Sistema di monitoraggio online della microacqua nell'olio del trasformatore: tecnologia, dati e diagnostica

Nel sistema di isolamento di un trasformatore di potenza, l'olio isolante e la carta isolante (cellulosa) formano l'isolamento composito olio-carta. L'acqua (H₂O) è una delle impurità più pericolose in questo sistema e il monitoraggio accurato del suo contenuto è un aspetto fondamentale per valutare lo stato di salute del trasformatore, prevenire incidenti di rottura dell'isolamento e prolungare la vita dell'apparecchiatura. Il sistema di monitoraggio on-line della microacqua nell'olio del trasformatore è la tecnologia di manutenzione preventiva (PdM) chiave per raggiungere questo obiettivo.

Parte I: Meccanismo pericoloso dell'umidità sul sistema di isolamento in carta oleata

I danni causati dall'umidità al sistema di isolamento dei trasformatori sono molteplici: i rischi principali sono l'invecchiamento accelerato dell'isolamento e la riduzione della resistenza dell'isolamento.

1. Invecchiamento accelerato dell'isolamento solido (carta isolante): L'acqua è il principale catalizzatore della reazione di idrolisi della cellulosa. Ogni rottura della catena molecolare di cellulosa consuma una molecola d'acqua. Più alto è il contenuto di umidità, più veloce è la velocità della reazione di idrolisi, con conseguente forte diminuzione del grado di polimerizzazione (DP) della carta isolante, diminuzione della resistenza meccanica e infine fragilità e rottura.

2. Riduce la tensione di rottura dell'olio isolante: L'acqua disciolta nell'olio ha un piccolo effetto sulla tensione di ripartizione, ma quando l'acqua raggiunge la saturazione e si presenta sotto forma di acqua libera (minuscole goccioline d'acqua), la tensione di ripartizione dell'olio diminuisce notevolmente. Sotto l'azione del campo elettrico, le goccioline d'acqua si polarizzano e si allungano, ed è molto facile che formino un percorso conduttivo per innescare il breakdown.

3. Scarica parziale indotta (PD): L'umidità riduce la tensione di scarica dei materiali isolanti. Soprattutto all'interfaccia olio-carta e nelle piccole fessure d'aria dell'isolamento, la presenza di umidità aumenta notevolmente il rischio di scariche parziali.

4. “Rischio di ”effetto bolla": Quando il carico del trasformatore aumenta improvvisamente o la temperatura sale bruscamente, l'acqua contenuta nella carta isolante evapora rapidamente ma non riesce a dissolversi in tempo nell'olio, con conseguente formazione di bolle di gas sulla superficie dell'avvolgimento. La rigidità dielettrica del gas è molto inferiore a quella dell'olio e queste bolle sono altamente suscettibili di rottura sotto il campo elettrico di funzionamento, il che può portare a cortocircuiti catastrofici da giro a giro o da strato a strato.

Parte II: Fonti di umidità all'interno del trasformatore

• Residui di produzione: Trattamento di essiccazione sottovuoto incompleto del corpo del trasformatore, con conseguente presenza di umidità iniziale nel materiale isolante.

• Intrusione esterna: Cattiva tenuta (ad es. invecchiamento di boccole e guarnizioni), assorbimento di umidità nello sfiatatoio, processi di iniezione o filtraggio dell'olio non qualificati, con conseguente ingresso di umidità nell'aria all'interno del trasformatore.

• Generato internamente: Nel normale processo di invecchiamento della carta isolante, la rottura della catena molecolare di cellulosa si trasforma in sottoprodotti di molecole d'acqua. Si tratta di un processo di invecchiamento auto-accelerato.

Parte III: Principio di funzionamento e composizione del sistema di monitoraggio online

Il sistema di monitoraggio online della microacqua consente di misurare in continuo il contenuto di umidità nell'olio isolante installando una sonda di rilevamento nel circuito dell'olio del trasformatore.

1. Unità di rilevamento e misurazione (nucleo):

   • Principi tecnici: ampiamente utilizzatoSensore capacitivo a film sottile (TFS). Il cuore del sensore è costituito da un film polimerico la cui costante dielettrica varia in funzione del numero di molecole d'acqua assorbite, provocando una variazione del valore di capacità. Misurando la variazione del valore di capacità, è possibile calcolare con precisione i parametri dell'acqua nell'olio.

   • Metodo di montaggio: Di solito viene montata sulla valvola di scarico dell'olio o sulla valvola di sicurezza del corpo del trasformatore per mezzo di una valvola a sfera e la sonda viene immersa direttamente nell'olio. Per garantire misure rappresentative, è preferibile installarla in una posizione che rifletta la circolazione principale dell'olio (ad esempio, le linee di ingresso e di uscita del refrigeratore).

2. Unità di acquisizione e trasmissione dati:

   • Converte il segnale capacitivo emesso dal sensore in un segnale digitale o analogico standardizzato.

   • Sensore di temperatura incorporato per compensare la temperatura delle misure di umidità e fornire letture più accurate.

   • In genere è integrato con la sonda di rilevamento in una struttura integrata.

3. Unità di comunicazione e visualizzazione:

   • Fornisce la funzione di visualizzazione digitale locale, per facilitare la lettura dei dati da parte degli ispettori del sito.

