L’invecchiamento dei trasformatori di potenza

Per contrastare le conseguenze negative dell’invecchiamento dei trasformatori di potenza, gli utenti devono ottimizzare il funzionamento dei loro trasformatori sia dal punto di vista tecnico che commerciale. Si tratta di una questione complessa, per la quale non esistono risposte definitive. L’invecchiamento si riferisce al degrado naturale del sistema isolante costituito da componenti solidi tradizionali come carta, cartone pressato e compensato e da fluidi come l’olio minerale isolante. Tra questi, i materiali isolanti solidi sono i più importanti poiché non possono essere sostituiti senza ricostruire completamente il trasformatore. Ciò significa che gli utenti devono comprendere i processi di invecchiamento di questi materiali per poter effettuare una valutazione valida della durata utile generale e residua dei trasformatori.

Negli ultimi 40 anni la progettazione e la tecnologia dei trasformatori hanno subito notevoli cambiamenti. Ciò rende più difficile valutare l’invecchiamento di un trasformatore, poiché l’invecchiamento dipenderà dal comportamento dei nuovi materiali e dei fluidi isolanti alternativi. Tuttavia, gli attuali parchi di trasformatori sono ancora costituiti da sistemi isolati con materiali tradizionali quali cellulosa e olio minerale. Gli utenti devono anche presumere che le valutazioni “standardizzate” (ad esempio le guide di carico IEC e IEEE) siano, per loro natura, inaffidabili. Queste guide non prendono in considerazione le specificità della progettazione del trasformatore, dei materiali o delle modalità operative. In questo senso, non esiste un “trasformatore” ideale.

La sola comprensione del comportamento di invecchiamento di questi materiali non è sufficiente per determinare le condizioni specifiche di un trasformatore. I materiali isolanti sopra menzionati svolgono tutti un ruolo importante. Ci sono altre influenze da considerare. Tra queste influenze rientrano l’invecchiamento degli acceleratori, la progettazione dei trasformatori e la storia della DGA. L’aggiunta di una gamma completa di fattori rende la valutazione dell’invecchiamento di un dato trasformatore ancora più complessa e richiede un approccio integrato. Qualsiasi metodo basato su un singolo valore, ad esempio sul grado di depolimerizzazione, è di scarsa utilità, soprattutto se tale valore è ottenuto dall’analisi del furano.

Questa guida a un approccio integrato ti aiuterà a valutare tutti gli aspetti seguenti: valutazione dei singoli fattori, degli acceleratori, delle condizioni operative e dell’influenza sulle diverse tipologie di trasformatori.

Profilo di invecchiamento

In letteratura si presuppone spesso che l’invecchiamento sia un processo lineare. Tuttavia, ciò contraddice l’esperienza effettiva sul campo, che ha dimostrato che l’invecchiamento è in realtà non lineare. Il processo di invecchiamento è attivato da una serie di acceleratori che si alimentano reciprocamente.

Il grafico seguente illustra questo processo non lineare:

Il grafico mostra le tendenze di vari fenomeni chimici e fisici generati con l’invecchiamento del trasformatore. Il concetto chiave è rappresentato dalla linea verde del diagramma, che rappresenta quella che potremmo definire la sostanza residua. Questa traiettoria parabolica si ripete più volte nelle valutazioni dell’invecchiamento dei trasformatori e nega la presunzione di un processo di invecchiamento lineare.

Può essere utile sostituire il termine “durata residua” con “sostanza residua”. La durata è relativa e dipende dalle condizioni di servizio e da altri fattori. La sostanza residua è simile al contenuto dell’acqua in una bottiglia. Può essere consumato rapidamente, lentamente o addirittura conservato attivamente. Applica questo principio a ogni trasformatore per ottimizzarne la durata.

I trasformatori sono le risorse più “subdole” di un impianto. Un trasformatore che entra nell’intervallo “C” (Figura 1) potrebbe anche non guastarsi affatto. Esistono molti casi in cui i trasformatori sono rimasti in funzione per diversi anni dopo essere entrati in questo stato di fine vita (EOL). Tuttavia, quando un trasformatore raggiunge questo stadio, le sue prestazioni future potrebbero non essere più stimabili in modo affidabile.

Dal punto di vista dell’operatore responsabile, il trasformatore è ormai oltre l’usabilità e la valutabilità. A questo punto, si tratta di una “scommessa” in cui ogni giorno in più è una sorta di bonus. Molti operatori accettano questa scommessa e, in determinate condizioni, questo azzardo può anche essere considerato appropriato. Ma il rischio complessivo dovrebbe rimanere un rischio calcolabile, compresa la forte probabilità di incendio in caso di guasto catastrofico. In questa fase è importante monitorare costantemente il trasformatore.

