Guida completa al monitoraggio della temperatura dei punti caldi per i trasformatori a secco

• Definizioni fondamentaliIl monitoraggio della temperatura del punto caldo del trasformatore a secco si riferisce all'uso di mezzi tecnici specifici, il trasformatore a secco nel processo di funzionamento a causa della perdita del punto di temperatura più alto (cioè il “punto caldo”) per la misurazione e il monitoraggio in tempo reale e preciso.
• Necessità di monitoraggioIl tasso di invecchiamento dell'isolamento di un trasformatore è direttamente determinato dalla temperatura del punto caldo e il monitoraggio accurato della temperatura è un prerequisito fondamentale per prevenire guasti prematuri all'isolamento, valutare lo stato di salute dell'apparecchiatura, ottimizzare la capacità di carico e garantire un funzionamento sicuro.
• Programma tecnico:: Esiste un'ampia gamma di tecnologie di monitoraggio, tra cui le tradizionali Pt100/termocoppie integrate, la termografia a infrarossi senza contatto e la più moderna termometria a fibre ottiche fluorescenti in grado di misurare direttamente i punti caldi interni.
• Confronto tra le tecnologie chiave:: Di tutte le tecnologie.Misura della temperatura in fibra ottica fluorescenteGrazie alla sua completa immunità elettromagnetica e all'isolamento ad alta tensione, è l'unica tecnologia in grado di misurare in modo sicuro e preciso i punti caldi reali direttamente all'interno degli avvolgimenti.Pt100D'altro canto, è ampiamente utilizzato per il monitoraggio di punti secondari, come l'esterno dell'avvolgimento o il nucleo, grazie alla sua economicità e maturità.
• configurazione del sistemaUn sistema di monitoraggio completo è costituito da sensori front-end, da un host di acquisizione e demodulazione dei dati e da interfacce di livello applicativo per il controllo e la comunicazione remota, che insieme costituiscono il nucleo della gestione termica intelligente di un trasformatore.

Catalogo di questo articolo

• 1. Che cos'è un trasformatore a secco?
• 2. Qual è la temperatura normale di un trasformatore a secco?
• 3. Perché monitorare la temperatura?
• 4. Quali malfunzionamenti possono essere causati da temperature elevate?
• 5. Quali sono i tipi di tecnologia disponibili per il monitoraggio della temperatura dei punti caldi?
• 6. Tabella di confronto delle principali tecnologie di misurazione della temperatura
• 7. Componenti di un sistema di monitoraggio della temperatura dei trasformatori a secco
• 8. Domande frequenti (FAQ)

1. Che cos'è un trasformatore a secco?

Il trasformatore a secco è un tipo di trasformatore di potenza in cui il nucleo e gli avvolgimenti non sono impregnati di alcun liquido isolante (ad esempio, olio per trasformatori). L'isolamento e il raffreddamento avvengono tramite l'aria (raffreddamento naturale o forzato) e materiali isolanti solidi (ad esempio, resina epossidica, carta/film isolante, ecc.) Essendo privi di olio, ignifughi, resistenti al fuoco e alle esplosioni, di facile manutenzione e rispettosi dell'ambiente, i trasformatori a secco sono ampiamente utilizzati in ambienti interni che richiedono un'elevata sicurezza e protezione ambientale, come grattacieli, complessi commerciali, centri dati, aeroporti, metropolitane, ospedali e centrali elettriche.

2. Qual è la temperatura normale di un trasformatore a secco?

La normale temperatura di funzionamento di un trasformatore a secco dipende dal tipo di trasformatore utilizzato.Grado di resistenza termica dell'isolamento. La classe di isolamento definisce la temperatura massima ammissibile a cui un materiale isolante può essere sopportato per un lungo periodo di tempo senza un significativo deterioramento delle prestazioni. Di seguito sono elencate le classi di isolamento più comuni e i corrispondenti limiti di aumento della temperatura massima ammissibile e di temperatura dei punti caldi:

