Rilevare l'umidità nell'olio

Powercor Australia è il più grande distributore di energia elettrica di Victoria. Powercor ha eseguito un programma di monitoraggio dell'umidità in linea sui trasformatori utilizzando sonde di umidità nell'olio installate in modo permanente e portatili, incluso il misuratore di umidità Vaisala HUMICAP® MM70. La scarsa qualità dell'olio può comportare bassa rigidità dielettrica e persino guasti. Il trattamento o la sostituzione dell'olio può risolvere la maggior parte dei problemi di qualità dell'olio, tuttavia nel caso di umidità trattenuta nell'isolamento in carta e nelle strutture di supporto degli avvolgimenti, il recupero di umidità avviene rapidamente. Il monitoraggio dell'umidità fornisce un modo per tenere traccia di questo recupero e l'essiccazione in linea consente di gestire l'umidità nell'olio in modo da mantenere il margine dielettrico dell'olio.

Misurazione dell'umidità in olio

Le sonde di umidità misurano due grandezze:

1. Aw - attività dell'acqua, una saturazione relativa dell'umidità disciolta "attiva", frazione da 0 a 1.
2. T - temperatura dell'olio in gradi Celsius.

Le sonde hanno anche un algoritmo integrato opzionale che fornisce un'uscita in ppm. La nuova formula dell'olio è l'impostazione di default di fabbrica e altre possono essere programmate, se note. In generale, i valori in ppm delle sonde sono inferiori a quelli dei test Karl Fischer (KF) per determinare il contenuto di acqua dei campioni di olio. Ciò è probabilmente dovuto alla presenza di acqua negli articoli usati nei test di Karl Fisher. I risultati di saturazione relativa dell'umidità Karl Fisher sono definiti come "Rs" di seguito. Tutti i trasformatori a cui si fa riferimento qui sono a forma di nucleo 66/22 kv.

Monitoraggio dell'umidità con sonde permanenti

Dodici trasformatori Powercor sono stati dotati di sonde permanenti. Ciascuno fornisce due uscite analogiche al sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), ppm e temperatura. I trasformatori selezionati per il monitoraggio erano quelli con noti problemi di qualità dell'olio, in genere piuttosto vecchi e in alcuni casi con carichi pesanti. La maggior parte è stata oggetto di rigenerazione o sostituzione dell'olio negli ultimi tempi. La posizione preferita per la sonda dove i trasformatori hanno le batterie dei radiatori staccate è la valvola di scarico inferiore della tubazione dell'olio di ritorno dal radiatore al serbatoio principale. Questo colloca la sonda nel flusso dell'olio dal termosifone del trasformatore. Laddove i banchi di radiatori non sono staccati, la posizione scelta è stata una delle valvole di scarico del radiatore inferiori per ragioni simili. Le sonde hanno una guarnizione di tipo scorrevole, il che significa che possono essere installate molto semplicemente attraverso la valvola di scarico senza interruzioni.

Figura 1: variazione di umidità, trasformatore ONAN da 10 MVA. La figura 1 del trasformatore ONAN da 10 MVA mostra l'effetto di un aumento del carico e di una giornata calda. Notare come l'umidità abbia raggiunto il picco a 60 ppm e il recupero non sia avvenuto per diversi giorni. L'ultimo livello di umidità KF del campionamento dell'olio era di 30 ppm. Un carico elevato sostenuto durante la stagione calda su questa unità potrebbe portare ad eccessiva umidità e, di conseguenza, ad un margine dielettrico basso. Il monitoraggio in linea ha dimostrato che questa unità potrebbe essere soggetta a disidratazione.

Figura 2: esempio di confronto dell'umidità (SCADA) - La scala è in ppm. La connessione SCADA permanente consente di effettuare confronti tra unità sorelle che condividono lo stesso carico e le stesse condizioni. Il trasformatore che mostra i livelli di umidità più bassi è stato sottoposto ad essicazione in forno circa cinque anni prima.

Figura 3: recupero dell'umidità dopo il rabbocco di olio nuovo. La scala è in ppm/° C. Nella figura 3, un trasformatore ONAF da 20 MVA, volume olio 17000 litri, il cambio olio è stato completato il 28 ottobre 2005 e l'appaltatore ha campionato l'olio a 11 ppm (KF). In pochi giorni i dati della sonda
hanno rivelato che i livelli di umidità erano stati recuperati e variavano da 16 a 37 ppm.

