In che modo il trasformatore in olio raggiunge una tensione di rottura di 60 kV attraverso il riempimento sotto vuoto?

I dati del settore indicano che circa il 30% dei guasti prematuri dei trasformatori sono direttamente attribuibili all'eccessivo contenuto di umidità e gas nell'olio isolante. Un aumento di umidità di appena 15 parti per milione (ppm) può ridurre la tensione di rottura dell'olio del trasformatore da 60 kV a meno di 30 kV. Questa drastica riduzione della rigidità dielettrica sottolinea l'importanza fondamentale del processo di riempimento sotto vuoto nella produzione di trasformatori. Per untrasformatore immerso in oliovalutato a 33 kV o superiore, raggiungere e mantenere una tensione di rottura di 60 kV non è un obiettivo di qualità: è un requisito fondamentale per un funzionamento affidabile durante la vita utile di 30-40 anni del trasformatore.

Questo articolo fornisce un'analisi tecnica sistematica di come i trasformatori immersi in olio raggiungono una tensione di rottura di 60 kV attraverso il riempimento sotto vuoto. La discussione copre quattro fasi essenziali del processo: pretrattamento dell'olio e verifica della qualità, essiccazione sotto vuoto dell'isolamento del nucleo e dell'avvolgimento, processo di riempimento sotto vuoto con parametri controllati e test post-riempimento in conformità con gli standard IEC e ASTM. Ogni fase viene esaminata con riferimento a parametri di processo specifici, requisiti delle apparecchiature e punti di controllo del controllo qualità. L'articolo affronta inoltre le modalità di guasto più comuni e fornisce un quadro pratico di controllo della qualità per i produttori di trasformatori e gli utenti finali.

Sommario

• 1. Pretrattamento dell'olio e standard di qualità
• 2. Asciugatura sotto vuoto del nucleo e dell'avvolgimento del trasformatore
• 3. Parametri del processo di riempimento sotto vuoto
• 4. Test dell'olio e verifica della tensione di guasto
• 5. Modalità di guasto comuni e punti di controllo qualità
• 6. Domande frequenti (FAQ)
• 7. Conclusione

1. Pretrattamento dell'olio e standard di qualità

Il percorso verso il raggiungimento di una tensione di rottura di 60 kV inizia con il pretrattamento dell'olio del trasformatore prima che entri nella vasca del trasformatore. Anche l'olio nuovo e raffinato per trasformatori contiene in genere umidità disciolta, gas e contaminanti particolati che devono essere rimossi per ottenere la rigidità dielettrica richiesta. Il processo di pretrattamento viene condotto in un impianto di lavorazione del petrolio dedicato, che comprende sistemi di riscaldamento, unità di disidratazione sotto vuoto e apparecchiature di filtrazione multistadio. Prima che l’olio sia ritenuto idoneo al riempimento del trasformatore è necessario verificare i seguenti parametri:

• Tensione di rottura (BDV):≥ 60kV (misurato secondo IEC 60156)
• Contenuto di umidità:≤ 10 ppm (misurato mediante titolazione Karl Fischer)
• Contenuto di gas disciolto (DGA):≤ 0,5% in volume (misurato mediante gascromatografia)
• Fattore di dissipazione (tan δ):≤ 0,001 a 90°C (misurato secondo IEC 60247)
• Conteggio delle particelle:≤ 500 particelle per 100 ml (dimensione ≥ 5μm)
• Resistività:≥ 10¹² Ω·cm a 90°C

Il processo di purificazione dell'olio segue una sequenza in tre fasi. La prima fase è il riscaldamento: l'olio viene riscaldato a 60-70°C per ridurre la viscosità e facilitare il rilascio dei gas disciolti e dell'umidità. La seconda fase è la disidratazione sotto vuoto: l'olio riscaldato viene introdotto in una camera a vuoto funzionante a 0,1-0,5 mbar. Sotto questo vuoto, il punto di ebollizione dell'acqua si riduce, provocando l'evaporazione dell'umidità che viene aspirata dalla pompa del vuoto. Il tempo di disidratazione tipico è di 4-8 ore, a seconda del volume dell'olio e del contenuto di umidità iniziale. La terza fase è la filtrazione: l'olio disidratato passa attraverso una serie di filtri con rating di 5μm e 1μm per rimuovere i contaminanti particolati. L'olio trattato viene quindi ricircolato attraverso il sistema fino al raggiungimento di tutti i parametri specificati.