• Isolamento di classe FQuesta è la classe più comune. La sua temperatura di lavoro massima consentita è155°C. A una temperatura ambiente di 40°C, il limite di aumento medio della temperatura dell'avvolgimento è di 100K e l'aumento di temperatura ammissibile del punto caldo è di 115K.155°C。
• Isolamento di classe HClasse termica superiore. La temperatura di esercizio massima consentita è180°C. A una temperatura ambiente di 40°C, il limite medio di aumento della temperatura dell'avvolgimento è di 125K e l'aumento di temperatura ammissibile del punto caldo è di 140K.180°C。
• Isolamento di classe CClasse termica estremamente elevata, temperatura di esercizio massima consentita fino a220°C。

In genere, i trasformatori sono dotati di un sistema di controllo della temperatura che protegge il trasformatore attivando la ventola di raffreddamento quando la temperatura raggiunge un valore prestabilito (ad esempio, 95°C), emettendo un allarme a temperature più elevate (ad esempio, 130°C) ed emettendo un comando di intervento quando si avvicina ai limiti di isolamento (ad esempio, 150°C).

3. Perché monitorare la temperatura?

Temperatura, in particolaretemperatura del punto caldoè il parametro più critico e diretto che influisce sulla durata e sull'affidabilità dei trasformatori a secco. La necessità di monitorare la temperatura si riflette nei seguenti aspetti:

1. Determinanti della durata dell'isolamentoL'invecchiamento dei materiali isolanti elettrici è un processo chimico irreversibile, la cui velocità è strettamente correlata alla temperatura. SecondoLegge di MontsingerPer l'isolamento di Classe A, il tasso di invecchiamento dell'isolamento raddoppia, ovvero si dimezza, per ogni aumento di temperatura di 8-10°C. Il monitoraggio e il controllo accurato delle temperature dei punti caldi è essenziale per garantire che il trasformatore raggiunga la sua vita utile.
2. Sono garantite operazioni sicure e protetteIl funzionamento continuo in sovratemperatura degrada la resistenza meccanica ed elettrica del materiale isolante, che può portare a rotture dell'isolamento da giro a giro, da strato a strato o da fase a fase, innescando guasti da cortocircuito e persino incendi.
3. Base per l'ottimizzazione della capacità di caricoLa capacità nominale di un trasformatore è definita in base a uno specifico limite di aumento della temperatura. Il monitoraggio accurato e in tempo reale della temperatura dei punti caldi consente al personale addetto all'O&M di comprendere il margine termico del trasformatore al carico corrente, in modo da poter attuare in sicurezza sovraccarichi di breve durata per far fronte a picchi temporanei di consumo di energia e migliorare l'utilizzo dell'asset.
4. Diagnosi dei guasti e valutazione delle condizioni:: gli schemi di aumento anomalo della temperatura sono indizi importanti per la diagnosi di difetti interni. Ad esempio, uno squilibrio della temperatura degli avvolgimenti trifase può indicare un guasto come uno squilibrio del carico trifase o la presenza di un cortocircuito da giro a giro in una fase. L'analisi delle tendenze dei dati di temperatura a lungo termine è la base per valutare lo stato di salute del trasformatore ed eseguire la manutenzione predittiva.

4. Quali malfunzionamenti possono essere causati da temperature elevate?

Se non si interviene tempestivamente, aumenti persistenti o bruschi della temperatura possono provocare, direttamente o indirettamente, i seguenti gravi malfunzionamenti:

• Invecchiamento accelerato e carbonizzazione dell'isolamentoI materiali isolanti solidi (ad es. carta Nomex, resine epossidiche) diventano fragili, si restringono e si carbonizzano a temperature eccessive, perdendo la loro forza isolante e il supporto meccanico originale.
• Cortocircuito dell'avvolgimento da giro a giroIl deterioramento dell'isolamento può verificarsi innanzitutto nel debole strato isolante tra le spire del conduttore. Quando questo strato di isolamento si rompe, si forma un cortocircuito tra le spire, che genera un'enorme corrente di cortocircuito e porta a una rapida combustione dell'avvolgimento.
• Danni alla struttura meccanica: I conduttori e i corpi fusi degli avvolgimenti in resina epossidica hanno coefficienti di espansione termica diversi. Ripetuti cicli di sovratemperatura possono portare a significative sollecitazioni meccaniche tra i due, che possono causare la fessurazione del corpo fuso e creare le condizioni per l'ingresso di umidità e la rottura dell'isolamento.
• Connessioni surriscaldate e bruciate:: un contatto inadeguato tra i conduttori e i terminali dell'avvolgimento e altre parti del collegamento genererà un calore di resistenza aggiuntivo in presenza di correnti elevate, con conseguente formazione di un punto caldo localizzato che, in casi gravi, brucerà i collegamenti e causerà un guasto a circuito aperto.

