Il tecnico sta effettuando un'ispezione mattutina quando vede che il colore del gel di silice nel breather del trasformatore è cambiato da blu a rosa brillante nella parte superiore della colonna, mentre quello del livello dell'olio nel conservatore è vicino al minimo. Controlla per registrare entrambi gli eventi, ma ricorda dal manuale di manutenzione che queste osservazioni indicano due segnali di allerta precoce di un problema: umidità e aria che entrano nel sistema chiuso dell'olio del trasformatore. La stessa cosa è accaduta in un trasformatore di un'altra azienda dieci anni fa quando l'attrezzatura ha subito un guasto a causa degli stessi problemi. Dopo l'incidente, il rapporto di analisi dei gas disciolti ha indicato che c'erano segni di aumento dei livelli di idrogeno che erano stati a lungo visibili nelle condizioni del breather. Il problema è stato rilevato dal relè di gas – in questo caso, presenta un relè Buchholz.
L'articolo fornisce i dettagli su come funzionano i breathers e i relè di gas in un trasformatore ad olio, la loro importanza, come interpretare i loro segnali e quanto costa una nuova unità.
Il breather è una parte del conservatore d'olio. È un dispositivo a base di gel di silice che rimuove l'umidità dall'aria aspirata attraverso il conservatore d'olio mentre il trasformatore respira. Il relè di gas è un altro dispositivo di protezione che è normalmente installato tra il conservatore e il serbatoio per rilevare l'accumulo di gas a causa di malfunzionamenti del trasformatore. Il prezzo di un breather varia normalmente tra $50 e $300 e il relè di gas costa solitamente tra $100 e $600. In generale, tutti i trasformatori di potenza con una potenza superiore a 1 MVA devono essere dotati di relè di gas (standard IEC 60076-1). È obbligatorio per tutti i tipi di conservatori utilizzare i breathers. Il gel di silice nel breather deve essere controllato regolarmente ogni 3-6 mesi e rigenerato quando cambia colore.
Perché i Trasformatori Immersi nell'Olio Necessitano di Entrambi
L'olio utilizzato nel trasformatore immerso nell'olio svolge funzioni doppie di raffreddamento e isolamento. Entrambe le funzioni possono essere compromesse dai due nemici contro cui i relè di gas e i breathers proteggono: umidità e gas da guasti interni. Un trasformatore riempito d'olio respira perché l'olio si espande e si contrae con la temperatura: man mano che il carico aumenta, l'olio si riscalda e si espande e spinge l'aria fuori attraverso il breather. Quando l'olio si raffredda, l'aria torna nel serbatoio. Senza un breather disidratante, l'aria porterebbe l'umidità all'olio poiché l'acqua è il modo più veloce per il guasto dell'isolamento. Solo poche centinaia di parti per milione di acqua nell'olio del trasformatore possono influenzare drammaticamente la sua resistenza dielettrica: la tensione di rottura può essere abbassata da oltre 60 kV a meno di trenta kV con l'aumento dell'umidità.
I relè di gas combattono l'altra battaglia. I guasti interni — avvolgimenti cortocircuitati, guasti del nucleo, connessioni allentate — generano calore e scariche elettriche, che decompongono l'olio in gas. I gas formati salgono verso la parte superiore del serbatoio e vanno al conservatore attraverso il tubo che porta al relè di gas, consentendo così al relè di gas di rilevare il gas molto prima che altre protezioni possano vederlo.
Il Breather: Funzione e Design
Un breather disidratante è un'unità cilindrica che viene installata sull'ingresso d'aria di un conservatore, di solito sulla parte superiore di un serbatoio di conservazione. Il breather utilizza un materiale disidratante che è solitamente gel di silice attraverso il quale passa tutta l'aria in ingresso. Il gel di silice rimuove l'umidità dall'aria in ingresso prima che vada all'olio. Un cambiamento di colore del gel di silice dallo stato attivo (principalmente blu) a quello idratato (rosa, bianco o arancione a seconda del grado) indica la quantità di capacità rimasta per il disidratante per assorbire l'umidità.