La tabella seguente riassume i parametri di pretrattamento e i corrispondenti criteri di accettazione.

ALugao Potenza Co.,Ltd., disponiamo di un impianto dedicato alla lavorazione dell'olio dotato di un serbatoio dell'olio da 10.000 litri, un'unità di disidratazione sotto vuoto da 300 l/min e un sistema di filtrazione a circuito chiuso con filtri assoluti da 1μm. Ogni lotto di olio trattato viene campionato e testato prima di essere approvato per il riempimento del trasformatore. I risultati dei test sono documentati in un certificato di lotto che accompagna il trasformatore per tutta la sua vita utile. Questo rigoroso protocollo di pretrattamento garantisce che l'olio che entra nel trasformatore soddisfi gli stessi standard di qualità dell'olio che verrà testato dopo il riempimento, ponendo le basi per raggiungere la tensione di rottura di 60 kV.

2. Asciugatura sotto vuoto del nucleo e dell'avvolgimento del trasformatore

L'isolamento del trasformatore è composto principalmente da materiali a base di cellulosa (carta, cartone pressato e legno) che sono intrinsecamente igroscopici. In condizioni atmosferiche normali, questi materiali possono assorbire fino all'8% di umidità in peso. Quando un trasformatore viene alimentato, l'isolamento si riscalda e l'eventuale umidità presente evapora, riducendo la rigidità dielettrica sia dell'isolamento solido che dell'olio circostante. L'essiccazione sotto vuoto è il processo di rimozione dell'umidità dal sistema di isolamento prima che il trasformatore venga riempito d'olio. Il processo di essiccazione è fondamentale perché, anche dopo che l'olio è stato purificato, l'umidità intrappolata nell'isolamento col tempo penetra nell'olio, riducendo la tensione di rottura.

Il processo di essiccazione sotto vuoto prevede tipicamente le seguenti fasi. Innanzitutto, il trasformatore viene posto in un forno di essiccazione o riscaldato facendo circolare olio caldo attraverso il sistema di raffreddamento. Il nucleo e l'avvolgimento vengono riscaldati a 85-105°C per accelerare il rilascio dell'umidità. Il serbatoio del trasformatore viene quindi evacuato utilizzando una pompa a vuoto per ridurre la pressione a 0,1-0,5 mbar. Sotto questo vuoto, il punto di ebollizione dell'acqua si riduce a circa 40-50°C, consentendo all'umidità presente nell'isolamento di evaporare. L'umidità evaporata viene aspirata dal serbatoio tramite la pompa a vuoto. Il processo di essiccazione viene continuato finché il contenuto di umidità dell'isolante non scende al di sotto dello 0,5% in peso.

Il punto finale di essiccazione è determinato mediante uno dei due metodi:

• Metodo di aumento della pressione:La pompa per vuoto è isolata dal serbatoio del trasformatore e l'aumento della pressione viene misurato per un periodo definito. Se il tasso di aumento della pressione è inferiore a 0,1 mbar all'ora in un periodo di 4 ore, l'asciugatura è considerata completa.
• Metodo del punto di rugiada:Il punto di rugiada del gas evacuato dal trasformatore viene monitorato continuamente. Quando il punto di rugiada scende al di sotto di -40°C l'essiccazione è considerata completa.

