Il responsabile della sicurezza delle utility sta attualmente esaminando le ragioni per cui tre sottostazioni non sono state in grado di superare un audit interno. Una delle sottostazioni non ha controllato il circuito di attivazione del gas del relè Buchholz che era stato collegato a una lampada di allarme. Nella seconda sottostazione, il firewall che separa due trasformatori da 10MVA era più corto del bund di contenimento dell'olio e, in caso di esplosione del serbatoio, l'olio in fiamme sarebbe fuoriuscito oltre il muro. Nella terza sottostazione, l'olio del trasformatore era stato utilizzato per nove anni senza essere testato per la dielettricità e il suo contenuto d'acqua era quasi quattro volte il limite consentito. In tutti e tre i casi, la ragione sottostante era che i membri del team di progetto non avevano utilizzato gli standard di sicurezza per i trasformatori immersi in olio.
La guida descrive i importanti standard tecnici di sicurezza per i trasformatori immersi in olio, come gli standard internazionali (IEC, IEEE, NFPA), i codici nazionali (GB, NEC) e le pratiche operative, e spiega come questi standard siano in grado di proteggere persone, attrezzature e ambiente. La guida è stata scritta per ingegneri, project manager e acquirenti che devono comprendere cosa si intende per conformità prima di approvare le specifiche.
Risposta rapida: Le principali normative di sicurezza per i trasformatori immersi in olio sono la serie IEC 60076 (progettazione, test, prestazioni in cortocircuito), IEC 60296 e IEC 60422 (qualità dell'olio), IEC 60599 (interpretazione DGA), IEEE C57.12.00 e C57.104 (analoghi nordamericani e valutazione del gas), e codici antincendio ed elettrici – NFPA 70 (NEC), NFPA 850 (protezione antincendio degli impianti), IEC 61936 (installazione oltre 1kV). Numeri critici di conformità: resistenza dielettrica dell'olio ≥ 50 kV/2.5mm per olio nuovo; punto di infiammabilità dell'olio minerale ≥ 135°; punto di incendio ~160°; aumento della temperatura dell'avvolgimento ≤ 65K; resistenza ai fulmini di 170 kVp per trasformatori di classe 35kV. I dispositivi di sicurezza relè Buchholz, rilascio di pressione, ritenzione dell'olio devono essere osservati secondo IEC 60076-1 e IEC 61936.
Perché gli standard sono importanti per i trasformatori immersi in olio
Un trasformatore immerso ha in un singolo serbatoio tre classi di pericoli. Qui ci riferiamo a diverse situazioni in cui ci sono grandi quantità di un fluido combustibile, la capacità energetica sufficiente per creare un arco, e gas pressurizzati nel caso in cui qualcosa vada storto. Quando qualcosa va storto, il danno non è proporzionale. Un piccolo difetto nell'isolamento in un trasformatore da 30 MVA può portare a un'esplosione del serbatoio e alla spruzzata di olio in fiamme su un ampio territorio. Esistono linee guida a seguito del fatto che la fisica dei guasti è spietata, e le lezioni apprese attraverso incidenti sfortunati costano vite e intere sottostazioni.
Il sistema di norme opera su più livelli. Il sistema di norme di progettazione garantisce che i dispositivi siano abbastanza durevoli da sopportare lo stress che devono affrontare. Le norme di prova consentono di verificare che la durabilità sia raggiunta in fabbrica. La norma di installazione assicura la corretta installazione dell'attrezzatura. La norma operativa fornisce un funzionamento duraturo della macchina. Infine, i codici antincendio prevengono distruzioni significative nel caso in cui qualcosa vada storto. Un'installazione conforme è un'installazione che utilizza tutti i livelli di norma.
