Sistemi di scarico della pressione e rilevamento guasti del trasformatore

​​​​​​​

 

1. Introduzione

 

Nei trasformatori- immersi in olio, le variazioni di pressione interna sono una parte normale del funzionamento. Quando l'olio del trasformatore si riscalda e si raffredda durante i cicli di carico, lo spazio sigillato del gas all'interno del serbatoio si espande e si contrae, provocando graduali fluttuazioni di pressione all'interno dell'involucro del trasformatore. In condizioni operative normali, questi cambiamenti di pressione avvengono lentamente e sono principalmente associati alla variazione della temperatura ambiente e al carico del trasformatore.

Tuttavia, i guasti elettrici interni creano un comportamento di pressione completamente diverso. Eventi come guasti agli avvolgimenti o archi interni possono decomporre rapidamente l'olio isolante in gas, producendo un'improvvisa onda di pressione all'interno del serbatoio. Poiché gli aumenti di pressione generati dai guasti-si verificano nell'arco di pochi millisecondi, i trasformatori richiedono non solo dispositivi di limitazione della pressione, ma anche sistemi di rilevamento guasti dedicati in grado di identificare comportamenti anomali della pressione prima che si verifichi un guasto catastrofico al serbatoio.

Per questo motivo i moderni sistemi di protezione dei trasformatori si dividono generalmente in due grandi categorie:

• Sistemi di scarico della pressione
• Sistemi di rilevamento guasti

Questa filosofia di protezione a più livelli si riflette ampiamente negli standard IEEE C57 e nelle pratiche di progettazione dei trasformatori IEC 60076.

 

2. Limitatore di pressione e rilevamento di guasti

 

Sebbene i termini "compressione pressione" e "rilevamento guasti" siano talvolta usati in modo intercambiabile nell'industria dei trasformatori, svolgono funzioni fondamentalmente diverse.

Un dispositivo di limitazione della pressione del trasformatore è progettato per rilasciare fisicamente la pressione eccessiva del serbatoio al fine di prevenire la deformazione meccanica o la rottura del serbatoio del trasformatore. Questi dispositivi rispondono principalmente all'entità della pressione e costituiscono la base dei sistemi di protezione dalla pressione del trasformatore.

I dispositivi di rilevamento guasti, invece, monitorano la velocità o le caratteristiche della variazione di pressione associata a guasti elettrici interni. Invece di rilasciare la pressione, generano segnali di allarme o di intervento per isolare il trasformatore dal sistema di alimentazione.

Questa distinzione diventa sempre più importante man mano che aumentano le dimensioni del trasformatore e il livello di energia del guasto.

 

Tabella 1 – Differenza tra scarico della pressione e rilevamento guasti

3. Dispositivi di limitazione della pressione del trasformatore

 

3.1 Valvola limitatrice di pressione (PRV)​​​​​​​

La valvola di rilascio della pressione è progettata per proteggere il serbatoio del trasformatore da una pressione eccessiva all'interno. Una volta che la pressione nel serbatoio raggiunge la pressione di rilascio, la valvola si aprirà automaticamente per rilasciare il gas finché la pressione non scende al livello di sicurezza. Inoltre, quando necessario, gli utenti possono azionare manualmente la valvola limitatrice di pressione nelle applicazioni con trasformatore tirando l'anello operativo per ridurre la pressione interna.

Secondo la pratica IEEE, la pressione di cracking tipica per un progetto di trasformatore PRV è di circa 10 PSIG ±2 PSIG, mentre le applicazioni CSA spesso utilizzano impostazioni di pressione inferiori. Una volta scaricata la pressione, la valvola limitatrice di pressione nei sistemi di trasformazione si richiude automaticamente per mantenere l'integrità del serbatoio del trasformatore.

 

Grazie alla sua costruzione semplice e al funzionamento affidabile, PRV è ampiamente utilizzato in:

• Trasformatori montati su palo-
• Trasformatori montati su pad-
• Trasformatori di distribuzione- immersi in olio
• Sottostazioni di piccole unità

 

Rispetto ai sistemi PRD con trasformatori più grandi, i PRV sono generalmente preferiti per i trasformatori con kVA inferiori in cui l'aumento di pressione è relativamente moderato e prevedibile. In molte applicazioni di trasformatori di distribuzione, la valvola PRV nei serbatoi dei trasformatori rimane la forma più comune di protezione meccanica di base dalla pressione.