La durata del processo di essiccazione sotto vuoto varia a seconda delle dimensioni del trasformatore, del tipo di isolamento e delle condizioni ambientali. Per un tipico trasformatore da 10 MVA, il processo di essiccazione può richiedere 48-72 ore. Per i trasformatori di potenza più grandi il processo può durare diversi giorni. La tabella seguente fornisce i parametri di essiccazione tipici per le diverse classi di trasformatori.

A Lugao. utilizziamo una combinazione di essiccazione termica sotto vuoto e circolazione di olio caldo per ottenere la rimozione dell'umidità richiesta. Il trasformatore viene riscaldato facendo circolare olio caldo attraverso il sistema di raffreddamento, mentre contemporaneamente viene evacuato il serbatoio. Questo metodo fornisce un riscaldamento uniforme e accelera il processo di asciugatura. Una volta completato il ciclo di essiccazione, il trasformatore viene mantenuto sotto vuoto fino all'inizio del processo di riempimento dell'olio, impedendo il riassorbimento dell'umidità dall'atmosfera. Questo approccio garantisce che il contenuto di umidità dell'isolamento sia mantenuto al di sotto della soglia dello 0,5%, essenziale per raggiungere e mantenere una tensione di rottura di 60 kV.

3. Parametri del processo di riempimento sotto vuoto

Una volta che il nucleo del trasformatore e l'avvolgimento sono stati asciugati al contenuto di umidità richiesto, inizia il processo di riempimento dell'olio. Questa è la fase più critica della produzione del trasformatore, poiché qualsiasi errore durante questa fase può compromettere la rigidità dielettrica del sistema di isolamento. Il processo di riempimento sotto vuoto viene condotto mentre il serbatoio del trasformatore viene mantenuto sotto vuoto. L'olio depurato viene introdotto sul fondo del serbatoio e risale lentamente, spostando il vuoto. I parametri di processo devono essere attentamente controllati per prevenire la formazione di bolle, garantire la completa penetrazione dell'isolante ed evitare danni agli avvolgimenti.

I parametri di processo chiave per il riempimento sotto vuoto sono i seguenti:

• Livello di vuoto pre-riempimento: 0.1-0.5 mbar, maintained for at least 2 hours after the drying cycle is complete.
• Temperatura dell'olio al riempimento:60-70°C, mantenuta per garantire bassa viscosità e buone caratteristiche di flusso.
• Velocità di riempimento:≤ 300 L/h (per trasformatori di piccole e medie dimensioni; i trasformatori più grandi possono utilizzare portate proporzionalmente più elevate ma non devono superare la velocità con cui l'olio può penetrare nell'isolamento).
• Pressione di riempimento:Sul fondo del serbatoio viene applicata una leggera pressione positiva (0,1-0,2 bar) per garantire che l'olio venga forzato negli avvolgimenti.
• Vuoto durante il riempimento:Il vuoto viene mantenuto durante il processo di riempimento per rimuovere eventuali gas che potrebbero essere rilasciati dall'olio o dall'isolamento.
• Decantazione post-riempimento:Dopo che il serbatoio è pieno, il trasformatore viene lasciato riposare per 12-24 ore sotto vuoto o sotto una pressione positiva di azoto secco per consentire la fuoriuscita di eventuali bolle di gas rimanenti.

La velocità di riempimento è particolarmente critica. Se l'olio viene introdotto troppo rapidamente, la turbolenza può creare bolle e l'olio potrebbe non penetrare completamente nell'isolamento. Se l'olio viene introdotto troppo lentamente, il processo diventa inefficiente. La velocità di riempimento viene generalmente controllata regolando la portata della pompa dell'olio o utilizzando una valvola di riduzione della pressione. Per i trasformatori di grandi dimensioni, il processo di riempimento può essere condotto in più fasi, con pause per consentire all'olio di penetrare nell'isolamento prima dell'inizio della fase successiva. La tabella seguente fornisce le velocità di riempimento consigliate per le diverse capacità del trasformatore.