5. Quali sono i tipi di tecnologia disponibili per il monitoraggio della temperatura dei punti caldi?

Per il monitoraggio dei punti caldi dei trasformatori a secco, esistono diverse soluzioni tecniche con principi, applicabilità e precisione differenti.

5.1 Misura della temperatura di contatto incorporata

Termometro di resistenza al platino Pt100

Principio di funzionamentoBasato sulla proprietà fisica che il valore di resistenza di un filo di platino varia in modo preciso, costante e lineare con la temperatura. La temperatura viene convertita misurando il valore di resistenza.
vantaggio: Pt100Tecnologia matura, buona linearità, elevata precisione e costo relativamente economico. È molto adatto per il monitoraggio del nucleo, della superficie esterna degli avvolgimenti, dei morsetti e di altre parti senza alto potenziale ed è il tipo di sensore più comunemente utilizzato per i regolatori di temperatura standard dei trasformatori a secco.

Termocoppia

Principio di funzionamento: Sulla base dell'effetto Seebeck, un circuito composto da due diversi materiali conduttori collegati tra loro produce una debole tensione, correlata alla differenza di temperatura, quando le temperature dei due punti di collegamento sono diverse.
vantaggioAmpio intervallo di misurazione della temperatura e velocità di risposta. Tuttavia, nelle applicazioni con trasformatori, poiché l'uscita è un debole segnale di tensione in mV, molto suscettibile alle interferenze elettromagnetiche e con la necessità di una compensazione a freddo, l'applicazione non è così estesa come quella della Pt100.

Sensore di temperatura a fluoroscopio

Principio di funzionamentoUn impulso di luce viene trasmesso attraverso una fibra ottica a un materiale fluorescente all'estremità della sonda e la temperatura viene demodulata misurando il tempo di decadimento della fluorescenza. Il tempo di decadimento è una funzione della temperatura ed è completamente indipendente dall'intensità della luce e dal campo elettromagnetico.
vantaggio: Sensori a fibre ottiche fluorescentiÈ l'unica tecnologia in grado di misurare con sicurezza e precisione i veri punti caldi direttamente all'interno dell'avvolgimento. Le sue sonde e i suoi cavi a fibre ottiche sono composti interamente da materiale dielettrico con unPerfetta immunità elettromagnetica和Isolamento ad alta tensioneQuesto è il suo vantaggio fondamentale rispetto a tutte le altre tecnologie. Questo è il suo vantaggio fondamentale rispetto a tutte le altre tecnologie.

5.2 Misura della temperatura senza contatto

Termografia a infrarossi

Principio di funzionamento:: Qualsiasi oggetto con una temperatura superiore allo zero assoluto irradia radiazioni infrarosse. Una termocamera a infrarossi calcola la distribuzione della temperatura di un oggetto rilevando l'intensità della radiazione infrarossa sulla sua superficie.
vantaggioLa possibilità di fornire una nuvola di temperatura 2D sull'intera superficie del trasformatore consente di visualizzare i punti caldi anomali in aree quali i punti di connessione esterni e le superfici degli avvolgimenti. Tuttavia, essaImpossibile da misurarePunti caldi all'interno dell'avvolgimento incapsulati da una solida resina epossidica.

