Come Testare un Trasformatore

I trasformatori subiscono una serie di test in vari momenti durante il loro ciclo di vita, con ciascuno di questi test che rientra in una categoria diversa, e il superamento è misurato con criteri diversi per ogni test. Ad esempio, testare un semplice trasformatore di controllo da 12 V utilizzando un multimetro non è affatto simile alla messa in servizio di un trasformatore di distribuzione da 1 MVA, a parte il fatto che il risultato è lo stesso in entrambi i casi. Questo articolo spiega cosa ottiene ogni test, cosa è necessario per eseguirli, come interpretare i risultati e le regole che devono essere osservate da chiunque abbia una certa consapevolezza della sicurezza.

Risposta in breve: Il multimetro è in grado di eseguire controlli di continuità, resistenza degli avvolgimenti e rapporto di tensione per trasformatori più piccoli, il che copre la maggior parte delle funzioni. Per quelli più grandi, tuttavia, è necessario utilizzare una batteria standard; questa deve verificare il rapporto di trasformazione entro ±0.5% dalla targa per ogni derivazione, la resistenza degli avvolgimenti per fase a fase e con valori di fabbrica, la resistenza di isolamento con indice di polarizzazione maggiore di 2.0. I trasformatori riempiti d'olio devono essere testati per la loro resistenza all'isolamento e analisi dei gas disciolti in conformità con gli standard di fabbrica specificati in IEC 60076 e IEEE C57.12.90.

I quattro tipi di test sui trasformatori

Ordinare i test in base a quando vengono eseguiti è il modo più veloce per capire perché ce ne siano così tanti.

Categoria	Scopo	trascurabile	Riferimenti normativi
Test di routine (di fabbrica)	Controllo qualità su ogni unità costruita	Durante la fabbricazione, ogni unità	IEC 60076-1, IEEE C57.12.00
Test di tipo (design)	Dimostrare che un design soddisfa le sue specifiche	Una volta per design, o su un prototipo	IEC 60076-3, IEEE C57.12.90
Test speciali	Ulteriore evidenza specificata dal cliente	Su richiesta	Dipendente dal contratto
Test di accettazione / messa in servizio	Confermare che l'unità è arrivata integra e sia installata correttamente	Prima della prima energizzazione	NETA ATS, IEEE C57
Test di manutenzione	Monitorare le condizioni durante la vita utile	Periodici, o dopo un guasto o un evento	NETA MTS, IEEE 62

La differenza tra test di accettazione e test di manutenzione è più significativa di quanto sembri. Le Specifiche di Test di Accettazione NETA (ATS) si applicano all'attrezzatura prima del suo utilizzo e stabiliscono le basi per lo stesso dispositivo. Le Specifiche di Test di Manutenzione (MTS) si applicano alla stessa attrezzatura dopo che inizia a essere utilizzata, il che è simile ma non è lo stesso processo. I test stessi sono simili, anche se i risultati e gli scopi sono diversi.

Per la messa in servizio, c'è un'altra distinzione importante da conoscere quando si pianifica la tempistica: c'è la lista di controllo per la messa in servizio con diversi passaggi in cui il completamento di un passaggio è cruciale per il successivo. Lavorare attraverso i passaggi nell'ordine corretto e registrare i valori di base man mano che si procede è la pratica descritta in questo lista di controllo per la messa in servizio del trasformatore.

Strumenti e cosa ti dice ciascuno

Strumento	Test	Cosa rileva
Multimetro digitale	Controlli di continuità, rapporto di tensione, fornitura	Avvolgimenti aperti, errori di rapporto grossolani, fornitura mancante
Ohmmetro a bassa resistenza / micro-ohmmetro	Resistenza degli avvolgimenti	Connessioni allentate, fili rotti, cattivi contatti delle derivazioni
Set di rapporto di trasformazione (TTR)	Rapporto di trasformazione e polarità	Contatto errato, avvolgimenti cortocircuitati, avvolgimento aperto, connessione errata
Tester di resistenza di isolamento (Megger)	IR, PI, DAR	Umidità, degrado dell'isolamento, contaminazione
Fattore di potenza di isolamento / set tan delta	Fattore di dissipazione, capacità	Invecchiamento dell'isolamento; condizione del bushing in configurazioni GST/UST
Kit di test dell'olio (cellula BDV, umidità)	Resistenza dielettrica dell'olio, contenuto d'acqua	Contaminazione dell'olio e ingresso di umidità (solo riempito di liquido)
Apparecchiatura di campionamento DGA	Analisi dei gas disciolti	Arco, guasti termici, scarica parziale, invecchiamento della cellulosa
Analizzatore SFRA	Analisi della risposta in frequenza a scansione	Deformazione dell'avvolgimento dopo il trasporto o guasto attraverso
Pinza amperometrica e termocamera	Corrente di carico e indagine termica	Carico sbilanciato, connessioni calde, problemi di raffreddamento