Una volta completato il riempimento, il trasformatore viene generalmente riscaldato a 50-60°C utilizzando il sistema di raffreddamento per migliorare la capacità dell'olio di assorbire gas residui e umidità. Il trasformatore viene poi sottoposto ad un trattamento finale sotto vuoto, noto come “degasaggio finale”, per eliminare eventuali gas che potrebbero essere stati assorbiti dall'olio. Questo passaggio finale garantisce che la tensione di rottura dell'olio rimanga al livello target di 60 kV o superiore. Presso Lugao Power Co., Ltd., conserviamo registrazioni dettagliate di tutti i parametri di processo per ciascun trasformatore, inclusi registri con timestamp di livelli di vuoto, temperature e portate. Queste registrazioni fanno parte della documentazione di qualità del trasformatore e vengono conservate per tutta la vita dell'apparecchiatura.

4. Test dell'olio e verifica della tensione di guasto

Dopo che il trasformatore è stato riempito d'olio e lasciato riposare, il sistema di isolamento deve essere testato per verificare che soddisfi le specifiche di tensione di rottura richieste. Il test principale è il test della tensione di rottura dell'olio, condotto in conformità alla norma IEC 60156 o ASTM D1816. Questo test prevede l'applicazione di una tensione a un campione dell'olio del trasformatore a una velocità controllata fino alla rottura dell'olio. Il test viene condotto su più campioni per garantire che il risultato sia ripetibile. Oltre al test dell’olio, l’intero sistema di isolamento del trasformatore viene sottoposto a test dielettrici per verificarne l’integrità.

Il test della tensione di rottura dell'olio viene eseguito utilizzando una cella di prova standard, composta da due elettrodi separati da uno spazio di 2,5 mm. La tensione di prova viene applicata a una velocità di 2 kV/s. Il test viene condotto su sei campioni di olio. I risultati del primo test vengono scartati e viene calcolata la media dei restanti cinque test. Il valore medio deve essere ≥ 60kV. Se il valore medio è inferiore a 60 kV, si considera che l'olio non abbia superato il test. La procedura di prova e i criteri di accettazione sono riepilogati nella seguente tabella:

Oltre alla prova di rottura dell'olio, il trasformatore viene sottoposto alle seguenti prove dielettriche per verificare l'integrità dell'intero sistema di isolamento:

• Test di resistenza alla frequenza di alimentazione:Il trasformatore viene sottoposto ad una tensione pari a 2-3 volte la sua tensione nominale per 60 secondi. Non sono ammessi guasti o scarichi parziali.
• Test di sovratensione indotta:Il trasformatore è sottoposto ad una frequenza di 100-400 Hz ad una tensione pari a 2 volte la tensione nominale per 60 secondi. Non è consentita alcuna rottura o deformazione visibile dell'isolamento.
• Prova di scarica parziale:Il trasformatore viene testato per la scarica parziale con una tensione pari a 1,1 volte la tensione nominale. Viene misurato il livello di scarica parziale che deve essere inferiore al limite specificato (tipicamente 20-50 pC per trasformatori riempiti d'olio).
• Test Tan Delta:Il fattore di dissipazione del sistema di isolamento è misurato a 90°C. Il valore deve rientrare nei limiti specificati nella norma IEC 60076.

Alla Lugao Power Co., Ltd., conduciamo questi test su ogni trasformatore prima che venga spedito. I risultati dei test sono documentati in un rapporto di prova completo che accompagna il trasformatore. Il test della tensione di rottura dell'olio viene condotto su campioni di olio prelevati dalla vasca del trasformatore dopo il processo di riempimento e sedimentazione. Ciò garantisce che l'olio nel trasformatore sia lo stesso olio testato. Se l'olio non supera il test della tensione di rottura, l'intero processo viene ripetuto finché l'olio non soddisfa le specifiche. Questo rigoroso regime di test garantisce che il nostro trasformatore immerso in olio soddisfi i più elevati standard di qualità e affidabilità.