L'unità ha tipicamente un sigillo d'olio o una valvola di non ritorno per prevenire la saturazione del disidratante con acqua a causa degli schizzi di pioggia. Il dispositivo consente anche al gas di fuoriuscire e non permette all'umidità di entrare. I moderni breathers possono avere una finestra indicatrice, una cartuccia rimovibile con disidratante per il rinnovo e un riscaldatore in ambienti freddi dove l'umidità può condensarsi all'interno dell'unità. Un tipico breather disidratante può pesare tra uno e tre chilogrammi di gel di silice e funzionare per molti trasformatori di appena un paio di MVA; una scala più grande richiede un alloggiamento più grande o una combinazione di alcuni breathers.
Il Relè di Gas: Funzione e Design
Il relè di gas — comunemente chiamato relè Buchholz dal suo inventore Max Buchholz (1921) — è posizionato nel sistema di tubazioni che collega il serbatoio principale con il conservatore, avendo una leggera inclinazione che porta all'accumulo di gas. Include due interruttori a galleggiante e alcuni tipi hanno una barriera che distingue le onde.
- Accumulo di gas: Piccoli guasti interni causano un lento accumulo di gas. Di conseguenza, spinge l'olio verso l'alto nella camera del serbatoio superiore, riducendo il livello del galleggiante superiore e chiudendo il contatto di allarme. Poi il tecnico può sfiatare il relè e prelevare campioni di gas per l'esame.
- Surge dell'olio: Quando si verifica un grande guasto, ad esempio, un cortocircuito dell'avvolgimento, l'olio inizia a fuoriuscire dal serbatoio al conservatore ad alta velocità. La paratia viene rilasciata e fa muovere il galleggiante inferiore verso il basso chiudendo così il collegamento di trip che porta alla disconnessione del trasformatore.
In questo modo, il relè Buchholz diventa il primo e il più efficace dispositivo di protezione poiché rileva l'emergere di un guasto anche prima che la corrente aumenti abbastanza da disconnettere il trasformatore.
Tipi di Relè di Gas e Breathers
| Tipo | Descrizione | Fascia di Prezzo Tipica |
|---|---|---|
| Breather standard in gel di silice | Colonna di disidratante da 1-3 kg, sigillo d'olio, finestra | $50-$300 |
| Breather di grande capacità / industriale | Colonna da 5-15 kg per trasformatori di potenza, opzione riscaldatore | $300-$1,500 |
| Breather indicante il cambiamento di colore | Gel di silice da blu a rosa, cartuccia sostituibile | $80-$400 |
| Relè Buchholz classico (tipo galleggiante) | Due galleggianti, allarme gas + interruzione di sovratensione, vetro di osservazione | $100-$500 |
| Relè gas elettronico / intelligente | Sensori aggiuntivi, indicazione remota, porta pronta per DGA | $400-$1,200 |
Nel caso di un trasformatore di distribuzione o industriale, il relè di tipo galleggiante Buchholz e un breather a cambio di colore in gel di silice sono gli strumenti preferiti, semplicemente perché sono i più affidabili e i più economici. Le versioni elettroniche offrono dati sul funzionamento del relè in luoghi remoti.