IEC 60076: La spina dorsale della progettazione e della prova
La serie IEC 60076 si riferisce agli standard internazionali per trasformatori ed è riconosciuta da quasi tutti i codici nazionali nel mondo. Gli standard più rilevanti per quanto riguarda i trasformatori immersi in olio sono:
| Standard | Ambito | Requisito di sicurezza chiave |
|---|---|---|
| IEC 60076-1 | Requisiti generali | Valutazione, aumento di temperatura, prelievo, requisiti accessori |
| IEC 60076-2 | Aumento di temperatura | Aumento medio dell'avvolgimento ≤ 65K, aumento del punto caldo ≤ 78K sopra 40°C |
| IEC 60076-3 | Livelli di isolamento e prove dielettriche | 170 kVp LI per classe 35kV; limiti di resistenza AC e PD |
| IEC 60076-4 | Prove di impulso da fulmine | Procedure di prova di impulso completo e troncato |
| IEC 60076-5 | Resistenza al cortocircuito | Verifica della progettazione e della prova contro cortocircuito di 2s |
| IEC 60076-7 | Guida al carico | Regimi di sovraccarico sicuri basati sulla temperatura del punto caldo |
| IEC 60076-10 | Determinazione del livello sonoro | Conformità al rumore per aree residenziali |
Ognuno di questi componenti si traduce in un segno di ok/fallimento presentato su un rapporto di prova in fabbrica. Le prove dielettriche dimostrano la resistenza all'isolamento alle più alte sovratensioni che si verificano nella rete. Le prove di cortocircuito dimostrano la capacità di avvolgimento e di bloccaggio dell'unità di resistere a un cortocircuito bloccato. I limiti di aumento della temperatura assicurano che l'isolamento sia mantenuto nel suo intervallo di invecchiamento progettato. Se un produttore non può presentare questi rapporti, la sicurezza dell'unità è solo un'affermazione, piuttosto che un fatto provato.
Norme sull'olio: IEC 60296, IEC 60422 e DGA
L'olio isolante è caratterizzato sia come dielettrico che come mezzo diagnostico ed è soggetto a due norme riguardanti la sua vita.
IEC 60296 stabilisce le specifiche per il nuovo olio per trasformatori. valori chiave: tensione di rottura ≥ 30 kV/2.5mm prima del trattamento e ≥ 60 kV/2.5mm dopo il trattamento per i gradi più elevati, contenuto d'acqua ≤ 30 ppm, tan delta ≤ 0.005 a 90 gradi centigradi, e punto di infiammabilità ≥ 135° C per olio minerale inibito.
IEC 60422 si occupa della supervisione sul campo. Stabilisce soglie per il contenuto d'acqua, acidità, tensione di rottura e tan delta in base alla classe di tensione, oltre a definire gli intervalli per il campionamento. Per un trasformatore della classe 35 kV, il valore raccomandato per la tensione di rottura in esercizio è solitamente 50 kV/2.5mm.
L'analisi dei gas disciolti rappresenta il livello diagnostico. La IEC 60599 definisce come analizzare i sette gas chiave che sorgono a causa di vari guasti: idrogeno, metano, etano, etilene, acetilene, monossido di carbonio e anidride carbonica. Il raddoppio dell'idrogeno con l'aumento dell'acetilene indica che si verifica un arco, mentre l'etilene sostenuto con un alto contenuto di idrogeno indica guasti termici. Questa interpretazione dei guasti secondo la norma rappresenta di gran lunga lo strumento diagnostico più importante per monitorare i dispositivi riempiti d'olio in modo tempestivo nella fase attuale.
| Proprietà dell'olio | Olio nuovo (IEC 60296) | Limite in servizio (IEC 60422) |
|---|---|---|
| Tensione di rottura | ≥ 30 kV/2.5mm (non trattato), ≥ 60 kV/2.5mm (trattato) | ≥ 50 kV/2.5mm per classe >72.5 kV |
| Contenuto d'acqua | ≤ 30 ppm | Tendenza in aumento investigata > 20-30 ppm |
| Acidità (valore di neutralizzazione) | ≤ 0,01 mg KOH/g | ≤ 0,10-0,15 mg KOH/g |
| Tan delta a 90°C | ≤ 0,005 | ≤ 0.05-0.10 a seconda della classe |
| Punto di infiammabilità | ≥ 135°C | Nessun calo significativo dal valore nuovo |
Questi requisiti sono misurazioni tangibili delle prestazioni di sicurezza dell'olio per trasformatori; seguire questi requisiti è considerato un criterio per l'acquisto e l'uso, non solo un'intenzione.