5. Modalità di guasto comuni e punti di controllo qualità

Nonostante i rigorosi controlli di processo sopra descritti, possono comunque verificarsi guasti durante il riempimento sotto vuoto. Comprendere le modalità di guasto comuni e stabilire robusti punti di controllo del controllo qualità è essenziale per mantenere una qualità di produzione costante. Questa sezione identifica le modalità di guasto più frequenti e fornisce un quadro di controllo della qualità per ciascuna fase del processo.

Modalità di guasto 1: asciugatura sotto vuoto incompleta.Se l'isolamento del trasformatore non viene asciugato fino al contenuto di umidità richiesto, la tensione di rottura sarà ridotta. La causa più comune di asciugatura incompleta è un livello di vuoto insufficiente o un tempo di riscaldamento inadeguato. Per evitare questo guasto, il livello di vuoto deve essere monitorato continuamente durante il ciclo di asciugatura. Per verificare il punto finale è necessario utilizzare il test dell'aumento di pressione o del punto di rugiada.

Modalità di guasto 2: ricontaminazione dell'olio.L'olio può essere nuovamente contaminato durante la movimentazione, lo stoccaggio o il riempimento se l'attrezzatura non viene pulita adeguatamente. Contaminanti come polvere, acqua o altre particelle possono entrare nell'olio attraverso i collegamenti o durante il trasferimento. Per evitare ciò, tutta l'attrezzatura deve essere accuratamente pulita e asciugata prima dell'uso. I serbatoi di stoccaggio dell'olio devono essere mantenuti chiusi e riempiti con azoto secco.

Modalità di fallimento 3: intrappolamento d'aria.Se durante il riempimento rimane intrappolata dell'aria nel trasformatore, può formare delle bolle che riducono la tensione di rottura. L'intrappolamento di aria è più probabile se la velocità di riempimento è troppo elevata o se il livello di vuoto non viene mantenuto durante il riempimento. Per evitare ciò, la velocità di riempimento dovrebbe essere ridotta e il vuoto dovrebbe essere mantenuto durante tutto il processo.

Si consigliano i seguenti punti di controllo della qualità per ciascuna fase del processo di riempimento sotto vuoto:

A Lugao implementiamo un sistema di gestione della qualità che incorpora questi punti di controllo nelle nostre procedure operative standard. Ogni fase del processo è documentata e qualsiasi deviazione viene studiata e corretta. Questo approccio sistematico al controllo qualità è essenziale per mantenere gli elevati livelli di affidabilità che i nostri clienti si aspettano dai nostri trasformatori immersi in olio.

6. Domande frequenti (FAQ)

Domanda 1: La tensione di rottura di 60kV è un valore garantito per l'intera vita del trasformatore o diminuisce nel tempo?

Risposta: 60kV è un valore minimo garantito al momento della produzione e della messa in servizio. Nel corso della vita operativa del trasformatore, la tensione di rottura diminuirà gradualmente a causa del degrado dell'olio, dell'ingresso di umidità e dell'accumulo di particolato. Tuttavia, con una corretta manutenzione, compresi test periodici dell'olio, filtraggio ed asciugatura, la tensione di rottura può essere mantenuta al di sopra di livelli accettabili. Gli standard del settore in genere richiedono la sostituzione o il ricondizionamento dell'olio quando la tensione di rottura scende al di sotto di 30 kV.

Domanda 2: Qual è la differenza nella tensione di rottura tra i trasformatori riempiti sotto vuoto e quelli riempiti in modo convenzionale?

Risposta: Un trasformatore riempito in modo convenzionale (riempito a pressione atmosferica senza essiccazione sotto vuoto) raggiunge tipicamente una tensione di rottura di 30-40 kV. Un trasformatore riempito sotto vuoto, con un'adeguata pre-essiccazione e lavorazione sotto vuoto, raggiunge costantemente 60 kV o più. Questa differenza di 20-30 kV rappresenta un miglioramento significativo nel margine di sicurezza e nell'affidabilità. La maggiore tensione di rottura riduce il rischio di guasti all'isolamento, in particolare durante picchi di tensione o fulmini.