Vale la pena avvertire su due questioni. L'uso di un megger su un trasformatore mentre è ancora collegato a protezioni elettroniche, un parafulmine o un pannello di controllo li rovinerà. Assicurati sempre di isolarli e disconnetterli prima! Un'altra questione è un'ispezione termica — questo non significa nulla se il trasformatore è disattivato.

Prima di testare: Visivo, Meccanico e Sicurezza

Si nota che metà dei guasti vengono scoperti a seguito di un'ispezione visiva eseguita in modo appropriato.

• Targa e documenti. Controlla la tensione, la capacità nominale, il gruppo vettoriale, l'impedenza, la classificazione della temperatura e le impostazioni dei punti di prelievo rispetto al programma di test. Testare un'unità contro una targa errata potrebbe rovinarti la giornata.
• Condizioni fisiche. Danni da spedizione, perdite d'olio, danni ai manicotti, connessioni allentate, umidità nella scatola dei terminali, spostamento dei supporti del nucleo, manometro non funzionante.
• Livello e condizione dell'olio per le apparecchiature riempite d'olio. Olio torbido o scolorito è una scoperta di per sé.
• Messa a terra e collegamento. Messa a terra della cisterna, messa a terra di neutralità, messa a terra del nucleo e continuità dei relativi ponticelli di collegamento.
• Isolamento e bloccaggio. Isola l'alimentazione, applica lucchetti e etichette, assicurati che sia spento nel punto di lavoro. Gli standard PPE per l'arc-flash secondo la classe di tensione con cui lavori saranno regolati dalla NFPA 70E.

Test del multimetro che puoi eseguire senza alimentazione

Un multimetro non ti darà un quadro completo ma fornirà risposte a due domande critiche per un piccolo trasformatore: se un avvolgimento è aperto e se il rapporto è circa corretto.

Continuità e resistenza. Assicurati di isolare il trasformatore e controlla ogni avvolgimento singolarmente. Una lettura aperta indica che c'è una rottura nell'avvolgimento o nella sua connessione. Una lettura quasi zero su un avvolgimento che dovrebbe avere una certa resistenza suggerisce che c'è un avvolgimento in corto o un conduttore aperto. In un trasformatore riduttore, il primario dovrebbe avere una resistenza DC molto più alta rispetto al secondario poiché utilizza un filo più sottile e ha più spire.

Rapporto di tensione con alimentazione attiva. Metti la tua tensione AC nominale sul primario e misura il secondario sul tuo multimetro impostato su volt AC. La tensione primaria divisa per la tensione che misuri sul secondario dovrebbe darti il rapporto della targa. Anche se non avrai un carico, la lettura sarà leggermente errata a causa delle cadute attraverso l'avvolgimento, ma dovrebbe essere vicina. Spesso, una lettura errata è indicativa di essere sul punto di prelievo sbagliato, cablato in modo errato, o che il trasformatore non è come etichettato. Ad esempio, un trasformatore da 12 V dovrebbe darti 12 V in uscita sul secondario mentre fornisce 120 V in ingresso. Se leggi 6 V o 24 V sei o sul filo sbagliato o sul punto di prelievo errato.

Cosa non può fare un multimetro: non può localizzare un singolo giro corto con precisione, non può determinare lo stato dell'isolamento (verificare la resistenza di isolamento tra gli avvolgimenti richiede una fonte DC e non la gamma di ohm a bassa tensione del multimetro) e non può determinare il rapporto con la stessa precisione di un dispositivo TTR. Per qualsiasi cosa oltre a un piccolo forno o trasformatore di controllo, un multimetro dovrebbe essere solo il primo passo.

