Le modalità di guasto dei trasformatori

PROGETTAZIONE
A
di Damiano Quinci
I criteri di potezione
Le modalità di guasto
dei trasformatori
L’articolo prende in esame i diversi
tipi di guasti che si possono verificare
nei trasformatori e le precauzioni
atte a prevenire i relativi danni
La presenza dei trasformatori nelle reti di
distribuzione è dovuta essenzialmente ai seguenti motivi
- minimizzare le perdite di energia causate dall’effetto Joule; per esempio, aumentare la
tensione di un fattore pari a 10 riduce queste perdite di un fattore pari a 100 (Perdite
= R (Passorbita / U) 2),
- minimizzare le cadute di tensione (∆U R I cosϕ + X I sinϕ), sia resistiva (R) che reattiva
(X) a una data potenza trasmessa (U I cosϕ),
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- assicurare la separazione galvanica tra reti con stessa tensione (limiti di proprietà,
cambiamenti del regime del neutro, ecc.).
I trasformatori sono sottoposti a molte sollecitazioni elettriche esterne, provenienti sia
da monte che da valle, Le conseguenze di
ogni guasto possono essere pesanti, sia in
termini di danno, che di mancato funzionamento. I trasformatori devono perciò
essere protetti, da una parte, da attacchi
di origine esterna e, dall’altra, isolati dalla rete in caso di guasto interno.
Le sovratensioni esterne
I trasformatori di distribuzione sono soggetti a sovratensioni transitorie provenienti dalla rete a cui sono collegati. Queste sovratensioni
sono il risultato sia di fulminazioni dirette o
indotte sulle reti MT o BT: fulminazioni e installazioni elettriche MT, che di trasmissione
a livello di MT di sovratensioni di manovra generate dalla rete a monte.
Durante la messa fuori tensione da parte
dell’apparecchiatura situata immediatamente
a monte, le sovratensioni che possono essere
generate dall’insieme trasformatore - apparecchio di manovra - circuito di alimentazione,
porta una sollecitazione dielettrica nel trasformatore. Questa sollecitazione causa il
prematuro invecchiamento, oppure addirittura
un cedimento dell’isolamento tra le spire o verso la terra. Le condizioni più critiche si ottengono durante la messa fuori tensione di trasformatori a vuoto, con dispositivi di manovra capaci di interrompere correnti ad alta fre-
quenza, come gli interruttori in vuoto. L’utilizzo di tali apparecchi come mezzo di manovra deve essere perciò valutato con cautela.
I criteri che determinano la gravità della sovratensione per i trasformatori sono, naturalmente, il valore di picco, così come la velocità di variazione della tensione (fronte di salita, oppure fronte di discesa in caso di prossimità a una “onda tronca”) che porta a una
distribuzione irregolare delle sollecitazioni
negli avvolgimenti e perciò provoca un superamento dei limiti di tenuta tra le spire, anche se il valore di picco tra i terminali degli
avvolgimenti primari non supera valori limite (vedi figura 1).
I rischi di esposizione a sovratensioni per
un dato trasformatore sono legati al sito di installazione e dipendono da criteri quali:
- fornitura MT da una rete aerea o sotterranea;
- eventuale presenza, dimensionamento e
condizioni di installazione di dispositivi di limitazione delle sovratensioni (scaricatori o protezioni spinterometriche);
- lunghezza e tipo di connessioni tra la rete
e il trasformatore;
- tipo di apparecchiatura e le condizioni di manovra;
- qualità delle connessioni di terra ed eventuale collegamento con la messa a terra della cabina,
- rete BT aerea o sotterranea;
- messa a terra delle rete BT e suo eventuale collegamento con la messa a terra della cabina.
Le definizioni normative che si riferiscono al
concetto di livello di isolamento non coprono completamente le sollecitazioni cui i trasformatori possono essere sottoposti, dal
momento che alcuni fenomeni della rete sono poco considerati, come per esempio le tensioni transitorie a fronte ripido.