3.2 Dispositivo di limitazione della pressione (PRD)

I dispositivi limitatori di pressione (PRD) hanno essenzialmente lo stesso scopo delle valvole limitatrici di pressione (PRV): proteggono il serbatoio del trasformatore da un'eccessiva pressione interna. In pratica, tuttavia, i PRD sono più comunemente associati a potenze nominali maggiori. Normalmente non si vede un PRD installato su trasformatori inferiori a circa 1.500 kVA, anche se non c'è nulla di tecnicamente sbagliato nell'usarne uno su unità più piccole se l'applicazione lo richiede.

La maggior parte dei PRD sono montati sulla parte superiore del serbatoio del trasformatore, dove il gas interno o l'accumulo di pressione possono essere rilasciati rapidamente durante una condizione di guasto.

La terminologia può creare confusione perché "dispositivo di limitazione della pressione" è spesso utilizzato come termine generale del settore sia per PRV che per PRD. Nella maggior parte dei casi, i PRV vengono utilizzati su trasformatori di distribuzione più piccoli, mentre i PRD sono più comuni su unità più grandi o applicazioni che richiedono una risposta alla pressione e un'indicazione di guasto più rapide.

Un dispositivo di limitazione della pressione del trasformatore svolge la stessa funzione fondamentale di un PRV - alleviando la pressione interna eccessiva - ma è generalmente progettato con una maggiore capacità di flusso, tempi di risposta rapidi, prestazioni di chiusura affidabili e funzioni di allarme o monitoraggio opzionali. I design PRD avanzati forniscono una pressione di apertura precisa, tempi di funzionamento brevi, prestazioni esterne affidabili a lungo termine-e una tenuta efficace contro umidità, polvere e ingresso di aria, contribuendo a mantenere una pressione positiva del serbatoio e a migliorare l'affidabilità operativa del trasformatore.

 

Uno dei principali vantaggi dei PRD-montati sulla copertura è la capacità di monitoraggio. Molti gruppi di dispositivi di limitazione della pressione del trasformatore includono:

• Semafori visivi o indicatori di funzionamento
• Contatti di allarme remoto
• Uscite di monitoraggio compatibili con SCADA-

 

Ciò rende i PRD particolarmente adatti per sottostazioni di servizi pubblici e sistemi elettrici industriali dove è richiesto il monitoraggio remoto.

I PRD sono comunemente applicati in:

• Trasformatori di sottostazione unitaria
• Trasformatori di media potenza
• Trasformatori di potenza di grandi dimensioni
• Trasformatori di sottostazioni di servizio​​​​​​​

 

Per le applicazioni di servizi pubblici più grandi, gli ingegneri spesso scelgono una disposizione del trasformatore con dispositivo di limitazione della pressione invece di un PRV più piccolo a causa della maggiore energia di guasto interno e del volume di olio.

3.3 Disco di rottura

I dischi di rottura vengono generalmente utilizzati come dispositivi di scarico della pressione di emergenza per eccellenza nelle applicazioni di trasformatori ad alta-energia.

A differenza dei PRV o dei PRD standard, i dischi di rottura sono dispositivi non-ripristinabili progettati per scoppiare istantaneamente quando la pressione interna raggiunge un limite critico. Il loro scopo principale è fornire un rapido sfogo dell'intera-area durante eventi catastrofici di faglie interne.

 

Poiché i dischi di rottura devono essere sostituiti dopo l'operazione, solitamente sono riservati a:

• Trasformatori di potenza di grandi dimensioni
• Trasformatori di forni
• Trasformatori di trazione
• Sistemi industriali ad alto livello di guasto-

Nella pratica ingegneristica, i dischi di rottura rappresentano il livello più alto di protezione dalla pressione meccanica.

4. Dispositivi di rilevamento guasti del trasformatore

 

4.1 Rilevatore di guasti interni (IFD)

I rilevatori di guasti interni (IFD) sono ampiamente utilizzati sui trasformatori montati su palo-e su pad-come dispositivi di sicurezza sul campo semplici ma altamente efficaci.

