua dalla cellulosa. Il problema è come risolvere questo problema dal punto di vista tecnico ed economico. Nei vecchi trasformatori a respirazione aperta, gli impianti di bypass o di rigenerazione sono un metodo ben collaudato per ridurre l’O₂ nell’olio. L’olio viene prelevato dalla parte inferiore del trasformatore, degassificato, essiccato e rimandato nella parte superiore. Poiché è possibile utilizzare connessioni standard come i rubinetti per il campionamento dell’olio per commutare il sistema di rigenerazione tra diversi trasformatori senza spegnerli, un’unità di rigenerazione può trattare da due a quattro trasformatori di medie dimensioni in cicli da tre a sei mesi. Ciò comporta una riduzione della disponibilità di ossigeno e un rallentamento del tasso di invecchiamento. Pertanto, i costi di manutenzione sono ridotti al minimo poiché non è necessario alcun intervento di riparazione sul trasformatore, come la sostituzione del conservatore. Poiché l’olio è essiccato, l’acqua presente nel sistema viene scaricata dal trasformatore.

5.2. Esistono tre modi per affrontare il problema dell’acidità:

– Riempimento del trasformatore con oli inibiti rispetto a oli non inibiti. Si dovrebbe evitare di usare oli non inibiti. L’inibitore agisce in modo molto simile a un rivestimento protettivo contro la corrosione anodica nelle strutture in acciaio.  Proteggerà l’olio dalla degradazione ossidativa, impedendo la formazione di acidi nell’olio. La maggior parte degli inibitori dell’olio contiene 2, 6-di-ter-butil-p-cresolo (DBPC; BHT) e 2, 6-di-ter-butilfenolo (DBP). Gli oli privi di questi inibitori si degradano più rapidamente e richiedono frequenti cambi d’olio, il che può richiedere molto tempo e denaro.

– Non appena si raggiunge il valore di 0,1 mgKOH/g, l’olio deve essere rigenerato, seguito dall’inibizione dell’olio anche se l’olio non era stato inibito in origine. Non inibire l’olio dopo la rigenerazione va contro le migliori prassi, poiché l’olio appena rigenerato non contiene più stabilizzatori dell’invecchiamento.

– Progettazione corretta del trasformatore per evitare stress termici sull’olio. Nel nostro articolo precedente, In che modo la temperatura e l’acqua influenzano l’invecchiamento dei trasformatori, abbiamo spiegato che una corretta progettazione termica implica che, per i trasformatori destinati a subire frequenti variazioni di carico, il sistema di raffreddamento interno deve eliminare i picchi di temperatura durante i rapidi aumenti di carico, ovvero il raffreddamento OD (Oil Directed). Per i trasformatori in cui è necessario pompare l’olio, ad esempio OFWF (Oil Forced/Water Forced) o nel caso di radiatori olio-aria installati in remoto, il raffreddamento negli avvolgimenti deve essere basato su un progetto ON (Oil Natural) in modo che la temperatura dell’olio sia distribuita il più uniformemente possibile all’interno del sistema di avvolgimento.

6. Contenuti connessi: Mappatura delle popolazioni di trasformatori

   6. Esempi

6.1

Nel caso seguente è evidente il bassissimo contenuto di ossigeno. È stato raggiunto subito dopo la messa in servizio. Dal 2004 è stato incluso nel programma di conservazione della popolazione dei trasformatori, nonostante il trasformatore fosse in condizioni ottimali. Come mostrato di seguito, il contenuto di acido sembra aumentare rapidamente e ha raggiunto la soglia di rigenerazione (0,1 mgKOH/g) in soli 9 anni. Ciò significa che lo stress termico in questo trasformatore ha portato a una rapida perdita della qualità dell’olio.

