Utilizzo del monitoraggio DGA online per assicurare il funzionamento sicuro di un trasformatore alla fine della sua vite utile

Questo case study analizza il rilevamento di guasti gravi, nonché il processo e la procedura di monitoraggio generale durante gli ultimi mesi di funzionamento di un vecchio trasformatore, prossimo quindi alla fine del suo ciclo di vita. Lo studio dimostra come un gestore della rete elettrica sia stato in grado di utilizzare il monitor DGA online di Vaisala per monitorare sistematicamente, quindi rimuovere e sostituire il trasformatore prima che si verificasse qualsiasi tipo di guasto operativo grave o prima di esporre il personale a rischi per la sicurezza. Inoltre, il caso fornisce approfondimenti su quanto sia importante mantenere il buon funzionamento di un trasformatore fino alla fine del ciclo di vita, dimostrando il ritorno sull'investimento di un monitor DGA online.

Caso

Si tratta del caso di un gestore della rete elettrica degli Stati Uniti meridionali e riguarda un trasformatore di trasmissione da 100 MVA dotato di un autotrasformatore preventivo, prodotto da Pennsylvania Transformer nel 1958. Era dotato di un rivestimento di azoto con isolamento di olio minerale e disponeva di un sistema di raffreddamento ONAN/ONAF.

Il trasformatore ha funzionato senza problemi significativi per i suoi primi 50 anni, fino al 2010, quando comparvero le prime gasazioni. La situazione rimase stabile fino al 2013, quando un evento sconosciuto causò una gasazione particolarmente degna di nota. In poche settimane l'etilene, ad esempio, passò da 35 ppm a 100 ppm.

Sulla base dei gas formatisi, inizialmente si sospettava solo un guasto ad alta temperatura nell'olio, che non era stato considerato come guasto grave, dal momento che non riguardava gli avvolgimenti del trasformatore. Poiché dall'analisi DGA non era stato riscontrato alcun aumento significativo di monossido di carbonio, biossido di carbonio o etano, il problema non riguardava la carta. Il trasformatore venne sottoposto a un follow-up DGA più frequente e la situazione si era nuovamente stabilizzata. Non venne osservata alcuna gassificazione fino alla fine del 2017, quando si è verificato un nuovo evento significativo di gassatura, che in seguito si stabilizzò nuovamente.

Nell'autunno del 2018 il trasformatore fu riposizionato e il suo olio venne degasato. Il primo campione DGA problematico nella nuova sede venne osservato nel maggio 2019. I livelli di gas continuarono ad aumentare e il trasformatore fu spento per un'ispezione più approfondita. A quel punto, si sospettava che il componente difettoso fosse l'autotrasformatore preventivo dell'LTC, che condivideva l'olio con il serbatoio principale. Tuttavia, l'ispezione al microscopio non rilevò fonti di gas visibili. Ma anche con il microscopio, il campo visivo risultava molto limitato. Dopo l'ispezione, il trasformatore fu nuovamente alimentato, ma senza carico terziario. Il livello di gas rimase basso e stabile per alcuni mesi, fino a ottobre 2019. All'inizio di febbraio 2020, il trasformatore fu nuovamente ispezionato al microscopio, mettendo in evidenza alcuni detriti chiari simili al carbonio che si erano depositati sulle superfici dell'autotrasformatore preventivo (Figura 1).

Installazione del monitor DGA online per un'analisi più approfondita

La sfida posta dall'interpretazione della gasazione e la sua gravità negli ultimi anni consisteva nel fatto che la frequenza di campionamento tra i modelli di gasazione effettivi era impossibile da raggiungere e mantenere ad un livello sufficiente per conoscere l'esatta tempistica degli eventi. Non è stato possibile dire se l'aumento dei gas fosse graduale o se si trattasse di incidenti separati. Per ottenere queste informazioni, nell'ottobre 2019 il trasformatore venne dotato di un monitor DGA online. Ciò ha consentito al team di manutenzione della rete di monitorare più da vicino la gassatura e di garantire l'uso sicuro del trasformatore fino alla sua sostituzione. Contemporaneamente, vennero prelevati campioni DGA più frequenti per valutare le prestazioni del monitor.

È interessante notare che, guardando i dati del monitor online, era chiaro che i modelli di gassificazione non avevano un aumento incrementale costante, ma iniziavano con fasi precise. Ciò suggeriva che si trattasse di incidenti separati e tale intuizione è stata ulteriormente supportata dai risultati del confronto tra gassatura e carico, che non evidenziavano alcuna correlazione. Da notare in questa analisi era che il trasformatore stava gestendo un compito di trasmissione e quindi il carico era stabile e piuttosto basso, pari solamente al 40% del valore nominale indicato sulla targhetta dati. Questi dettagli e analisi sono stati possibili perché il monitor DGA online forniva dati in tempo reale (ogni ora).