Velocità di invecchiamento

I trasformatori invecchiano in modi e con ritmi diversi. Ciò è dovuto all’interazione dei diversi acceleratori dell’invecchiamento.

Acceleratori

• Temperatura—Come in tutti i processi chimici, il processo di invecchiamento nel sistema olio/cellulosa è accelerato dalla temperatura. Tuttavia, questo effetto non è lineare. Al di sotto di una temperatura dell’olio di 50 °C, non si verifica praticamente alcun invecchiamento dovuto a cause termiche.
• Ossigeno—L’ossigeno svolge il suo compito esattamente come in qualsiasi altro luogo, ossidando sia i materiali isolanti organici sia l’olio.
• Acido—L’interazione chimica tra i materiali cellulosici, l’olio e l’ossigeno, produce vari acidi organici che, a loro volta, accelerano la degradazione della cellulosa.
• Acqua— Di recente si è scritto molto sul ruolo dell’acqua come acceleratore dell’invecchiamento. È anche vero che durante la degradazione della cellulosa si produce acqua. Tuttavia, la maggior parte dell’acqua proviene dall’esterno del trasformatore, principalmente attraverso perdite causate dalle differenze nel gradiente di umidità relativa all’interno e all’esterno del serbatoio del trasformatore.

Nei prossimi articoli spiegherò come gestire questi acceleratori di invecchiamento e come la durata utile del trasformatore possa essere migliorata adottando misure appropriate.

Progettazione del trasformatore

La progettazione di un trasformatore ha un’influenza notevole sulla sua durata utile, sulla formazione degli acceleratori di invecchiamento e sui loro effetti. Una progettazione sfavorevole può portare a una condizione di EOL molto più rapidamente di quanto possa fare l’impatto quotidiano degli acceleratori sul processo di invecchiamento.

Le differenze nella progettazione possono anche determinare differenze nel comportamento durante l’invecchiamento. Pertanto, quando si valutano le condizioni del trasformatore, è necessario tenere conto anche della sua progettazione. Due trasformatori con dati di targa identici, ma realizzati da produttori diversi, difficilmente presenteranno lo stesso comportamento di invecchiamento. Molto probabilmente, il loro comportamento durante l’invecchiamento sarà molto diverso.

Regola di Montsinger

La correlazione o regola stabilita da Montsinger afferma che ogni aumento di 6 °C della temperatura comporta il raddoppio del tasso di invecchiamento dei macchinari. Ai fini pratici si può tranquillamente utilizzare un aumento di 10 °C. Inoltre, non c’è praticamente alcun invecchiamento causato dal calore al di sotto della temperatura di 50 °C. Tuttavia, singoli componenti del sistema potrebbero benissimo superare questa temperatura. È qui che potrebbe verificarsi un invecchiamento accelerato. Gli indicatori che confermano questo effetto si possono solitamente trovare nella DGA. In ogni caso, l’esperienza ha dimostrato che la regola di Montsinger è realistica e affidabile.

Riepilogo e prospettive

In questo articolo si esamina solo il comportamento di invecchiamento dei trasformatori classici con sistemi di isolamento in olio/cellulosa. Tali trasformatori costituiscono ancora la maggioranza delle popolazioni di trasformatori in tutto il mondo. Inoltre, ci sono unità molto vecchie in questo gruppo, alcune delle quali sono in funzione da 50 anni o più. Ciò pone un dilemma per l’operatore: stabilire se queste vecchie unità siano ancora sicure da utilizzare e qual è il modo migliore per procedere alla sostituzione del parco dei trasformatori.

Ciò che è certo è che l’età da sola non è un criterio per la sostituzione. Ciò è evidente dalle diverse condizioni dei vecchi trasformatori, che possono variare da EOL o vita residua “zero” fino ad altri 20 anni di vita.

Le coorti di popolazioni di trasformatori anziani e ultra-anziani richiedono una mappatura estesa e un approccio di valutazione integrato per garantire che siano gestiti correttamente. Ciò che si dovrebbe evitare è l’eliminazione graduale di unità stabili e utilizzabili semplicemente a causa della loro età, perdendo inaspettatamente trasformatori più giovani e progettati in modo inadeguato. Ciò comprometterebbe l’affidabilità dell’approvvigionamento energetico, mentre i pochi fondi disponibili per il reinvestimento verrebbero spesi nel modo sbagliato.

Nel mio prossimo articolo, tratterò di come la temperatura e l’acqua influenzano l’invecchiamento dei trasformatori.

Hai qualche domanda?

Mandaci un’email