Lettura dei segnali: cosa ti dice ogni dispositivo
| Osservazione | Significato probabile | Azione |
|---|---|---|
| Gel di silice diventato rosa / bianco | Disidratante esaurito; umidità che entra nell'olio | Rigenerare o sostituire il gel di silice; controllare il contenuto d'acqua nell'olio |
| Livello dell'olio basso nel conservatore con gel blu | Perdita d'olio o ingresso d'aria | Trovare e riparare la perdita; riempire l'olio |
| Allarme del relè gas attivato, gas nel vetro | Guasto interno lento; la composizione del gas lo identifica | Raccogliere campione di gas per DGA; non ripristinare senza analisi |
| Interruzione del relè gas attivata | Guasto maggiore; sovratensione dell'olio | Isolare il trasformatore; indagare prima di riattivare |
| Allarmi frequenti del relè gas, nessuna variazione di carico | Guasto interno ricorrente o connessione allentata | Ispezione interna completa; test di resistenza degli avvolgimenti e rapporto di trasformazione |
La pratica più importante riguardo alla manutenzione del trasformatore è considerare l'allarme del relè gas come una richiesta di campione di laboratorio, non solo un ripristino. La presenza di idrogeno (H₂) e acetilene (C₂H₂) indica l'occorrenza di arco, la presenza di etilene (C₂H₄) e etano (C₂H₆) indica punti caldi mentre una bassa concentrazione di idrogeno indica scariche parziali. Ogni caso porta a un'area diversa del trasformatore.
Specifiche e selezione
| Parametro | Respiro | Relè gas |
|---|---|---|
| Capacità / valutazione | Massa del desiccante: 1-15 kg in base al volume dell'olio | Dimensione del tubo: DN50-DN100 corrispondente al tubo del conservatore |
| Standard | IEC 60076-1 correlato; specifiche del produttore | IEC 60076-1; relè testato secondo lo standard del produttore |
| Materiali | Corpo zincato / in acciaio inossidabile, finestra in vetro o policarbonato | Corpo in fusione con porte di visione in vetro, galleggianti in ottone/acciaio |
| Contatti di allarme / interruzione | Nessuno (solo visivo) o allarme opzionale in caso di alta umidità | Due contatti indipendenti: allarme gas, interruzione di sovratensione (ad es., 250 V, 2-3 A AC) |
| Montaggio | Parte superiore del conservatore, ingresso dell'aria | Tubo tra serbatoio e conservatore, pendenza 1-5° |
Scegliere la dimensione del foro del tubo tenendo conto del relè gas utilizzato e della classificazione dei contatti, sia AC che DC. Per i disidratatori, utilizzare la quantità di desiccante in base alla capacità dell'olio del trasformatore e al tasso di respirazione, con una regola generale che, per le apparecchiature di distribuzione, utilizzare circa 1 kg di gel di silice per ogni 1.000-2.000 litri di olio.
Intervalli e procedure di manutenzione
Entrambi i dispositivi sono economici, facili da usare e frequentemente trascurati, il che causa il fallimento dei dispositivi nel svolgere le loro funzioni in modo efficace. Un piano logico è il seguente:
- Disidratatore – ogni tre-sei mesi controllare il colore del gel di silice. Sostituire o rigenerare il gel quando è diventato inefficace. Il gel di silice blu può essere asciugato mettendolo in un forno impostato a 105-120° C e mantenendolo lì per diverse ore fino a quando non torna al suo colore blu.
- Relè gas – una volta all'anno controllare che il dispositivo funzioni aprendo la valvola di prova attraverso la quale il contatto di allerta si chiude ogni volta che il dispositivo è in funzione.
- Relè gas – per ogni analisi del gas disciolto nell'olio, confrontare il contenuto di gas accumulato con i registri di gas all'interno del corpo del trasformatore.
- Guarnizione del disidratatore – una volta all'anno assicurarsi che i livelli dell'olio e le valvole di non ritorno siano a un livello appropriato. La guarnizione asciutta significa potenziale umidità che entra attraverso il proprio portale del disidratatore.
Il costo di quel semplice monitoraggio può essere di alcune centinaia di dollari all'anno, mentre i costi di non monitorarli possono portare a avvolgimenti danneggiati dall'umidità o guasti interni non rilevati che portano a un completo riavvolgimento del trasformatore che costa, in media, il 50-80 percento di un nuovo trasformatore.