Sonde portatili

Sono diventate disponibili anche sonde portatili e Powercor ne ha ottenute tre da Vaisala. Finora sono state utilizzate su 20 trasformatori. Queste sonde hanno un'alimentazione a batteria e memoria sufficiente per memorizzare i dati a intervalli di lettura orari per circa 30 giorni, che è circa la durata della batteria. Ancora una volta, le posizioni scelte sono generalmente valvole di scarico del radiatore per garantire un flusso di olio oltre la sonda. Queste sonde portatili assicurano flessibilità in quanto è possibile monitorare un numero elevato di siti. Una sonda può essere installata e programmata per registrare i dati in pochi minuti. È necessario recarsi una seconda volta al sito per scaricare i dati, cancellare la memoria per il successivo ciclo di registrazione ed eventualmente ricaricare la batteria.

Figura 4: regolatore bassa umidità -66 KV. Nella figura 4, un campione di olio ha mostrato un'umidità inaspettatamente elevata ed un basso dielettrico, KF di 43 ppm a 22 C (Rs =0,7) Dielettrico = 36 kV. Questo è stato inaspettato poiché l'unità era stata essiccata in forno di recente. Una sonda portatile è stata installata rapidamente e i dati hanno mostrato bassi livelli di umidità. Un secondo campione di olio lo ha confermato - KF di 9 ppm a 15C (Rs = 0,2) Dielettrico = 82 kV. Il campione di olio iniziale era probabilmente contaminato.

Figura 5: drastica riduzione dell'umidità.

La figura 5 è relativa ad un trasformatore ONAF da 10/18 MVA. La riduzione dell'umidità ha coinciso con la messa in funzione di un nuovo trasformatore nella stazione, che ha ridotto notevolmente il carico su questa unità. In sintesi, le sonde portatili forniscono un mezzo molto conveniente ed economico per monitorare qualsiasi trasformatore dotato di valvole nelle posizioni appropriate.

I trasformatori sprovvisti di tali raccordi potrebbero anche essere dotati di sonde nelle valvole di scarico o di campionamento del serbatoio principale. Tuttavia, senza un flusso di olio sulla sonda, i risultati potrebbero essere imprecisi o non rappresentativi della massa d'olio generale. L'essiccazione con unità a setaccio molecolare Powercor ha due essiccatori in linea a setaccio molecolare. Queste unità sono montate su carrello e rimuovono l'umidità semplicemente pompando l'olio attraverso cartucce filtranti contenenti il materiale del setaccio molecolare.

Sono dotate di un'unica sonda di umidità, in grado di monitorare sia l'olio in entrata che in uscita. Questo è determinato dalla posizione di una valvola di bypass. Quando l'umidità dell'olio in uscita è uguale (o superiore) all'umidità dell'olio in ingresso, le cartucce filtranti potrebbero aver raggiunto la saturazione, indicando che devono essere sostituite. Ogni cartuccia può teoricamente contenere un litro d'acqua e vi sono quattro cartucce per essiccatore. Le cartucce sono piuttosto costose e al momento non sono disponibili opzioni di riciclaggio. Queste unità sono progettate per prelevare l'olio in ingresso dal serbatoio principale nella parte inferiore e restituire l'olio al conservatore.

Questo design ha il vantaggio di evitare problemi con il relè Buchholz (relè di pressione improvvisa) nel caso in cui l'aria penetri nel sistema. Ha lo svantaggio di esporre l'olio appena essiccato allo spazio di testa del conservatore. Nel caso di Powercor, questo spazio di testa è aperto all'atmosfera. Finora questi essiccatori sono stati utilizzati su nove trasformatori; di seguito è riportato un riepilogo dei risultati.

Tabella 1: risultati dell'essiccatore a setaccio molecolare di alcuni trasformatori

Nota: i parametri dell'olio provengono da campioni di olio (ad esempio test KF e di rottura dielettrica) ad eccezione dei parametri dell'olio "S3" e "L2" successivi, che provengono dalle sonde. L'umidità rimossa stimata si basa sul numero di sostituzioni della cartuccia e sulle letture dell'umidità dall'ingresso e dall'uscita dell'essiccatore. Sebbene le cartucce filtranti abbiano una capacità nominale di un litro, si è ritenuto che, con la riduzione del contenuto di umidità, avrebbero smesso di rimuovere l'umidità ad un livello inferiore. A riprova di ciò, sono stati allestiti contenitori di pesatura e le cartucce sono state pesate immerse nell'olio quando erano nuove e di nuovo quando erano "piene". Il risultante aumento di peso medio è stato di 641 grammi, indicando un contenuto di umidità di 0,641 litri. È stato stimato che ogni set di filtri rimuove 2,6 litri di umidità a livelli di umidità di 10-20 ppm. È stato inoltre riscontrato che le prestazioni dell'essiccatore miglioravano notevolmente con l'aggiunta di una rondella di tenuta supplementare nella disposizione di bloccaggio del filtro. Gli essiccatori non sono stati fatti funzionare continuamente, ma sono stati spenti per dei periodi di tempo per permettere il recupero dei livelli di umidità. Una regola empirica per decidere quando interrompere il filtraggio era quando i livelli di umidità rimanevano costanti a meno di 20 ppm o 0,2 Aw. Le sonde di monitoraggio Vaisala si sono rivelate preziose per valutare questo aspetto.