Guasti interni dovuti a sovratensioni possono essere osservati nelle seguenti forme:
- guasti dell’isolamento tra le spire nello stesso avvolgimento (il caso più frequente);
- guasto dell’isolamento tra avvolgimenti;
- guasti dell’isolamento tra l’avvolgimento
sollecitato e una parte conduttrice contigua
(nucleo o serbatoio).
L’isolamento esterno dei trasformatori a immersione è largamente sovradimensionato e
raramente si osservano casi di guasto all’isolamento in questi trasformatori, fatta eccezione per alcuni casi di trasformatori su linea aerea in luoghi particolarmente inquinati.
I trasformatori a secco possono essere soggetti a guasti esterni del dielettrico in luoghi
dove si riscontra un inquinamento delle superfici isolanti.
FIGURA 1
Capacita distribuita e
sollecitazioni lungo un
avvolgimento
FIGURA 2
Esempio di guasto fra le
spire
I guasti tra le spire
I guasti tra le spire dell’avvolgimento primario sono i guasti più frequenti e i più difficili
da rilevare. Essi sono il risultato di un deterioramento localizzato dell’isolamento del
conduttore, dovuto a sollecitazioni dielettriche o termiche. L’effetto iniziale è limitato a
un leggero aumento della corrente del primario,
dovuto alla variazione del rapporto del trasformatore legata al cortocircuito di una spira sull’avvolgimento coinvolto.
Questa spira guasta si comporta come un avvolgimento secondario e diventa sede di
una corrente limitata esclusivamente dalla sua
stessa impedenza e resistenza nel punto di
guasto (figura 2).
A seconda della corrente che passa attraverso
questa spira, l’evoluzione del guasto sarà
più o meno rapida. Nel caso di alte correnti, il locale rialzo della temperatura porterà al
deterioramento delle spire vicine e il guasto
si propagherà velocemente. L’ordine di grandezza corrisponderà approssimativamente a
cento volte la corrente nominale oppure circa 1 kA per l’avvolgimento primario di un trasformatore di 400 kVA sotto i 20 kV (CIRED
991/1.14). In ogni caso, la presenza di un arco locale porterà a un rilascio di gas, sia
che si tratti di trasformatore in olio o a secco. Questa emissione può provocare un aumento di pressione, fino alla rottura di parti
della struttura (serbatoio o isolamento solido).
Se il guasto causa una bassa corrente del primario, i fenomeni possono essere lenti e difficili da rilevare mediante il monitoraggio
della corrente di alimentazione. I test di laboratorio su trasformatori in olio hanno mostrato correnti tra 1 e 6 volte la corrente
nominale, accompagnate da grandi emis-
sioni di gas, per guasti che coinvolgono fino
al 8 % delle spire del primario (CIRED
1991/1.14). Questo è il motivo per cui il monitoraggio di emissioni gassose o della pressione può essere usato in modo complementare ai dispositivi di protezione basati sulla misura della corrente.
I guasti tra gli avvolgimenti
Avvolgimenti MT
I guasti tra gli avvolgimenti MT sono rari ma
possono causare alte correnti di guasto, fino
al valore di cortocircuito della rete nel caso di
un guasto sui terminali con danni significativi. Alcuni guasti che avvengono in punti particolari, come tra gli avvolgimenti in prossimità della connessione del neutro in un collegamento a stella, sono simili a un gua-
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I guasti verso terra e influenza
del sistema di messa a terra
del neutro
FIGURA 3
Esempio di guasti tra
gli avvolgimenti primario e
secondario
FIGURA 4
Esempio di guasto verso
terra
sto tra le spire, dal momento che i punti che
vengono a contatto non hanno grande differenza di tensione.