Un IFD rileva l'improvviso aumento della pressione interna causato da archi elettrici all'interno del serbatoio del trasformatore. Quando attivato, viene visualizzato un indicatore visivo dai colori vivaci, consentendo al personale dei servizi di identificare immediatamente che il trasformatore ha subito un guasto interno e non deve essere ri-messo sotto tensione.

 

Uno dei principali vantaggi dei moderni sistemi IFD è che molti progetti integrano un PRV conforme agli standard IEEE o CSA negli assiemi di trasformatori nello stesso dispositivo, combinando:

• Sollievo dalla pressione
• Indicazione di guasto

in un'unica struttura compatta.

 

Gli IFD sono comunemente usati in:

• Trasformatori monofase-montati su polo-
• Trasformatori trifase-montati su polo-
• Trasformatori montati su pad-
• Trasformatori di piccole sottostazioni

Rispetto ai sistemi SPR, gli IFD sono più semplici, più economici e particolarmente adatti per applicazioni a livello di distribuzione-.

4.2 Relè pressione improvvisa (SPR / RPR)

 

Questi sistemi sono comunemente usati in:

• Trasformatori di media potenza
• Trasformatori di potenza di grandi dimensioni
• Trasformatori raddrizzatori
• Trasformatori di forni
• Trasformatori di trazione

 

Rispetto agli IFD, i sistemi di protezione con relè ad aumento rapido della pressione forniscono un'integrazione elettrica più rapida e sono più adatti per applicazioni industriali e di pubblica utilità critiche.

4.3 Staffetta Buchholz

Il relè Buchholz è un dispositivo di rilevamento guasti azionato dal flusso di gas- e olio--utilizzato nei trasformatori di tipo conservatore-.

A differenza dei sistemi SPR e IFD, che rispondono principalmente alle variazioni di pressione, i relè Buchholz rilevano i guasti interni attraverso:

• Accumulo di gas
• Movimento di aumento del petrolio

 

Il relè funziona tipicamente in due fasi:

• Allarme per guasti incipienti
• Intervento per gravi guasti interni

 

I relè Buchholz sono ampiamente utilizzati in:

• Sottostazioni di unità di tipo conservatore-
• Trasformatori di media potenza
• Trasformatori di potenza di grandi dimensioni

 

Grazie alla loro capacità di rilevare guasti di isolamento che si sviluppano lentamente, i relè Buchholz rimangono uno dei dispositivi di rilevamento guasti più importanti nei grandi trasformatori-riempiti in olio.

 

5​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​. Gerarchia di protezione nella pratica ingegneristica

 

Nelle applicazioni reali dei trasformatori, questi dispositivi non vengono utilizzati allo stesso modo in tutte le classi di trasformatori. Invece, i sistemi di protezione diventano progressivamente più avanzati con l’aumento delle dimensioni del trasformatore e dell’energia di guasto.

 

Tabella 2 – Applicazione tipica del dispositivo di protezione per classe del trasformatore

Questa configurazione a strati riflette il principio ingegneristico secondo cui la protezione del trasformatore si evolve da un semplice sistema di riduzione della pressione meccanica verso sistemi integrati di protezione dai guasti meccanici ed elettrici.

6. Conclusione

 

La moderna progettazione della sicurezza dei trasformatori si basa sul coordinamento dei sistemi di limitazione della pressione e di rilevamento dei guasti piuttosto che sull'affidamento su un singolo dispositivo.

PRV e PRD forniscono uno scarico meccanico controllato della pressione durante condizioni operative normali e anomale. I dischi di rottura forniscono la massima protezione di emergenza durante guasti catastrofici. Gli IFD e i sistemi di relè a pressione improvvisa rilevano l'improvviso aumento di pressione causato da guasti elettrici interni, mentre i relè Buchholz monitorano la generazione di gas e il movimento dell'olio associati allo sviluppo di guasti all'isolamento.

Insieme, questi dispositivi formano un'architettura di protezione del trasformatore multi-strato che migliora l'affidabilità operativa, la sicurezza del personale e la capacità di isolamento dei guasti nei sistemi di distribuzione, industriali e di alimentazione dei servizi pubblici.