Dal punto di vista operativo, è finanziariamente favorevole. Il test regolare dell'olio di un trasformatore da 10 MVA costa $200–$600 a seconda del laboratorio utilizzato per il test e dell'ambito delle necessità. Una tendenza DGA trascurata che porta alla generazione di un guasto a punto caldo comporta costi di $200,000–1,000,000 per la sostituzione e il fermo dell'unità. Il rapporto dimostra la redditività della pratica che è 1:1,000.
Standard IEEE: C57.12.00 e C57.104
In Nord America e in altri territori dove è sostenuta la tecnologia statunitense, l'IEEE C57 svolge comunque la funzione IEC 60076 altrove.
- L'IEEE C57.12.00 è lo standard dei requisiti generali nel campo dei trasformatori di distribuzione e potenza riempiti di liquido, specificando le classifiche, l'impedenza, l'aumento di temperatura, i test dielettrici (livello di impulso di base, BIL) e le pratiche di test. Ad esempio, secondo le definizioni IEEE, un trasformatore di classe 35kV dovrebbe tipicamente avere il BIL di 200 kV.
- Il documento IEEE C57.104 funge da guida per interpretare i risultati DGA raggruppando le concentrazioni di gas in 4 categorie (normale, elevata, alta e molto alta) con azioni predefinite e ripetizione per il campionamento.
- IEEE C57.12.10 è lo standard che discute i progetti inclusi quelli montati su basamento e i tipi a vault.
IEC e IEEE differiscono solo nella fase delle loro specifiche. Le unità sviluppate secondo uno standard non possono soddisfare i requisiti dell'altro standard poiché i livelli di impulso, le tolleranze di impedenza e le convenzioni di denominazione differiscono. Pertanto, le persone che desiderano acquistare unità devono indicare gli standard applicabili in ogni richiesta senza possibilità di utilizzare “IEC 60076“ e "IEEE C57.12.00" come termini intercambiabili.
Codici di incendio e installazione: NFPA e IEC 61936
Un livello separato di regolamenti governa la sicurezza delle installazioni. La maggior parte degli acquirenti di macchinari è completamente ignara di tali leggi, ma hanno a lungo determinato se un certo trasformatore potesse essere montato in un determinato sito.
| Codice | Ambito | Requisiti chiave per trasformatori a olio |
|---|---|---|
| NFPA 70 (NEC) | Installazioni elettriche negli Stati Uniti. | Spaziature, vault, distanze di separazione per trasformatori riempiti di liquido |
| NFPA 850 | Protezione antincendio per impianti di generazione elettrica | Separazione, soppressione, contenimento dell'olio per trasformatori |
| IEC 61936-1 | Installazione di apparecchiature elettriche sopra 1kV | Spaziature, barriere, messa a terra e requisiti di contenimento dell'olio |
| NFPA 921 / NFPA 30 | Indagine sugli incendi / liquidi infiammabili | Regole di sicurezza antincendio di base che fanno riferimento alla gestione dell'olio dei trasformatori |
L'applicazione di questo codice ha manifestazioni pratiche in qualsiasi sottostazione costruita correttamente: una parete antincendio o una distanza che separa i trasformatori (normalmente intorno ai 4–8 metri o una parete che è stata classificata per un incendio di 3 ore tra le unità), una vasca di contenimento dell'olio o un bund che può contenere 100% dell'olio più la quantità di acqua antincendio, drenaggio lontano da zone vulnerabili e distanze minime tra bushing e scatole di cavi. Inoltre, molte aree richiedono rilevamento o soppressione automatica degli incendi per installazioni interne con una certa classificazione (ad esempio, le installazioni interne con più di 10 MVA o 500 kVA in luoghi popolati richiedono solitamente l'installazione di sistemi automatici di rilevamento e soppressione degli incendi).
Requisiti per attrezzature di sicurezza
La suite standard di dispositivi di protezione per trasformatori a olio con conservatori come indicato in IEC 60076-1 e gli standard di installazione è stata definita, e ogni elemento di questa suite ha ricevuto una funzione insieme a una modalità di guasto che deve essere monitorata, come:
- Relè Buchholz (gas): Capace sia di allerta per accumulo di gas lento che di funzionalità di interruzione rapida per sovrapressione dell'olio; il cablaggio e il collaudo del circuito di interruzione del gas sono un fallimento di audit come menzionato in precedenza.