Due situazioni si sono rivelate problematiche: se il secondario di un forno o di un trasformatore di controllo HVAC fornisce 24 V AC mentre il termostato è in chiamata. Un secondario che fallisce sotto carico indica problemi nel circuito a valle invece di un guasto del trasformatore. Il secondo caso problematico coinvolge trasformatori ad alta tensione nei forni a microonde. In questo caso, la migliore soluzione è non testare affatto in vivo.

Rapporto di Trasformazione (TTR)

Il test del rapporto di trasformazione è uno dei test informativi più significativi che puoi eseguire. È anche quello più spesso trascurato sul campo.

Il TTR applica una bassa tensione a uno degli avvolgimenti e monitora la tensione indotta sul secondo avvolgimento, prendendo il rapporto misurato e confrontandolo con il valore di targa. Il criterio di accettazione per il test è fornito in IEEE C57, che afferma che questo non dovrebbe essere superiore a ±0.5% rispetto al valore calcolato in tutti gli avvolgimenti.

Il test guadagna il suo valore attraverso l'interpretazione.

• Se la percentuale di passo di derivazione è la stessa in tutti i punti di derivazione, la macchina è stata posizionata sul punto di derivazione sbagliato; questo non è un difetto ma un errore di messa in servizio.
• Se c'è un punto di derivazione mancante — ci sono problemi con il conduttore di derivazione o il contatto del cambiavalute.
• Una delle fasi manca di misurazioni e ha un'elevata corrente di eccitazione — quindi ci sono alcuni giri corti.
• Se non c'è alcuna lettura — è un avvolgimento aperto o un conduttore rotto.

Un TTR che è fuori tolleranza non consente l'energizzazione fino a quando non è stato spiegato.

Resistenza degli Avvolgimenti

La resistenza degli avvolgimenti viene misurata utilizzando un ohmmetro a bassa resistenza con corrente DC, che viene iniettata attraverso ciascun avvolgimento e misurata per ogni fase e punto di derivazione. La lettura è espressa in milliohm. I confronti vengono effettuati da fase a fase, lettura di fabbrica per temperatura e punto di derivazione a punto di derivazione.

Poiché la resistenza del rame varia con la temperatura, tutte le letture devono essere adeguate a una temperatura standard per il confronto. Una variazione di un grado è insignificante; tuttavia, una variazione di dieci gradi può presentare letture errate. L'unico numero utile non è assoluto ma relativo, cioè, una fase che presenta valori elevati rispetto alle altre indica un difetto di connessione in quella fase, mentre una lettura che si discosta dal suo valore di fabbrica indica un difetto di connessione in via di sviluppo.

Resistenza di Isolamento, PI e DAR

Il seguente test consente di valutare l'umidità e il degrado dell'isolamento e, allo stesso tempo, è il test che è più probabile venga eseguito in modo errato.

Il test di resistenza dell'isolamento si basa sull'uso di DC alla tensione accettabile per qualsiasi avvolgimento al fine di determinare la resistenza dell'isolamento; di solito, viene utilizzato il valore di 500 V per l'avvolgimento a bassa tensione e quello di 1 kV e superiore viene applicato agli avvolgimenti a media tensione. I moderni dispositivi a stato solido consentono di svolgere facilmente questo compito, ma la vera difficoltà risiede nell'interpretazione del risultato ottenuto.

Tuttavia, l'importanza reale va ad altri due parametri. L'indice di polarizzazione (PI) è determinato come il valore della resistenza a intervallo di tempo di 10 minuti diviso per quello a 1 minuto, il cui valore dovrebbe essere pari a un minimo accettato di 2.0. Il rapporto di assorbimento dielettrico (DAR) è un altro parametro che viene determinato come il valore della resistenza a 60 secondi diviso per quello a 30 secondi e che dovrebbe avere un valore minimo di 1.4.

Tuttavia, la presenza del PI e del DAR avrà poca importanza se alcune considerazioni pratiche vengono ignorate. Il primo punto importante da tenere in considerazione è che la misurazione del PI diventa inaccettabile quando il valore della resistenza a un minuto supera il valore di 5.000 MΩ, perché nessun errore di misurazione domina il risultato.

La tensione di prova stessa è impostata dal livello di isolamento dell'avvolgimento, e la relazione tra tensione nominale, tensione di tenuta e il test che si applica è oggetto di una propria spiegazione di livello di isolamento di base (BIL). Se si sbaglia il livello, si sottopone l'unità a un test insufficiente o la si danneggia.

