L’analisi dei gas disciolti consente di rilevare i difetti dei trasformatori in una fase precoce del loro sviluppo, la natura prevista del difetto e il grado di danno esistente. Le condizioni del trasformatore vengono valutate confrontando i dati quantitativi ottenuti dall’analisi con i valori limite di concentrazione dei gas e con il tasso di crescita della concentrazione dei gas nell’olio. Questa analisi per i trasformatori con tensione pari o superiore a 110 kV deve essere effettuata almeno una volta ogni 6 mesi.
Perché l’analisi dei gas disciolti è importante
L’olio del trasformatore funge da efficace mezzo diagnostico per valutare le condizioni del trasformatore. Durante il normale funzionamento del trasformatore, piccole quantità di gas si dissolvono nell’olio isolante a causa dell’invecchiamento dell’isolamento interno e di altri fenomeni.
Per diagnosticare i guasti in fase di sviluppo nei trasformatori di potenza, vengono utilizzati diversi criteri: criteri di concentrazione limite, tassi di crescita della concentrazione di gas e rapporti tra coppie e gruppi di gas. Il metodo della concentrazione limite si basa sulla determinazione del momento in cui i valori di concentrazione del gas superano determinate soglie, segnalando la presenza di guasti che potrebbero potenzialmente causare il malfunzionamento delle apparecchiature. Anche il tasso di aumento della concentrazione del gas può indicare l’urgenza di un guasto in fase di sviluppo. Se l’aumento relativo della concentrazione del gas supera il 10% al mese, il guasto è considerato in rapido sviluppo. Il tipo di guasto viene ulteriormente classificato in base ai rapporti tra le diverse coppie di gas. Questi rapporti aiutano a distinguere tra guasti termici ed elettrici. I difetti termici includono problemi quali cortocircuiti, surriscaldamento dell’isolamento, dei contatti, delle boccole e di altre strutture metalliche nel serbatoio del trasformatore. I guasti elettrici si riferiscono a scariche di intensità variabile. Naturalmente, lo sviluppo del guasto potrebbe essere una combinazione di entrambi i tipi.
Gli standard riconosciuti a livello globale, tra cui IEC 60599-2015 e IEEE C57.104-2019, delineano le metodologie per l’interpretazione dei risultati dell’analisi dei gas disciolti. Questi standard si basano su set di dati storici e sulla convalida da parte di esperti per stabilire parametri di riferimento per la diagnosi dei guasti. Un principio fondamentale è l’uso dei rapporti gassosi, che comportano il confronto delle concentrazioni relative dei gas chiave.
Approcci diagnostici all’analisi dei gas disciolti
I metodi diagnostici per l’identificazione dei guasti dei trasformatori attraverso l’analisi dei gas disciolti hanno caratteristiche e applicazioni distinte. Le opzioni più diffuse includono il metodo Key Gas (KGM), il metodo Doernenburg Ratio (DRM), il metodo Rogers Ratios (RRM), il metodo IEC 60599 Ratio (IRM), il metodo Duval Triangle (DTM) e il metodo Duval Pentagon (DPM). Ciascuno di questi metodi si basa sull’interpretazione dei gas disciolti nel liquido dielettrico per rilevare e classificare potenziali problemi.
Il metodo Key Gas si concentra sull’identificazione dei guasti attraverso l’analisi delle concentrazioni specifiche di gas. Ogni gas funge da indicatore di un particolare tipo di guasto all’interno del trasformatore. Ad esempio, l’idrogeno (H₂) è comunemente associato a scariche elettriche, come scariche parziali o scintille, che possono derivare da guasti all’isolamento o da collegamenti elettrici impropri. Il monossido di carbonio (CO) è un indicatore chiave del surriscaldamento dell’isolamento in carta, che spesso deriva dal calore eccessivo generato durante il funzionamento del trasformatore.