"Stavamo già pensando alla sostituzione, eravamo consapevoli di avere un problema, ma i campioni venivano prelevati ogni due settimane. In particolare, abbiamo avuto una tendenza nella gassificazione di acetilene, che si presumeva fosse associata all'autotrasformatore preventivo all'interno del trasformatore. Siamo stati in grado di dimostrare che il problema era in continuo peggioramento e doveva essere risolto il prima possibile. Una volta che la produzione di acetilene ha raggiunto un determinato valore, il dispositivo è stato rimosso".

Tecnico assistenza gestore rete elettrica

Quindi, all'inizio di gennaio 2020, il monitor DGA online mise in evidenza che il modello di gassificazione era nuovamente cambiato con un aumento continuo e accelerato della formazione di gas, una chiara indicazione che il guasto si stava evolvendo e stava diventando più grave. Sulla base di questa condizione, indice di un rischio molto elevato di guasto imminente, il gestore della rete elettrica decise di rimuovere definitivamente il trasformatore.

Diagnosi basata su DGA

Come i precedenti risultati DGA di laboratorio, i dati del monitor DGA online hanno mostrato che i livelli di CO e CO2 sono rimasti stabili durante l'intero periodo di monitoraggio (Figura 2), indicando che la carta isolante non è stata coinvolta negli eventi di guasto. Il gas dominante è sempre stato l'etilene, indice di un guasto termico. Un'analisi più dettagliata con triangoli e pentagoni di Duval ha suggerito un guasto a temperatura molto elevata, T3, solo nell'olio (Figure 3 e 4).

Negli ultimi 10 anni parte delle emissioni di gas potrebbero essere state causate da impulsi di fulmini o carico sulla linea a causa di un guasto, poiché le tempistiche coincidevano con i temporali ed è stato confermato che la linea era stata colpita. Questa ipotesi era supportata dal fatto che il lato secondario dell'autotrasformatore preventivo era collegato a una linea da 69 kV non schermata.

Tuttavia, gli eventi di gasazione, in particolare quelli più recenti che sono stati cronometrati e tracciati dal monitor DGA online, si sono verificati quando non erano presenti guasti di linea o temporali. 

Ciò indicava chiaramente che era presente un errore interno e che si stava evolvendo, e il monitor DGA online è stato lo strumento chiave per determinarlo.

Figura 3. Alcuni punti dati DGA del monitor che mostrano la porzione relativa di metano, etilene ed etano secondo il triangolo di Duval 5 durante il periodo di monitoraggio. Indicazione di guasto: guasto termico per alta temperatura, T3.

Ricerche dopo la rimozione del dispositivo

Dopo che il trasformatore è stato rimosso definitivamente, il serbatoio è stato aperto e le parti interne sono state accuratamente esaminate. Non sono stati riscontrati evidenti segni di surriscaldamento nelle principali parti attive del trasformatore, né forti scolorimenti che sarebbero stati indizi di degradazione della carta a livello degli avvolgimenti dell'autotrasformatore preventivo.

(Figura 5. Le lamine centrali dell'autotrasformatore esposte durante la ricerca. >)

I segni più significativi dell'esposizione alle alte temperature erano visibili sulle parti inferiore e centrale dei distanziatori in legno vicino al nucleo dell'autotrasformatore preventivo. Era presente una forte carbonizzazione sulle superfici interne, il che confermava che si erano verificati diversi incidenti separati, che stavano producendo gas a intervalli diversi, come mostrato nel modello di gasazione DGA nei dati di monitoraggio online (vedi figura 2).

La carbonizzazione del legno e la dominanza del gas etilene insieme all'aumento di idrogeno e acetilene erano indice di una temperatura del punto di guasto superiore a 700°C. Considerando i decenni in cui questo trasformatore è stato in servizio senza problemi termici noti, si è ipotizzato che i recenti schemi di gassificazione indicassero guasti a evoluzione relativamente rapida, presumibilmente inizialmente causati dai precedenti guasti della linea a valle.

(Figura 6. Carbonizzazione riscontrata sulle superfici dei distanziatori in legno del nucleo dell'autotrasformatore preventivo. >)

Conclusioni

Sebbene il campionamento DGA offline sia in grado di identificare potenziali guasti interni, solo gli strumenti di monitoraggio DGA online continuo possono rilevare la formazione di gas in tempo reale e rivelare i modelli di gassatura effettivi, consentendo l'identificazione e l'analisi dei guasti reali. Queste informazioni sono estremamente preziose per prendere decisioni tempestive sulle azioni di manutenzione. Tali dati sono fondamentali per i responsabili che necessitano di conoscere la vita tecnica e lo stato attuale delle risorse, in particolare se un guasto richiede interventi di manutenzione immediata, sostituzione o se è in grado di durare più a lungo. E se un dispositivo viene lasciato in servizio, anche in questo caso il team di manutenzione deve sapere in tempo reale se il suo funzionamento è sicuro, monitorando lo stato dei guasti.

In conclusione, il monitoraggio DGA online dei trasformatori prossimi alla fine della loro vita utile o nei quali si riscontrano guasti attivi in evoluzione è uno strumento chiave per garantire ai gestori della rete la tranquillità di un utilizzo sicuro di questi trasformatori, fino al momento di una loro eventuale riparazione o sostituzione.