Domanda 3: Il riempimento sotto vuoto è necessario per i piccoli trasformatori di distribuzione (≤ 10 kV)?

Risposta: Per i trasformatori di distribuzione con tensione nominale pari o inferiore a 10 kV, il riempimento sotto vuoto non è sempre obbligatorio, ma è sempre più considerato una buona pratica. Sebbene questi trasformatori possano funzionare con una tensione di rottura di 30-40 kV, il riempimento sotto vuoto offre un margine di sicurezza più elevato e una migliore affidabilità a lungo termine. Molte aziende di servizi pubblici ora specificano il riempimento sotto vuoto per tutti i nuovi trasformatori acquistati, indipendentemente dalla tensione nominale, come parte dei loro requisiti di garanzia della qualità. Presso Lugao Power Co., Ltd., applichiamo il riempimento sotto vuoto a tutti i nostri trasformatori immersi in olio.

Domanda 4: In che modo l'olio del trasformatore può mantenere la tensione di rottura durante il funzionamento?

Risposta: Il mantenimento della tensione di guasto durante il funzionamento richiede un programma di manutenzione completo. È necessario prelevare e testare regolarmente campioni di olio per verificare la tensione di rottura, il contenuto di umidità e il contenuto di gas disciolto. Se la tensione di rottura scende al di sotto di 45 kV, l'olio deve essere filtrato e disidratato. Se il contenuto di umidità supera i 20 ppm, l'olio deve essere essiccato. Alcuni trasformatori sono dotati di sistemi di filtraggio dell'olio in linea che rimuovono continuamente umidità e particelle, mantenendo la qualità dell'olio a un livello ottimale.

Domanda 5: Qual è l'azione correttiva se il test della tensione di rottura dell'olio fallisce dopo il riempimento?

Risposta: Se il test della tensione di rottura dell'olio fallisce dopo il riempimento, in genere il trasformatore viene rielaborato. L'olio guasto viene scaricato e il trasformatore viene sottoposto a un nuovo ciclo di asciugatura sotto vuoto per rimuovere l'umidità dall'isolamento. L'olio fresco e purificato viene quindi introdotto utilizzando lo stesso processo di riempimento sotto vuoto. Dopo il rabbocco, l'olio viene nuovamente testato. Potrebbe essere necessario ripetere questo processo finché la tensione di rottura non soddisfa i requisiti specificati. Nei rari casi in cui l'olio stesso è la fonte del problema, potrebbe essere necessario sostituirlo con un nuovo lotto.

7. Conclusionee

Il raggiungimento di una tensione di rottura di 60 kV in un trasformatore immerso in olio è il risultato di un processo di produzione meticolosamente controllato che inizia con la purificazione dell'olio e si estende attraverso l'essiccazione sotto vuoto, il riempimento controllato e test rigorosi. Ogni fase di questo processo richiede un controllo preciso dei parametri critici (temperatura, livello di vuoto, velocità di riempimento e condizioni di test) per garantire che il prodotto finale soddisfi le specifiche di rigidità dielettrica richieste. Gli standard e le pratiche delineati in questo articolo, basati su IEC 60156, ASTM D1816 e IEC 60076, forniscono la base tecnica per raggiungere questo fondamentale benchmark di qualità.

Presso Lugao Power Co., Ltd., abbiamo implementato un sistema completo di gestione della qualità che incorpora questi controlli di processo e standard di test nelle nostre operazioni di produzione di trasformatori. I nostri trasformatori immersi in olio sono progettati e realizzati per fornire prestazioni affidabili per tutta la loro durata di servizio. Per informazioni tecniche più dettagliate, documentazione di processo o specifiche di prodotto, contattare il nostro team di ingegneri.

Contatta Lugao Power Co., Ltd.per le specifiche tecniche e la documentazione di qualità per i nostri trasformatori immersi in olio.