Avvolgimenti BT
Il guasto solo eccezionalmente si verifica
tra gli avvolgimenti BT, poiché sono posizionati vicinissimi al nucleo magnetico e sono circondati dagli avvolgimenti MT. Nel
caso di avvolgimenti BT multipli sulla stessa colonna del nucleo magnetico (per esempio collegamento a zig-zag), esiste la possibilità di guasto. In qualsiasi caso, la corrente di guasto rimane minore della corrente
di corto tra i terminali del secondario, ma l’evoluzione può essere veloce per la presenza di un arco di intensità significativa.
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MT/BT
Un guasto tra gli avvolgimenti può portare anche a un contatto tra il primario e il secondario,
con il verificarsi di un potenziale pericoloso
sulla rete BT .Il rischio verso apparecchiature e persone dipende dal sistema del neutro
nelle due reti (vedi figura 3). In alcune applicazioni, per aumentare la sicurezza dell’avvolgimento a bassissima tensione, l’utilizzo
di uno schermo collegato a terra, posizionato tra gli avvolgimenti primario e secondario,
consente l’eliminazione di questa ipotesi di guasto favorendo i guasti fase-terra. In questo caso, le connessioni a terra della struttura del
trasformatore e del neutro BT sono diverse,
impedendo così l’aumento del potenziale
della rete BT relativo alla terra.
I guasti tra gli avvolgimenti MT e la terra sono causati molto spesso da un cedimento dell’isolamento a seguito di una sovratensione.
Tuttavia essi possono anche risultare da guasti di tipo meccanico oppure, come visto
prima, dall’evoluzione di un guasto elettrico.
Le caratteristiche di un guasto a terra, così come la capacità di rilevarlo, dipendono dal sistema di messa a terra della rete di alimentazione e dalla posizione del guasto nel trasformatore (figura 4).
Vediamo di seguito i diversi casi:
- Nel caso di neutro MT non distribuito, collegato a terra da un’impedenza, il guasto
provocherà la comparsa di una corrente verso terra, che varia in funzione dell’impedenza del neutro e della posizione del guasto nell’avvolgimento.
- In caso di una bassissima corrente di
guasto, c’è il rischio di un lento incremento
della pressione interna al trasformatore simile a quello dei guasti tra le spire. Un rilevamento preciso a della corrente verso
terra potrebbe essere un efficace mezzo
di protezione; tuttavia, tale protezione
non sempre è tecnicamente e/o economicamente fattibile.
- Nel caso di una rete con neutro accordato
(messa a terra con bobina di Petersen), un guasto nell’isolamento di un trasformatore in
olio presenterà un carattere di auto-estinguenza periodico.
- Il basso valore della corrente di guasto permette la sua spontanea estinzione nell’olio e il progressivo riapparire della tensione, caratteristica di una rete con neutro
compensato, che porterà a un altro guasto
diverse centinaia di millisecondi più tardi.
La frequenza dei fenomeni aumenterà se
c’è un progressivo deterioramento causato da guasti successivi, che porterà a un abbassamento della tenuta dielettrica.
- Nel caso di una rete con neutro collegato direttamente a terra e distribuito (rete a
Tabella 1 - le sollecitazioni operative e le relative conseguenze
Sollecitazioni
Sovratensioni
Leggera sovracorrente
Possibile causa
Fulminazione in vicinanza
Manovra della rete
Probabile guasto
Guasto tra le spie MT
Guasto tra gli avvolgimenti
e la terra
Sovraccarico
Guasto non franco sulla rete BT
Distruzione degli avvolgimenti
nei punti surriscaldati con cortocircuito
delle spire
Distruzione degli avvolgimenti
nei punti surriscaldati con cortocircuito
delle spire e spostamento degli
avvolgimenti
Guasto tra le spire MT
Possibile evoluzione del guasto
verso terra
Cortocircuito
Guasto lato BT in prossimità
del trasformatore
Invecchiamento
Effetto cumulativo con guasti
passati
Segni iniziali
Fuoriuscita di gas o fumo
Leggero incremento della corrente
di fase
Corrente di terra
Fuoriuscita di gas o fumo
Leggero incremento della corrente
di fase
Progressione rapida e casuale verso
un guasto tra gli avvolgimenti
Fuoriuscita di gas o fumo
Leggero incremento della corrente
di fase
Corrente di terra
N.B.: tutte le modalità di guasto, se non risolte nella fase iniziale, si diffonderanno nei vari avvolgimenti e provocheranno gravi conseguenze, come la rottura del serbatoio e/o l’esplosione degli avvolgimenti,
con possibilità di incendio.