Quando il relè gas riceve un campione, la concentrazione di gas mostra cosa ha causato il guasto poiché questo è ciò che il laboratorio coinvolto nell'analisi del gas disciolto controlla sempre per primo.
| Firma del gas | Guasto indicato | Passo successivo raccomandato |
|---|---|---|
| Alto H₂ + C₂H₂ (acetilene) | Arco nel avvolgimento o nel nucleo | Ispezione interna; test di resistenza degli avvolgimenti e rapporto di trasformazione |
| Alto H₂ da solo (bassa concentrazione) | Scarica parziale | Continuare il monitoraggio DGA; controllare per hardware allentato |
| Alto C₂H₄ + C₂H₆ (etilene/etano) | Punto caldo termico (surriscaldamento) | Controllare il profilo di carico, raffreddamento, livello dell'olio; ripetere DGA in 1-3 mesi |
| Alto CO + CO₂ | Invecchiamento della carta/isola o surriscaldamento | Analisi del furano; stimare la vita residua dell'isolamento |
| Dominato dall'azoto senza gas di guasto | Respirazione normale / nessun guasto interno | Continuare il monitoraggio di routine |
Dove vengono utilizzati
I respiratori e i relè di gas possono essere trovati su molti trasformatori riempiti d'olio con conservatori, tipicamente da 50 kVA in su. La configurazione standard include:
- Trasformatori di distribuzione (50-2.500 kVA): respiratore standard con un relè di gas che è fortemente raccomandato per sopra 1 MVA.
- Trasformatori di potenza (5-100 MVA): un respiratore più grande, relè Buchholz con allarme e capacità di disconnessione che è obbligatoria secondo IEC 60076-1.
- Trasformatori di sollevamento del generatore e di rete: diversi respiratori e relè sono solitamente dotati della possibilità di monitoraggio elettronico.
- Trasformatori con design ermeticamente sigillati e serbatoi di espansione: il respiratore può essere rappresentato solo da un sacco di espansione; tuttavia, il relè di gas è ancora un fattore sopra 1 MVA.
Trasformatori ermeticamente sigillati e a tenuta d'aria (utilizzando azoto) semplificano il lavoro di un respiratore; tuttavia, il conservatore con un respiratore prevarrà per molti anni, specialmente in luoghi con carico variabile e alti tassi di umidità.
Confronto tra marche e prezzi
| Marca | Origine | Prodotti | Fascia di prezzo approssimativa |
|---|---|---|---|
| MR Reinhausen | Germania | Relè di gas premium e accessori | $300-$1,500 |
| ABB | Svizzera/Svezia | Relè e respiratori come accessori per trasformatori | $150-$1,000 |
| Schneider Electric | Francia | Accessori protettivi di classe distribuzione | $80-$500 |
| Comem (Italia) / Lokato | Italia / Cina | Produttori specializzati di relè a gas e accessori per conservatori | $100-$600 |
| Fornitori generali di accessori | Vari | Disidratatori in gel di silice, tutte le dimensioni | $50-$1,200 |
| Jiangsu Subian Energia Elettrica | Cina | Disidratatori, relè Buchholz, assemblaggi completi di serbatoi con accessori | $60-$700 |
Nel segmento degli accessori, produttori come MR Reinhausen e Comem stabiliscono gli standard per la qualità dei relè a gas, mentre i produttori europei godono di una seria popolarità tra gli acquirenti di soluzioni per trasformatori di potenza. Il trasformatore completo — serbatoio, conservatore, disidratatore e relè Buchholz testati come un'unica assemblaggio — è fornito da produttori come Jiangsu Subian Electric Power, che svolge tutto il lavoro presso il sito del produttore e offre prezzi bassi che sono circa 40-60% inferiori rispetto a quelli dei produttori occidentali. La differenza risiede nel fatto che la qualità del relè a gas e del disidratatore non è l'area in cui risparmiare denaro acquistando un trasformatore, ma piuttosto l'area che definisce se un buon produttore tratta gli accessori come parte del design del trasformatore o meno.
