Per la diagnosi della criticità “Acqua nel trasformatore (carta o olio)”, Sea Marconi impiega la propria metrica diagnostica, nella fattispecie:
si interpretano i segni visuali sul trasformatore (e quelli da eventuale ispezione interna);
mediante l’analisi dell’olio e delle carte (se disponibili a seguito di ispezione interna) si identificano i sintomi e si valutano i co-fattori. Uno di questi è senz’altro la temperatura, sia quella di campionamento sia quella ambientale. Parallelamente è necessario valutare il degrado dell’olio, il tipo di olio (tra paraffinici e naftenici ci sono gradi di solubilità diverse, cosa ancor più evidente per gli esteri naturali, che possono arrivare a solubilizzare fino a 10 volte di più rispetto agli oli minerali) e la concentrazione ed il tipo di additivi.
Il limiti raccomandati dalla IEC 60422 relativamente all’acqua in olio per un trasformatore appena riempito e prima dell’energizzazione sono:
Sempre la stessa norma a pag. 28 indica i limiti raccomandati di acqua in olio per un trasformatore in esercizio:
Partendo dai risultati analitici della prova “acqua in olio”, ci sono diversi metodi (con differenti livelli di precisione) per valutare lo stato di idratazione della cellulosa, cioè l’acqua assorbita dalle carte. Innanzitutto occorre distinguere fra metodi diretti, che prevedono l’analisi di campioni di carte prelevati da ispezione interna, e metodi indiretti, attraverso formule matematiche e diagrammi.
La norma tecnica IEC 60422 ad esempio consente (vd. tabella poco sotto) di stimare le condizioni di umidità dell’isolante solido (carte). Per ottenere questa stima occorre calcolare (vd. formule sotto) la saturazione dell’acqua in olio, cioè la concentrazione massima di olio che può solubilizzarsi nell’olio ad una certa temperatura.
Dopo aver calcolato la saturazione dell’acqua in olio in termini percentuali, grazie alla tabella sotto (Table A.1 – IEC 60422 ed. 4-2013) è possibile ottenere una stima dell’umidità delle carte: carte asciutte, moderatamente umide, umide, estremamente umide.
Ad integrazione è possibile utilizzare le diverse curve di equilibrio (curve di Fabre-Pichon, 1960; curve di Oommen, 1983; curve di Griffin, 1988; curve di Koch, 2005). Si tratta di diagrammi elaborati sulla base di diverse casistiche applicative che consentono di predire scientificamente la quantità media di acqua assorbita nelle carte in funzione della temperatura media esercizio. Successivamente, conoscendo il peso totale della carta e dell’olio, è possibile fare un bilancio di massa dell’acqua totale presente nel trasformatore, sia nella carta sia nell’olio.
In alternativa alla determinazione indiretta appena descritta, esiste anche la possibilità di impiegare una metodologia diretta.
In presenza di un campione di carta impregnata da olio, attraverso un protocollo specifico che prevede l’estrazione dell’acqua stessa mediante un gas carrier (ad esempio azoto caldo), è possibile determinare la quantità di acqua nella carta. L’acqua estratta viene determinata con il metodo quantitativo di Karl Fisher (metodo IEC 60814). Questa concentrazione (mg/kg) consente di calcolare la percentuale di acqua rispetto alla massa del campione di carta in analisi.
Sea Marconi ha recentemente impiegato questa metodica per un importante costruttore di trasformatori internazionale. La misura dell’umidità delle carte ha permesso di comprendere meglio il processo di essiccazione del trasformatore e ottimizzare l’intero processo produttivo
grazie alla banca dati si studia l’anamnesi familiare o soggettiva (alla ricerca ad esempio di difetti e/o guasti su macchine gemelle);
si prendono in esame e si monitorano i fattori di incertezza, la velocità e l’evoluzione nel tempo (trend) degli indicatori sintomatici durante la fasi del ciclo di vita; a questo scopo è importante svincolarsi dalla temperatura di campionamento (che cambia a in relazione al profilo operativo) rinormalizzando l’esito analitico dell’acqua in olio alla temperatura di 20 °C [vd. IEC 60814]. Questo calcolo si esegue impiegando la formula [mettere formula] pag. 13 (IEC 60422) con fattore correzione (vd. fig. 1 pag. 41 IEC 60422).