Rilevamento passivo della temperatura senza fili

Principio di funzionamentoBasati su onde acustiche di superficie (SAW) o sulla tecnologia RFID. I sensori non richiedono batterie, ricevono energia elettromagnetica da un lettore esterno e restituiscono un segnale contenente informazioni sulla temperatura.
vantaggioNon è necessario alcun cablaggio. Tuttavia, si tratta pur sempre di un dispositivo elettronico e la sua stabilità in presenza di forti campi elettromagnetici e la limitazione della posizione di montaggio ne limitano l'applicazione nel monitoraggio dei punti caldi all'interno dell'avvolgimento.

6. Tabella di confronto delle principali tecnologie di misurazione della temperatura

7. Componenti di un sistema di monitoraggio della temperatura dei trasformatori a secco

Un sistema completo di monitoraggio della temperatura dei trasformatori a secco, in particolare quello basato sulla tecnologia avanzata delle fibre ottiche fluorescenti, è costituito in genere da tre componenti:

1. Strato di rilevamento: sensore di temperatura
   Questo è il front-end dell'acquisizione dei dati. Per il monitoraggio su scala reale, di solito viene eseguita una disposizione multipunto mista: punti caldi precostituiti all'interno degli avvolgimenti trifaseSonda a fibre ottiche fluorescenti; montato sulla superficie esterna del nucleo, degli avvolgimenti, ecc.Sensori Pt100。
2. Strato di acquisizione ed elaborazione: termostato intelligente/magazzino di acquisizione dati
   È il cuore del sistema. È responsabile del collegamento di tutti i sensori, della demodulazione (fibra ottica) o dell'acquisizione (Pt100) dei segnali e della visualizzazione delle temperature di tutti i punti di misura in tempo reale tramite lo schermo LCD. Inoltre, è dotato di una logica di controllo integrata come:
   • Controllo del ventilatoreAvvia e arresta automaticamente la ventola di raffreddamento in base a un punto di temperatura impostato (di solito basato sulla temperatura del punto caldo dell'avvolgimento della fase più alta).
   • Allarmi e protezioneFornisce contatti a secco a relè multipli programmabili per l'allarme di sovratemperatura e l'uscita del segnale di intervento per sovratemperatura.
3. Livello di comunicazione e applicazione: interfaccia remota
   Per ottenere un funzionamento e una manutenzione intelligenti, gli host sono solitamente dotati di interfacce di comunicazione standard:
   • Uscita analogica (4-20mA)Trasmettere i punti critici di temperatura come segnali analogici standard a un sistema PLC o DCS.
   • Comunicazione digitale (RS485/Modbus)Trasmettere la temperatura e lo stato dell'apparecchiatura di tutti i punti di misura al sistema di monitoraggio back-end mediante segnali digitali per ottenere un monitoraggio centralizzato a distanza e l'analisi dei dati.

8. Domande frequenti (FAQ)

1. Che cos'è il “punto caldo” di un trasformatore a secco? Perché è così importante?

Il punto caldo è il punto dell'avvolgimento del trasformatore che presenta la temperatura più elevata durante il funzionamento. A causa del raffreddamento non uniforme e della distribuzione del campo di dispersione, di solito si trova nella parte superiore dell'avvolgimento, vicino all'estremità di uscita. Il tasso di deterioramento dell'isolamento è determinato dalla temperatura in questo punto, pertanto il monitoraggio accurato del punto caldo è essenziale per garantire la durata e la sicurezza del trasformatore.

2. Come viene installata la sonda a fibre ottiche fluorescenti all'interno dell'avvolgimento?

Questo deve essere fatto durante il processo di produzione del trasformatore. La sonda in fibra ottica è progettata per essere sufficientemente robusta dal punto di vista meccanico per essere avvolta e fissata direttamente tra le spire o gli strati specifici dell'avvolgimento durante il processo di avvolgimento, per poi essere colata in resina epossidica o impregnata di VPI insieme all'avvolgimento, diventando infine parte della struttura dell'avvolgimento.