6.2 Esempio di interazione tra acido e ossigeno

Accoppiatore di rete 250MVA 220/110 kV

Questo trasformatore è un ottimo esempio dell’interazione tra acido e ossigeno. Il trasformatore è entrato in una fase di invecchiamento accelerato dopo il 2000 e ha raggiunto la fase di fine vita (EOL) nel 2007. Fino al 1993, il contenuto di O₂ >> 20000 era tipico di un trasformatore a respirazione aperta che funzionasse correttamente. Tuttavia, il contenuto di CO₂ era alto, a indicare un livello elevato di consumo di O₂. Nel 1996, l’O₂ è sceso e l’acidità era pari a 0,109 mgKOH/g, che era al limite massimo. Dal 2000 in poi, il contenuto di O₂ ha continuato a diminuire mentre l’acidità è aumentata. Inoltre, nel 2003 sono stati rilevati livelli di furano di circa 5 ppm.

Nel 2007, tutti gli indicatori mostravano che il trasformatore aveva raggiunto una condizione di fine vita (EOL), inclusi i seguenti valori:

• Basso O₂ (13000 ppm),
• Alto CO₂ 9 ppm furano,
• Tensione di rottura inaccettabile (32 kV) e
• alto valore di acqua (21 ppm).

6.3 Profilo di un trasformatore di rete costruito nel 1969: 110/20kV 31,5 MVA; tipo a respirazione aperta.

I valori riportati nella tabella sottostante mostrano che il trasformatore, opportunamente progettato, si presentava ancora in ottime condizioni dopo oltre 30 anni.

L’acetilene (C2H2) è prodotto dalla miscelazione dei gas del commutatore sotto carico (OLTC) nello spazio d’aria comune del conservatore. Questo trasformatore è un buon esempio di progettazione corretta: presenta buoni valori ed è praticamente come nuovo.

Il trasformatore del 1969 aveva i seguenti valori:

• valori saturi per N₂ 67621 ppm),
• O₂ (~ 30000 ppm),
• e un CO₂ al di sotto di 2000 ppm, e
• Bassissimo contenuto di gas C2 e C3 e nessun furano.

DGA dal 2003 al 2009

6.4 Esempio di trasformatore di tipo chiuso con elevato consumo di ossigeno.

L’elevato consumo di ossigeno del trasformatore sottostante suggerisce una prognosi sfavorevole a lungo termine. Il trasformatore si è guastato tre anni dopo l’analisi.

È stato molto difficile valutare questo trasformatore perché il proprietario effettuava regolarmente trattamenti di degassificazione. Per comprendere le condizioni del trasformatore, O₂ e CO₂ dovrebbero essere considerati insieme. Il consumo di tutto l’O₂ disponibile (0) con CO elevato₂ (6000) per il design di tipo chiuso di questo trasformatore ha mostrato un rapido invecchiamento. Poiché i gas erano ridotti al minimo e dovevano risaturarsi, ciò costituiva un buon indicatore dei processi interni.

7. Contenuti connessi: La mappatura come metodologia di valutazione dei rischi e dei costi

   7. Riepilogo

Gli acceleratori dell’invecchiamento costituiti da acido e ossigeno lavorano all’unisono per favorire l’invecchiamento del sistema olio-cellulosa. Entrambi i fattori dipendono fortemente dalla progettazione del trasformatore, in particolare dalla progettazione del sistema di raffreddamento interno.

Spesso si genera un ciclo auto-rinforzante in cui avviene quanto segue:

• Un elevato consumo di ossigeno accelera il processo di invecchiamento,
• Il processo di invecchiamento produce acido, che aumenta il consumo di ossigeno.

Poiché questi due elementi lavorano insieme per accelerare l’invecchiamento del trasformatore, è necessario assicurarsi che il sistema di raffreddamento del trasformatore funzioni bene e sia progettato correttamente. La seconda buona prassi è quella di evitare l’uso di olio non inibito. In terzo luogo, è necessario impedire l’ingresso di ossigeno.

Indipendentemente dal fatto che il trasformatore respiri apertamente o sia sigillato dall’atmosfera, se è progettato correttamente e si adotta la mappatura come pratica di manutenzione predittiva, si può ottenere una maggiore durata per tutto il parco trasformatori.

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*The Oxygen-free Transformer, Reduced Ageing by Continuous Degassing, W. Lamp and E. Spicar, presented during the International Conference on Large High Voltage Electric Systems (CIGRE), Sett. 1976