in base alla valutazione di questi fattori chiave la criticità specifica viene classificata in termini di tipo e priorità, definendo allo stesso tempo tipo e priorità delle azioni correttive.
la temperatura è un fattore chiave nei processi di degrado dei materiali isolanti carte e olio. Alcuni sensori di temperatura (fibre ottiche interne o da sensori esterni posti in punti rappresentativi) possono monitorare il trasformatore durante il suo ciclo di vita. Questi dati, modellizzati attraverso uno specifico “algoritmo di profilo operativo”, consentono di diagnosticare più efficacemente la situazione in atto e predirne l’evoluzione futura (prognosi) per prevenire e mitigare criticità specifiche.
Esempio reale
Tensione: 400 kV, Potenza: 250 MVA
Massa olio: 50.000 Kg di olio minerale a base paraffinica non inibito
Massa carta: 2.500 kg
Tipo carta: carta kraft non TU
Raffreddamento: ONAF
Severità ambientale: normale , clima temperato altezza (slm) 250 m, piano terra
acidità totale di 0,25 mgKOH/golio (valore “poor” rispetto a tab. 5 IEC 60422),
colore= 6 dark (valore “poor” rispetto a tab. 5 IEC 60422)
Acqua nella carta
L’acqua nella carta del trasformatore a nuovo era < 0,5 %. La quantità di acqua in olio per un trasformatore nuovo deve essere < di 10 mg/Kg a 40 °C.
Rinormalizzato a 20 °C sono 4,5 mg/Kg di acqua nell’olio quindi 0,225 Kg di acqua nell’olio del trasformatore dell’esempio (4,5 mg/Kg x 50.000 Kg = 225.000 mg = 0,225 Kg).
12,5 Kg di acqua nella carta iniziale
Quindi si ha un rapporto di 55,5, ciò significa che per ogni kg di acqua in olio corrispondono 55 Kg di acqua nella carta
Acqua nell’olio
Acqua in olio = 40 mg/Kg campionata a 40 °C. Quel valore corretto a 20 °C diventa 18 mg/Kg, ciò significa che su una massa d’olio di 50.000 Kg, ci sono 0,9 Kg di acqua disciolta nell’olio (18 mg/Kg x 50.000 Kg = 900.000 mg = 0,9 Kg)
Quindi, passando da 0,225 Kg a 0,9 Kg, il valore dell’acqua in olio è aumentato del 400%!
La carta isolante ha senz’altro in atto un processo di degrado: inizialmente aveva una massa di 2.500 kg ed è passata a 1.875 kg.
Grazie alle curve di equilibrio di T. V. Oommen, si stima una saturazione relativa di acqua in olio circa del 5%, definita dalla IEC “extremely wet“.
Queste ultime due informazioni ci permettono ricavare il contenuto di acqua nelle carte: 93 Kg (1.875 Kg x 5/100)
Riassumendo, si avrebbe 0,9 Kg di acqua nell’olio e 93 kg di acqua nella carta
Si evince quindi che nell’esempio reale il rapporto di acqua in olio/acqua nelle carte per un trasformatore nuovo è 1 a 55, adesso è praticamente raddoppiato, per ogni kg di acqua in olio ci sono circa 100 Kg di acqua nelle carte
Il DP di questo trasformatore si è ridotto in 35 anni da 1000 a 200, inteso come valore medio, che corrisponde convenzionalmente alla fine della vita termica. Parallelamente si stima una perdita di massa della carta del 25%, il suo peso è infatti passato da 2.500 Kg iniziali a 1.875 Kg.