Dielettrico di tenuta, scarica parziale e impulso

I test sopra menzionati dimostrano che l'isolamento può resistere a qualsiasi sfida che la rete possa presentare. Questi test sono test standard di fabbrica e possono essere ripetuti in campo utilizzando vari apparecchi se si desidera eseguire test su trasformatori più grandi.

• Test di tenuta a frequenza di potenza. L'oggetto del test è sottoposto a una tensione di prova specifica per un tempo specifico mentre la tensione viene gradualmente aumentata da un quarto del valore di prova fino al valore. Il criterio di passaggio è che non si verifichino rotture o archi durante il test. Gli standard utilizzati durante i test sono prescritti nella IEC 60076-3.
• Test di impulso da fulmine. I test imitano impulsi 1.2/50 µs per imitare i fulmini ai livelli per la particolare classe di tensione.
• Misurazioni di scarica parziale. I test effettuano misurazioni di PD per guasti locali all'isolamento normalmente non rilevabili tramite test di tenuta. Di solito, il valore accettabile per i nuovi trasformatori è di circa 10 pC alla tensione nominale fase-terra.

Tutti questi sono test distruttivi. Evitare di improvvisare durante l'esecuzione di essi in un sito e non testare un'unità di servizio con una tensione superiore a quella specificata nella targhetta.

Senza carico, perdita di carico e impedenza

Tre test valutano le caratteristiche elettriche del trasformatore in termini di design.

A causa della supervisione del test di eccitazione (senza carico), l'applicazione della tensione nominale su un avvolgimento avviene mentre l'altro avvolgimento è spento, consentendo misurazioni di tensione, corrente e potenza. Una corrente indotta troppo alta suggerisce che si è verificato un malfunzionamento nel circuito interno a causa del cortocircuito di alcuni avvolgimenti o guasti nel nucleo. Per un trasformatore che utilizza un nucleo a tre gambe, i valori di assestamento esterno dovrebbero essere maggiori delle letture del nucleo stesso; in caso contrario, indica alcuni problemi e un presunto malfunzionamento.

Quando si valuta la perdita di carico e l'impedenza, l'avvolgimento del trasformatore è cortocircuitato, mentre un'alimentazione fornisce la tensione nominale e quindi raggiunge la corrente nominale. Il valore dell'impedenza così calcolato viene confrontato con quello mostrato sulla targhetta e si consente una deviazione di circa ±7.5% per non uscire dalla fabbrica a due avvolgimenti. È necessario sottolineare l'importanza del coefficiente di impedenza nell'uso pratico del trasformatore, poiché è il principale e cruciale fattore che influisce sull'efficienza dell'intero dispositivo in futuro.

Test dell'olio e analisi dei gas disciolti

Per i trasformatori riempiti d'olio, l'olio funge sia da isolante che da refrigerante, quindi è un indicatore costante di ciò che sta accadendo nel serbatoio del trasformatore. Per quanto riguarda i trasformatori di tipo secco, non c'è olio e quindi non ci sono test sull'olio. Pertanto, i test si basano solo su mezzi elettrici.

Test di resistenza dielettrica e umidità. Il test dell'olio comprende test sulla tensione di rottura e sul contenuto di umidità. Se c'è una diminuzione della BDV dell'olio o un aumento dell'umidità, indica l'ingresso di acqua nel trasformatore o il deterioramento dell'olio. Fortunatamente, entrambi questi parametri sono economici da misurare.

Dissolved gas analysis. DGA is by far the most advanced measure for oil immersed transformers and it works because various faults produce different gases. For example, thermal faults above 700 degrees Celsius generate ethylene and methane; for thermal faults between 300 and 700 degrees Celsius, ethane and ethylene are produced; partial discharge is characterized by the presence of hydrogen and methane while arcing results in generating of acetylene which is known to be a serious indication of the fault; as for overheating of cellulose, it is characterized by carbon monoxide, carbon dioxide and furfural.

Interpretation is outlined by IEEE C57.104 which is currently based on percentiles rather than total combustible gas content. Other methods that can be used include Duval triangle and pentagon. That is the reason why there is no point in using any tables available online in terms of DGA limits, as the limits are determined by the specific equipment’s age and gas history.