3. Non è possibile utilizzare la Pt100 per misurare la temperatura dell'avvolgimento?

La Pt100 è un conduttore metallico e non può entrare in contatto diretto con avvolgimenti che trasportano tensioni elevate. Può essere preinterrata all'esterno dell'avvolgimento (ad esempio nell'isolamento interstrato o sulla superficie dell'avvolgimento), ma non si tratta di un vero punto caldo e il valore misurato sarà di 10-20°C o più al di sotto della temperatura reale del punto caldo, con il rischio di margini di sicurezza insufficienti.

4. Quanti punti di misurazione della temperatura sono normalmente necessari per un trasformatore?

Ciò dipende dalla capacità e dall'importanza del trasformatore. Una configurazione tipica prevede 1 punto di misurazione della temperatura in fibra ottica nell'area del punto caldo di ciascuna delle tre fasi (A, B, C) dell'avvolgimento BT e 1 punto di misurazione della temperatura in fibra ottica nell'area del punto caldo di ciascuna delle tre fasi dell'avvolgimento AT, per un totale di 6 punti in fibra ottica. Inoltre, 1-2 punti Pt100 sono disposti sul nucleo di ferro e 1 Pt100 è utilizzato per monitorare la temperatura ambiente, costituendo un programma di monitoraggio completo.

5. In base a quale temperatura deve essere controllata la ventola di raffreddamento?

Il controllo più scientifico ed efficiente si basa sulla temperatura reale del punto caldo** del più alto degli avvolgimenti trifase**. Ciò garantisce che il ventilatore venga attivato solo quando è assolutamente necessario, consentendo una gestione termica precisa e un risparmio energetico.

6. Le termocamere sono ancora utili per le ispezioni di routine?

Molto utile. Anche se non è in grado di misurare il punto caldo interno, è lo strumento più efficace per l'ispezione rapida della superficie dell'avvolgimento, del nucleo, in particolare dei terminali e di altri punti di connessione esterni per il calore anomalo, è un potente complemento alla misurazione della temperatura della fibra ottica.

7. Il sistema di misurazione della temperatura a fibre ottiche fluorescenti richiede una calibrazione periodica?

Non è necessario. La tecnologia si basa su un principio fisico stabile in base al quale le caratteristiche di temperatura del materiale fluorescente sono calibrate con precisione in fabbrica e polimerizzate nel mainframe, garantendo un'eccellente stabilità a lungo termine ed eliminando la necessità di ricalibrazione per tutta la durata del trasformatore.

8. Come possono i dati sulla temperatura aiutarmi con la manutenzione predittiva?

Monitorando i dati relativi alla temperatura del punto caldo e alla corrente di carico nel tempo, è possibile modellare lo stato di salute del trasformatore. Se si scopre che l'aumento della temperatura del punto caldo è maggiore rispetto al passato a parità di carico e di temperatura ambiente, ciò può indicare difetti precoci come l'ostruzione dei condotti di raffreddamento, il guasto della ventola o i cortocircuiti interni tra le spire, guidando così l'utente verso una manutenzione mirata.

9. Che cos'è lo “sviluppo dinamico delle capacità”? Come lo supporta il monitoraggio della temperatura?

L'aumento dinamico della capacità si riferisce alla possibilità di far funzionare un trasformatore al di sopra della sua capacità nominale di targa per un breve periodo di tempo, in base alle temperature dei punti caldi in tempo reale e allo stato di raffreddamento. Solo attraverso il monitoraggio diretto e in tempo reale dei punti caldi, come le fibre ottiche fluorescenti, è possibile comprendere con precisione l'attuale margine termico del trasformatore, fornendo così una base di dati affidabile per prendere decisioni sull'aumento dinamico della capacità.

10. Quali sono le considerazioni più importanti nella scelta di un sistema di monitoraggio della temperatura?

Le cose più importanti sono **applicabilità** e **affidabilità**. Per i punti caldi all'interno dell'avvolgimento, la fibra fluorescente è l'unica opzione sicura e affidabile. Per le altre posizioni, la Pt100 è la scelta comprovata ed economica. Il sistema scelto deve avere un'affidabilità di tipo industriale ed essere in grado di funzionare stabilmente per lunghi periodi di tempo in sottostazioni con forti interferenze elettromagnetiche e ampie differenze di temperatura.

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