L’etilene (C₂H₄) viene tipicamente prodotto durante la degradazione termica dell’olio del trasformatore quando esposto a temperature elevate. Ciò può verificarsi a causa di punti caldi all’interno del trasformatore causati da sovraccarico o riscaldamento localizzato. L’acetilene (C₂H₂), d’altra parte, è un chiaro indicatore di scariche elettriche ad alta energia, come gli archi elettrici, che possono danneggiare gravemente l’isolamento e altri componenti interni.
Il metodo del rapporto di Doernenburg migliora la precisione esaminando i rapporti tra coppie specifiche di concentrazioni di gas. Confrontando idrogeno, metano (CH₄), etano (C₂H₆) ed etilene, questo approccio distingue tra decomposizione termica e scariche elettriche, rendendolo prezioso per distinguere tra i diversi tipi di guasti.
Il metodo Rogers Ratios affina ulteriormente questa analisi valutando i rapporti dei gas su tre coppie specifiche. Identifica i guasti associati al degrado termico a vari intervalli di temperatura (al di sotto di 572 °F, tra 572 °F e 1294 °F e al di sopra di 1294 °F), rilevando al contempo i processi di invecchiamento e gli eventi di scarica.
Analogamente, il metodo del rapporto IEC 60599 si concentra sui rapporti dei gas per classificare guasti quali scariche a bassa e alta energia e difetti termici all’interno degli stessi intervalli di temperatura. Questo metodo offre un approccio standardizzato, rendendolo particolarmente utile per la diagnostica internazionale.
Il metodo del triangolo di Duval semplifica l’interpretazione dei tipi di guasto utilizzando le concentrazioni di metano, etilene e acetilene. Tracciando questi valori su un diagramma triangolare, questo metodo distingue visivamente tra guasti quali surriscaldamento, scariche parziali e archi elettrici. È molto apprezzato per la sua affidabilità nella diagnosi dei problemi di isolamento dei trasformatori.
Il metodo Duval Pentagon si basa su questo concetto incorporando due gas aggiuntivi, idrogeno e metano, per fornire un’analisi più completa. Questo metodo include gli effetti dell’invecchiamento naturale dell’isolamento, offrendo una visione più approfondita delle condizioni del trasformatore. Tuttavia, richiede un’ulteriore convalida e perfezionamento per ottenere un’adozione diffusa.
Tra questi metodi, il triangolo di Duval è considerato il più affidabile per identificare i guasti nell’isolamento. Sebbene il pentagono di Duval offra una prospettiva più ampia, includendo anche i fattori di invecchiamento, la sua applicazione pratica è ancora in fase di studio.
Il triangolo di Duval
Uno degli strumenti diagnostici più utilizzati nell’analisi dei gas disciolti è il triangolo di Duval, che si concentra su tre gas: metano (CH₄), acetilene (C₂H₂) ed etilene (C₂H₄). Per utilizzare il triangolo di Duval, le concentrazioni di gas vengono prima convertite in percentuali che sommate danno 100%. Questi valori vengono poi riportati su un diagramma triangolare, dove la posizione del punto rivela la natura del guasto. Il diagramma è suddiviso in zone distinte, ciascuna corrispondente a un particolare tipo di guasto, come il surriscaldamento termico o le scariche elettriche. Ogni gas viene tracciato lungo un asse in un grafico triangolare.
Gas chiave e indicatori di guasto
Alcune combinazioni di gas fungono da indicatori di problemi specifici:
- Idrogeno (H₂): indicatore primario delle scariche parziali.
- Metano (CH₄): associato a faglie a bassa energia.
- Acetilene (C₂H₂): Indica un arco elettrico ad alta energia.
- Etilene (C₂H₄): indica un surriscaldamento dell’olio o dei conduttori.
- Monossido di carbonio (CO) e anidride carbonica (CO₂): indicatori del degrado dell’isolamento solido, in particolare della cellulosa.
Ad esempio, livelli elevati di CO₂ e CO indicano spesso un degrado termico dell’isolante in cellulosa, specialmente quando la loro concentrazione combinata supera l’1%.