Trend is much more important than a single sample. If gas readings are stable for many years, this is a good sign even if the values are high. On the contrary, increase in readings is alarming even if the readings are not high. This is the reason why the testing should be done on a regular basis and compared to previous data during each testing.The monitoring practice that makes this practical, including continuous gas monitoring instead of periodic sampling, is described in this overview of real-time transformer gas monitoring for condition-based maintenance.

Polarity, Vector Group and Phasing

This testing will show that the transformer has been hooked up in accordance with the information given on the nameplate, ensuring safety of parallel operation. The single-phase polarity test is used to determine whether the winding is of additive or subtractive polarity. The three-phase phase relation test confirms the vector group and phase sequence of the transformer. Mismatching polarity or vector groups of two transformers being operated in parallel results in the generation of a current that is strong enough to burn both transformers. Hence, this is a critical stage of commissioning.

Reading the Numbers: Pass, Investigate or Stop

Test	Typical acceptance	Investigate	Stop and diagnose
Turns ratio (TTR)	Within ±0.5% of nameplate, all taps	Any consistent deviation	Single phase off, or no reading
Resistenza degli avvolgimenti	Balanced phase to phase, matches factory report	A few percent spread	One phase clearly high or drifting
Resistenza di isolamento	Above the baseline for the class	Falling trend against previous tests	Below the minimum for the voltage class
Indice di polarizzazione	≥ 2.0	1.5–2.0	Near 1.0 (unless 1-minute IR exceeds 5,000 MΩ)
Impedenza (%Z)	Within ±7.5% of nameplate	Modest deviation	Large deviation — likely winding deformation
DGA	Status 1, stable trend	Rising trend or Status 2	Acetylene present, or Status 3
Oil BDV	Above the specified minimum	Falling against baseline	Low enough to compromise insulation

What should be done when the tested unit failed is to explain why it failed instead of making a judgement about it. If a unit shows excessive ratio because a wrong tap was used, it can be fixed in five minutes. If a dry-type unit shows somewhat low PI while possessing very high IR value, it indicates the presence of measurement noise, not degradation.Diagnostic discipline at this stage is what stops a serviceable transformer being scrapped on the strength of one number, and the systematic route through the common failure modes is set out in this guide to troubleshooting power transformer faults.

How the Test Battery Changes by Transformer Type

The basic electrical tests are universal. The only thing that changes is the details and the stress given.

• Distribution transformer (with oil). The entire battery of electrical tests plus oil BDV, moisture and DGA. The standard tool for roadside and pit-type transformers
• Dry transformers. The same battery of electrical tests but without the oil tests. For dry-type machines, the procedures are automatic and described here in the dry-type transformer routine tests description. PD measures are quite significant because there is no oil to test.
• Large power transformers. In addition to all the electrical tests mentioned above, the insulation power factor test (in GST, GSTg, UST versions), capacitance test, bushing power factor test against nameplate C1 parameter; SFRA method for everybody will be added.
• Instrument transformer. Ratio and polarity checks, and also accuracy class testing are to be performed according to their own standards, not according to that of the large power transformers.
• Small and single-phase transformers. Simple tests are usually enough: continuity test, resistance test, ratio test, voltage test.

Safety Rules That Are Not Optional

Discharge after every DC test. TTR, insulation resistance and power factor tests all charge the winding and a winding retains this charge, like a capacitor, after disconnection. It must be grounded using a grounding stick immediately after testing and kept grounded until next step. This is how technicians can get shocked by a deactivated meter.

Prior to carrying out any resistance or continuity measurement isolate and lockout. The meter can be destroyed, and operator can be hurt if an ohmmeter is used on a powered circuit.

Unplug surge protectors, protective relays, and control circuits before testing insulation resistance. High voltage will damage them.

PPE must correspond to the voltage class according to NFPA 70E standards and the results of the arc flash study conducted at the facility, not to the tradition.

FAQ

How to test if a transformer is working?

To check a smaller transformer, first isolate it, conduct winding continuity checks and DC resistance measurements on it using a multimeter, and then apply the rated AC voltage to its primary side and verify that the secondary side reads almost the rated voltage on it. For larger transformers, the passed field check consists of a turns ratio test on every tap that is within ±0.5% of nameplate specification, insulation resistance measurement yielding a polarization index higher than 2.0, and visual and thermal inspections under load. In case of oil-filled transformers, the boil dielectric strength test and dissolved gas content test are also required. The term “working” means that all said above have passed rather than the secondary having some kind of voltage on it.