4 conduttori, di tipo nord-americano), la presenza della corrente del neutro è normale,
a causa dell’esistenza di carichi monofase,
e la comparsa di un guasto aumenterà
questa corrente (in funzione dell’impedenza della sezione di avvolgimento non cortocircuitato). La situazione è perciò analoga
al cortocircuito dell’autotrasformatore.
La corrente di guasto sarà sempre significativa e richiederà una risposta veloce,
altrimenti si rischia un’esplosione. Al contrario, si rischia che non venga visto dai dispositivi di protezione della rete che sono
regolati per consentire una grande corrente del neutro (fino al 40 % della corrente
nominale della linea). È quindi la protezione
del trasformatore che deve essere in grado di intervenire. Una percentuale significativa di guasti riguarda la struttura del trasformatore, perciò è utile la protezione di
terra contro i guasti di terra. Poiché la
corrente di terra in condizioni normali è
uguale a zero (eccetto che nelle reti con sistema del neutro a terra e distribuito), tale protezione può essere regolata su una soglia bassa, per esempio 10% della corrente
nominale con un ritardo di 100 ms, in casi con trasformatori di corrente, e con pochi ampère, dove si utilizzano sensori di corrente residua (differenziale).
Guasti correlati al tipo
di tecnologia
I guasti interni del trasformatore avvengono
innanzitutto in conseguenza di sollecitazioni
esterne (sovratensioni, sovracorrenti). In precedenza, abbiamo visto le diverse modalità
di guasto e il modo in cui la situazione può
evolvere. Tuttavia, si possono prevedere altre
modalità di guasto a seconda del tipo di tecnologia del trasformatore.
Per i trasformatori in olio:
- una fuoriuscita di olio non rilevata può sfociare, col tempo, in un guasto elettrico per la
perdita di isolamento nella parte alta delle bobine. Una fuoriuscita di questo tipo può essere provocata, per esempio, dalla corrosione del serbatoio oppure da un impatto meccanico sullo stesso;
- l’inquinamento dell’olio, per la presenza di
particelle provenienti dal serbatoio stesso, dal
nucleo o dall’isolamento, oppure perinfiltrazione d’acqua, può causare anche la situazione
di guasto dielettrico. Questo inquinamento di
solito non è monitorato nei trasformatori di distribuzione.
Per i trasformatori con isolamento solido:
- anomale sollecitazioni meccaniche (impatti, sforzi per stringere le connessioni, ecc.) pos-
sono fessurare l’isolamento, causando archi
tra le spire o verso le masse a terra vicine;
- le fessurazioni dell’isolamento possono anche essere conseguenza di un invecchiamento termico anomalo, correlato a un errato
utilizzo del trasformatore;
- imperfezioni nella colata dell’isolamento solido possono creare fenomeni di scariche parziali, se dell’isolamento sono presenti bolle in
aree con alto campo elettrico. Questo fenomeno
causa un guasto interno del materiale isolante
e può portare a un danno maggiore.
- la presenza di inquinanti esterni (polvere) su
questo tipo di trasformatori interferisce con la
distribuzione delle sollecitazioni dielettriche
di superficie e può causare guasti dell’isolamento.
- la presenza di messe a terra metalliche a una
distanza inferiore a quella raccomandata dal
costruttore può causare, localmente, una
sollecitazione eccessiva dell’isolamento.
La tabella 1 rappresenta un riassunto delle sollecitazioni operative e le relative conseguenze.
Bibliografia
www. merlin-gerin.it
Dossier Tecnico n°2/ MT-BT - Protezione trasformatori per cabine
MT/BT.
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