- Dispositivo di rilascio della pressione: Rilascia rapidamente il serbatoio per alleviare qualsiasi aumento della pressione interna; deve essere sufficiente per la dimensione del trasformatore e deve essere verificato per un funzionamento efficace in modo continuativo.
- Indicatore di livello dell'olio; un dispositivo che mantiene i livelli dell'olio tenendo conto dell'espansione termica; un basso livello dell'olio consente l'esposizione degli avvolgimenti all'aria calda e provoca perdite di gas.
- Sensori di temperatura; gli allarmi che indicano sia la temperatura dell'olio superiore che la temperatura degli avvolgimenti (indicando se è eccessiva) devono seguire i limiti menzionati nella documentazione IEC 60076-2.
- Dispositivi di respirazione in gel di silice; un dispositivo che fornisce disidratazione dell'aria che entra nel conservatore; il gel di silice rosa indica saturazione con umidità, che è un requisito di ispezione visiva di routine.
- Contenimento dell'olio; il contenimento con rapporto diretto al volume dell'olio è previsto secondo il documento IEC 61936-1 e le normative locali.
Nessuno di questi dispositivi è troppo costoso rispetto al dispositivo originale, ma ognuno di essi è un componente necessario di una catena di sicurezza.
| Dispositivo di protezione | Funzione | Frequenza di prova |
|---|---|---|
| Relè Buchholz (gas) | Allarme gas lento, trip di olio rapido | Annuale, più prova al commissioning |
| Dispositivo di rilascio della pressione | Ventilazione rapida del serbatoio in caso di pressione interna | Controllare la ri-sigillatura annualmente |
| Manometro dell'olio | Avviso di basso livello prima dell'esposizione | Ispezione visiva trimestrale |
| Indicatori di temperatura dell'olio / degli avvolgimenti | Allarme e trip ai limiti termici | Calibrare ogni 2–3 anni |
| Dispositivo di respirazione in gel di silice | Rimozione dell'umidità dall'aria di ingresso | Controllo visivo ogni trimestre |
Un cortocircuito che attiva correttamente il relè Buchholz è un evento; lo stesso guasto con un relè guasto è una catastrofe.
Codici nazionali: GB e NEC in pratica
La pratica cinese di esportare trasformatori si basa principalmente sulla serie GB, che corrisponde strettamente a quella degli standard IEC. Per quanto riguarda i trasformatori immersi nell'olio, gli standard GB applicati nel rispettivo campo sono GB 1094 (equivalente a IEC 60076), GB/T 6451 (livelli di perdita), GB 20052 (classi di efficienza) e GB/T 50065 insieme a GB 50060 (relativi alla messa a terra e al layout delle sottostazioni). Il sistema di classi di efficienza secondo GB 20052-2020 consente l'implementazione dei livelli di perdita.
Per quanto riguarda gli Stati Uniti, il National Electrical Code (NFPA 70) Articolo 450 regola le pratiche di installazione dei trasformatori in termini di distanze di separazione per i trasformatori isolati in olio negli edifici e determinati requisiti di vault per i trasformatori sopra i 35 kV. Nel caso dei trasformatori riempiti di liquido presenti all'interno, il NEC richiede la presenza di una stanza resistente al fuoco o misure di separazione adeguate insieme a un sistema di soppressione degli incendi.
Il messaggio pratico per gli acquirenti di esportazione è: richiedere la certificazione IEC o IEEE dalla fabbrica, ma assicurarsi che l'installazione segua il codice locale.
Un elenco di controllo per la conformità per acquirenti e operatori
- Richiedere il pacchetto completo di test: rapporto di prova standard secondo IEC 60076-1, rapporto di prove di tipo (aumento di temperatura, impulso, cortocircuito) riguardante il design, e certificato dell'olio secondo IEC 60296.
- Assicurati che la certificazione sia più di un semplice logo: richiedi l'ente che l'ha emessa e il numero di rapporto; controlla la classificazione con la targhetta.