What are the methods of testing a transformer?

There are prominent electrical methods including turns ratio (TTR), winding resistance, insulation resistance using polarisation index and dielectric absorption ratio, insulation power factor or tan delta, applied voltage (power frequency withstand), lightning impulse, partial discharge, excitation or no-load loss, load loss with short-circuit impedance, polarity and phase relationship etc. In terms of mechanical or chemical methods, SFRA and oil dielectric strength moisture testing and dissolved gas analysis can be used for transformers. The choice of method depends on the type of transformer, size and stage of its life.

How to test a 12V transformer with a multimeter?

Make sure that the transformer is disconnected from loads. Set the meter to ohms and measure the resistance across the primary: it must show positive resistance, not an open circuit and its value should be greater than that of the secondary winding since the latter usually consists of thicker wire and has fewer turns. If the transformer can be used with mains supply on the primary, supply the transformer with the rated voltage and measure the secondary voltage with the meter set to the AC volts — the meter must read close to 12 Volts without load and may show a little higher voltage. If the readings are half or double the expected value, the readings have been taken from some other winding. Do not connect mains to the transformer if its primary circuit rating is unknown.

How to test a transformer with a multimeter without power?

Checking continuity and DC resistance without power only is possible. Using the two meters you need to check winding by winding. If your reading is infinite ohms, you have an open circuit problem in the winding or lead. If the reading is almost zero while in winding having considerable resistance, you have a short circuit. By comparing primary and secondary resistance, you can figure out whether the unit is step-down transformer and how it is wired in general. However, you cannot establish turns ratio, insulation resistance between the windings or locate a single shorted turn.

How to test a transformer with a megger?

The next step is to isolate the transformer as completely as possible. Disconnect the surge arresters, protection relay and control electronics first. Decide on the test voltage for winding insulation class — low voltage windings have 500 V DC, and medium voltage has 1 kV or higher. Winding to earth is measured first, and then winding to winding. Ensure the test is conducted for the full duration — don’t just read the needle right away. Polarization index is obtained from the reading done after 1 min and 10 min; NETA acceptance is above 2.0, dielectric absorption ratio is above 1.4. Also remember to adjust your raw insulation resistance for temperature before comparing it with the baseline values.

Can I test a transformer without disconnecting it?

Although it is possible to apply ratio and continuity tests to a circuit that has been disconnected, in the case of insulation testing, the insulation resistance test applies a high voltage direct current which results in damaging any equipment that may be connected. Thus the disconnection of the circuit is not simply a procedure but a necessary prerequisite for making such tests valid.

Riferimenti

• Commissione Elettrotecnica Internazionale — Serie IEC 60076, Trasformatori di potenza
• IEC Webstore — IEC 60076-15, Power transformers, Part 15
• IEEE Standards Association — IEEE C57.12.90 test code, IEEE 62 field diagnostics, IEEE C57.104 DGA
• NFPA — NFPA 70, National Electrical Code (Article 450, transformers)
• UL Standards & Engagement — UL 1562, Transformers, Distribution, Dry-Type
• UL Solutions — transformer and electrical equipment testing services

Conclusione

The tests on a transformer follow a specific order, and it is this order that makes them dependable. First comes the visual inspection, and then comes the dead tests followed by the live tests, with the winding always discharged after each DC test and all measurements taken and kept as reference.

When it comes to transformer testing, there are essentially three points that must be taken into consideration. A transformer needs to be tested according to its specific characteristics. A control transformer would need only a multimeter and a turns ratio test kit while a 1MVA transformer would require equipment that is completely different from that. A qualitative comparison of the data should be done, rather than relying on some absolute figures — the turns ratio should be within ±0.5 percent of the nameplate reading, winding resistance should be well balanced among phases and must match factory specs, and PI should be above 2.0 only to realize that at higher resistance levels this indicator has little or no meaning anymore basically.

Moreover, the tests need to be conducted in a specific order making sure to record everything and discharge the winding after each and every DC test. The majority of transformer issues are visible way before they actually happen.