   • I dati vengono trasmessi al sistema di monitoraggio back-office della sottostazione (SCADA) o a un server dati dedicato tramite RS-485 (protocollo Modbus) o uscita analogica 4-20mA.

Parte IV: Interpretazione dei principali indicatori di monitoraggio: ppm vs. attività dell'acqua (aw)

I sistemi di monitoraggio online forniscono in genere due indicatori principali ed è fondamentale capire la differenza tra di essi.

• Contenuto assoluto di umidità (ppm - Parti per milione).

  • Definizione: Rapporto di massa, che indica quanti milligrammi di acqua sono contenuti in ogni chilogrammo di olio isolante (mg/kg).

  • Limitazioni: È unAltamente dipendente dalla temperaturaI parametri. A condizione che la quantità totale di umidità rimanga invariata, quando la temperatura dell'olio aumenta, la solubilità dell'olio per l'acqua aumenta e l'umidità presente nella carta isolante migra verso l'olio, determinando un valore ppm più elevato nell'olio; al contrario, quando la temperatura dell'olio si abbassa, il valore ppm nell'olio diminuisce. Pertanto, il semplice valore in ppm non può riflettere con precisione il grado di umidità nell'isolamento solido.

• Attività dell'acqua (aw - Water Activity) o Saturazione relativa (%RS).

  • Definizione: aw = P / P₀, dove P è la pressione di vapore dell'acqua nell'olio e P₀ è la pressione di vapore di saturazione dell'acqua pura alla stessa temperatura. Indica la tendenza o la “vivacità” dell'acqua nell'olio a fuoriuscire, da 0 (completamente secco) a 1 (saturo).%RS = aw × 100%.

  • Vantaggio: L'attività dell'acqua èParametro di stato di equilibrio che caratterizza l'umidità nei sistemi di isolamento a olio e cartaL'attività dell'olio è uguale a quella della carta quando si raggiunge l'equilibrio olio-carta. All'equilibrio di umidità olio-carta, l'attività dell'olio è uguale a quella della carta. aw è un riflesso diretto della pressione di “bagnatura” dell'umidità sull'isolante solido ed è indipendente dalle variazioni di temperatura.Pertanto, l'attività dell'acqua (aw) è un indicatore più fondamentale e affidabile per capire se l'isolamento solido è esposto all'umidità.

Parte V: Parametri tecnici tipici

Parte VI: Domande frequenti (FAQ)

D1: Come si possono utilizzare i dati di monitoraggio online per determinare lo stato di isolamento di un trasformatore?
Risposta: Dovrebbe concentrarsi suAttività dell'acqua (aw)和Tendenze dei dati。

• aw < 0,2: L'isolamento è asciutto e in buone condizioni.

• 0,2 ≤ aw < 0,4: È necessario prestare attenzione alla presenza di una leggera umidità nell'isolamento, combinata con i dati della cromatografia dell'olio per formulare un giudizio completo.

• aw ≥ 0,4: L'isolamento è seriamente compromesso dall'umidità e c'è il rischio di un “effetto bolla”, che deve essere pianificato per l'asciugatura.

• Analisi delle tendenze: Un valore aw costante per un lungo periodo di tempo indica una buona tenuta. Se il valore aw mostra una tendenza costante e in lento aumento, può indicare che l'isolamento si sta deteriorando o che c'è un lento ingresso di umidità dall'esterno. Se il valore aw fluttua drasticamente con la temperatura, indica anche che l'isolamento solido contiene un alto livello di umidità.

D2: È necessario che si verifichi un'interruzione di corrente per installare un dispositivo di micro monitoraggio dell'acqua in linea?
Risposta: Di solito non è necessario. L'unità è progettata per l'installazione sotto pressione. Utilizzando una speciale valvola a sfera per alte pressioni, può essere installata in modo sicuro sulla valvola di un trasformatore in funzione. L'intero processo di installazione non influisce sul normale funzionamento del trasformatore.

D3: Perché c'è una differenza tra il valore in ppm del monitoraggio online e il valore in ppm del test di laboratorio?
Risposta: Le differenze derivano principalmente daTemperature diverse durante il campionamento e la misurazione. La temperatura del campione di olio è stata portata a temperatura ambiente prima del test di laboratorio, mentre il monitoraggio online viene misurato alla temperatura dell'olio in tempo reale. Poiché il valore in ppm è sensibile alla temperatura, i due valori non sono solitamente confrontabili. L'attività dell'umidità (aw), d'altra parte, è molto poco influenzata dalla temperatura all'equilibrio, quindi i valori aw online dovrebbero essere più in accordo con i valori aw di laboratorio.

D4: Il sistema può sostituire completamente i tradizionali test dell'olio offline?
Risposta: Non sono un sostituto completo, ma complementari l'uno all'altro. Il monitoraggio online fornisceDati e tendenze continueCiò non è possibile con i test offline ed è essenziale per individuare tempestivamente le anomalie e analizzare le tendenze. Al contrario, le analisi periodiche dell'olio in laboratorio (ad esempio, cromatografia dell'olio DGA, test di tensione di rottura, ecc.) forniscono informazioni più complete sulla qualità dell'olio. La prassi migliore è quella di combinare i dati di monitoraggio online con i risultati di laboratorio periodici per ottenere una valutazione completa e tridimensionale delle condizioni del trasformatore.