- Controlla i livelli di impulso: per l'unità nella classe 35kV, dovresti aspettarti 170 kVp secondo IEC o 200 kV BIL secondo lo standard IEEE; specifica quale è applicabile per la tua unità.
- Progetta il contenimento dell'olio prima di ordinarlo, non dopo: il bund dovrebbe essere in grado di contenere il volume totale di olio e essere conforme osservando le pratiche nella tua regione.
- Cabla e testa tutti i dispositivi di protezione durante la messa in servizio: Buchholz gas e trip di sovratensione, valvola di sfogo, così come entrambe le fasi di allerta temperatura.
- Stabilire il periodo di test: test annuali DGA e dielettrici in conformità con IEC 60422; più frequenti se ci sono cambiamenti nei termini o nei rapporti di gas chiave.
- Mantieni i documenti per tutta la vita dell'asset: rapporti di prova, storia DGA e blog del cambiavalute possono servire come base per operazioni sicure e richieste di assicurazione.
Come i produttori dimostrano la conformità
| Marca | Approccio alla conformità | Focus |
|---|---|---|
| Hitachi Energy | Certificato IEC/IEEE, ampia storia di prove di tipo | Trasformatori di potenza, utility |
| ABB | Rete globale di laboratori di prova, rapporti di prova di tipo KEMA | Trasformatori di distribuzione e di potenza |
| Siemens Energy | Programmi di conformità duale IEC/IEEE | Grandi trasformatori di potenza |
| Schneider Electric | Trasformatori di distribuzione elencati UL nelle Americhe | Distribuzione, commerciale |
| Grandi aziende indiane (TBEA, EMCO) | Certificazione IEC/IS, forte evidenza di prove di tipo | Trasformatori di distribuzione per esportazione |
| Jiangsu Subian Energia Elettrica | Certificato IEC 60076, rapporti di prova in fabbrica per unità | Trasformatori immersi in olio per esportazione |
I marchi premium basano parte della loro struttura di prezzo sulle evidenze dei test, sull'ampiezza della documentazione e su un comprovato record globale di sicurezza. Tuttavia, la conformità è diventata più accessibile. Stabilimenti cinesi e indiani capaci, nonostante un background di produzione meno noto, soddisfano i requisiti IEC utilizzando attrezzature calibrate e forniscono certificati. L'acquirente è più preoccupato per la realtà di quei certificati che per altri dettagli, che includerebbero il paese di produzione, risultati dei test np431p4, ecc.
Vale la pena menzionare anche il caso di Jiangsu Subian Electric Power. La fabbrica ha sviluppato trasformatori immersi in olio secondo lo standard IEC 60076 e emette rapporti di routine su rapporto, gruppo vettoriale, impedenza, perdite a vuoto e a carico e test dielettrici con ogni consegna. La fabbrica è aperta a controlli di terze parti e rilascia certificati dell'olio secondo IEC 60296 e documenta l'attrezzatura di sicurezza di conseguenza. I dettagli sono disponibili su subian-electric.com.
Domande frequenti
Qual è la resistenza dielettrica minima per l'olio dei trasformatori?
Secondo la IEC 60296, la tensione di rottura del nuovo olio non deve essere inferiore a 30 kV/2,5 mm prima del trattamento e 60 kV/2,5 mm dopo il trattamento per la migliore qualità. La tensione di rottura per l'uso operativo nella fornitura di elettricità a tensioni superiori a 72,5 kV dovrebbe essere un minimo di 50 kV/2,5 mm secondo i requisiti della IEC 60422, e limiti inferiori si applicano ad altre categorie. Qualsiasi valore inferiore a 30 kV/2,5 mm in servizio richiede controlli immediati.
Qual è la differenza tra IEC 60076 e IEEE C57.12.00?
Sebbene entrambi gli standard forniscano definizioni di classificazioni, test e specifiche riguardo ai trasformatori riempiti di liquido, differiscono nel livello di impulso, nei valori di impedenza, nei metodi di aumento della temperatura e nelle procedure di test. Ad esempio, nei trasformatori IEC da 35 kV, la tensione di impulso è di 170 kVp, mentre il suo equivalente IEEE di solito impiega 200 kV BIL. Si raccomanda di adottare uno standard normativo per ogni progetto.