Figura 6: monitoraggio dell'essiccazione. La Figura 6 mostra i dati di una sonda permanente sul trasformatore "L2" durante l'essiccazione per un periodo di 10 mesi. Notare la riduzione dell'umidità dall'essiccatore, seguita dal recupero dell'umidità quando viene raggiunto un nuovo equilibrio tra l'umidità nella cellulosa e l'umidità nell'olio. Si noti inoltre che con la riduzione dei livelli di umidità, si riduce anche il grado di variazione dell'umidità durante ogni ciclo di carico giornaliero.

Filtro essiccatore di carta

Powercor ha recentemente acquistato un altro essiccatore in linea dotato di filtro di carta. Questa unità rimuove l'umidità pompando l'olio assialmente attraverso un rotolo di carta da filtro. L'umidità migra dall'olio alla carta finché la carta è più asciutta dell'olio. L'unità è dotata di un sistema controllato da un PLC (Programmable Logic Controller) piuttosto sofisticato in grado di asciugare nuovamente il filtro di carta dopo ogni ciclo di filtraggio. L'unità è dotata di sonde di umidità sull'ingresso e sull'uscita dell'olio e dispone di una funzione di registrazione dei dati e monitoraggio remoto. L'essiccatore è dotato di un dispositivo per trattenere l'umidità in modo che l'umidità effettiva rimossa possa essere raccolta.

Questa unità ha il vantaggio di una durata del filtro molto più lunga rispetto alle unità a setaccio molecolare. L'essiccatore è collegato con l'olio in ingresso prelevato dalla valvola di scarico inferiore del serbatoio principale e l'olio in uscita inviato alla valvola di scarico dell'olio superiore. Finora sono state effettuate essiccazioni su tre trasformatori e la quarta è in corso. Tabella 2: risultati dell'essiccatore con filtro di carta.

Nota: i parametri dell'olio provengono da campioni di olio (ad esempio test KF e di rottura dielettrica). Poiché queste essiccazioni sono recenti, il monitoraggio dell'olio di follow-up non è stato ancora effettuato. Si prevede un certo recupero dei livelli di umidità. Questo essiccatore può anche funzionare in modalità "analisi", per cui il filtro viene bypassato e l'olio viene fatto circolare e monitorato da una delle sonde di umidità. Ciò fornisce monitoraggio e capacità di essiccazione. Figura 7: dati di filtraggio tipici. Nota: la scala dell'asse sinistro (Aw) è compresa tra 0 e 0,250; la scala dell'asse destro (temperatura olio in ingresso) è compresa tra 0 e 45 °C. Questo esempio mostra il caratteristico motivo a dente di sega quando il filtro si riempie di umidità e viene nuovamente asciugato. Notare la costante riduzione dell'umidità dell'olio in ingresso. Il tempo di filtraggio in questo esempio è stato impostato su un valore maggiore del necessario (12 ore) poiché l'umidità in uscita supera l'umidità in ingresso.

Sforzo costante richiesto

Il monitoraggio in linea dell'umidità può fornire un valido strumento di monitoraggio delle condizioni per i trasformatori che presentano problemi di umidità e anche per rivelare i trasformatori che possono avere problemi di umidità non rilevati dal campionamento dell'olio di routine. Un'osservazione comune è che un singolo evento di forte sovraccarico termico può aumentare rapidamente l'umidità nei livelli di olio poiché l'umidità viene espulsa dalla cellulosa e, significativamente, il ritorno dell'umidità ai livelli precedenti può richiedere un periodo di tempo piuttosto lungo. Tuttavia, il monitoraggio da solo non è sufficiente per risolvere il problema. È l'azione intrapresa derivante dal monitoraggio che può fornire un miglioramento delle condizioni. L'essiccazione in linea di solito offre un rapido miglioramento della qualità dell'olio, ma questo miglioramento potrebbe non essere permanente. Il monitoraggio successivo è prudente e spesso comporterà l'esecuzione di un altro ciclo di essiccazione. Un'efficace essiccazione in linea richiede uno sforzo prolungato che può durare per molti mesi.

L'articolo è stato pubblicato per la prima volta su Vaisala News 175 / 2007 (Colin Feely Plant Maintenance Engineer Powercor Ltd Melbourne, Australia).

Scarica l'e-book Power: ti invitiamo a scaricare un e-book ed esplorare l'offerta di strumenti e servizi Vaisala Power.