Con quale frequenza deve essere testato l'olio del trasformatore?
Secondo la IEC 60422, la frequenza di campionamento per l'attrezzatura in condizioni normali è una volta all'anno e include analisi dei gas disciolti, tensione di rottura, acidità, contenuto d'acqua e test del tan delta. L'attrezzatura in fase di commissioning dovrebbe avere una misurazione iniziale dei gas disciolti entro poche settimane dalla sua messa in servizio. In caso di aumento della concentrazione di gas o cambiamento di un rapporto chiave di gas, la frequenza di campionamento cambia a una volta al mese fino a quando i risultati non si stabilizzano.
È obbligatorio un relè Buchholz?
I trasformatori immersi in olio con un conservatore valutato a circa 1 MVA o superiore richiedono effettivamente una sorta di relè Buchholz per la protezione in conformità con lo standard IEC 60076-1 e gli standard di protezione del relè. Per i trasformatori ermeticamente sigillati o i piccoli trasformatori di distribuzione, un relè di pressione del gas o un dispositivo di rilascio della pressione con allarme sarebbero sostituti.
Gli standard di sicurezza dei trasformatori aggiungono costi significativi?
Insignificanti. In generale, il costo associato all'attrezzatura protettiva, ai risultati dei test e alla documentazione richiesta per la conformità con IEC/IEEE viene aggiunto al prezzo totale del prodotto, che costituisce 1–3%. Al contrario, qualsiasi non conformità a questo standard potrebbe comportare spese molto maggiori, come un incendio completamente prevenibile, richieste di risarcimento assicurativo negate o enormi interruzioni.
Riferimenti
- IEC 60076-1: Trasformatori di potenza – Generale — Lo standard fondamentale di progettazione e test per i trasformatori di potenza immersi in olio.
- IEC 60296: Fluidi per applicazioni elettrotecniche – Oli minerali isolanti — Specifica per la qualità del nuovo olio per trasformatori.
- IEC 60422: Oli isolanti minerali – Guida alla supervisione e manutenzione — Limiti e programmi di test dell'olio in servizio.
- IEC 61936-1: Installazioni di potenza superiori a 1 kV a.c. — Requisiti di installazione, distanza e contenimento dell'olio.
- IEEE C57.12.00: Trasformatori di distribuzione e di potenza immersi in liquido — Controparte dei requisiti generali nordamericani.
- IEEE C57.104: Interpretazione dei gas generati nei trasformatori immersi in olio — Interpretazione DGA e livelli di azione.
- NFPA 850: Protezione antincendio per impianti di generazione elettrica e stazioni di conversione a corrente continua ad alta tensione — Pratica di separazione e soppressione degli incendi per trasformatori.
- Sito ufficiale di Jiangsu Subian Electric Power — Prodotti per trasformatori certificati IEC 60076 e documentazione di test.
Conclusione
La sicurezza dei trasformatori immersi in olio non è solo uno standard isolato, ma piuttosto una combinazione di diversi standard, inclusi IEC 60076 che significa requisiti di progettazione e test, standard dell'olio, IEEE C57 per il Nord America, NFPA e IEC 61936 per requisiti di installazione e protezione antincendio. Ogni standard ha le proprie misure di sicurezza come un aumento di 65K, impulso di 170 kVp e resistenza dell'olio valutata a 50 kV/2.5mm.
Punti importanti:
- Chiedere sempre un pacchetto di test prima di effettuare un acquisto poiché i rapporti di test di tipo dimostreranno la sicurezza del design.
- Assicurarsi che il DGA e il test dell'olio siano considerati come spese annuali dato che è obbligatorio e non aggiuntivo.
- Assicurarsi di cablare, testare e registrare ogni dispositivo durante la messa in servizio.
- Ricordare di progettare il contenimento dell'olio secondo gli standard locali prima che il trasformatore venga spedito.
Aziende come Jiangsu Subian Electric Power producono trasformatori immersi in olio in conformità con IEC 60076 con tutta la documentazione di test a prezzi competitivi.