Come scegliere e installare
- Collegare il relè a gas al tubo. Scegliere un diametro di connessione del conservatore (bore nominale DN50-DN80) e la potenza del trasformatore per garantire che le valutazioni di contatto per il circuito di trip siano adeguate.
- Il disidratatore deve essere selezionato in base al volume di olio nel trasformatore. Maggiore è il volume di olio, maggiore è il tasso di respirazione e la quantità di disidratante; assicurarsi di avere un riscaldatore installato se si lavora in condizioni di gelo o umidità.
- Assicurarsi che il relè sia posizionato correttamente. È consigliata una pendenza di 1-5° verso il relè per garantire che il gas si raccolga nel relè — assicurarsi che la freccia sul relè indichi il conservatore.
- Collegare i circuiti di allarme e di trip separatamente. L'allarme a gas deve essere collegato a SCADA; al contrario, il trip di sovratensione deve essere cablato al circuito del interruttore del trasformatore.
- Posizionare il disidratatore nel punto più alto del tubo. L'ingresso dell'aria deve essere posizionato sopra il livello massimo dell'olio nel conservatore in modo che l'olio non possa allagare il disidratante.
- Specificare i dispositivi nel contratto. Indicare il tipo di relè e la capacità del disidratatore nell'ordine di acquisto e assicurarsi di avere i loro rapporti di prova nel certificato di consegna.
Domande frequenti
Quanto costa un disidratatore e un relè a gas?
Il prezzo di un disidratatore standard in gel di silice con un peso compreso tra 1 kg e 3 kg varia da 50 a 300 dollari; quello di un disidratatore per trasformatore di potenza grande è nell'intervallo di $300 a $1.500 o superiore. Un relè a gas Buchholz tradizionale costa tra $100 e $500, mentre uno elettronico con monitoraggio remoto costa tra $400 e $1.200. Entrambi gli accessori ammontano a non più del tre percento del prezzo di un trasformatore completo.
Con quale frequenza devo controllare o cambiare il gel di silice nel disidratatore?
Eseguire controlli visivi sul colore almeno ogni tre-sei mesi, più frequentemente in ambienti umidi. Se il gel blu diventa rosa o bianco, è completamente esaurito. Rigenerarlo riscaldandolo tra 105 °C e 120 °C fino a quando il suo colore torna blu o sostituirlo completamente. Se il breather saturo non viene sostituito, l'umidità entrerà nell'olio portando al guasto del sistema di isolamento.
Cosa rileva effettivamente il gas relay?
Questo dispositivo può identificare due tipi di guasti. Il primo è l'accumulo di gas causato da un guasto interno lento in cui il gas costringe l'olio a spostare il galleggiante, il che provoca un contatto di allarme. Il secondo è un'improvvisa ondata di olio causata da un guasto grave che muove una paratia che apre istantaneamente l'interruttore del trasformatore. Il gas raccolto può essere analizzato per determinarne la composizione (idrogeno, acetilene, etilene) informando così se il guasto è stato causato da arco, punti caldi o scarica parziale.
Perché il mio allarme del gas relay continua a funzionare senza variazione di carico?
Un allarme gas ripetuto con carico normale indica generalmente che c'è un guasto interno, di solito una connessione allentata, un avvolgimento in corto o surriscaldamento del nucleo. Evitare di ripristinare l'allarme senza prima prelevare campioni di gas e eseguire un'analisi del gas nell'olio. Se l'allarme del gas si attiva frequentemente, indica che il trasformatore richiede l'esecuzione di test interni (resistenza di isolamento, rapporto di trasformazione e test di resistenza degli avvolgimenti).
Un trasformatore può funzionare senza un gas relay?
L'affermazione è tecnicamente corretta. Tuttavia, è una cattiva pratica e non conforme utilizzare il Buchholz su trasformatori con una potenza superiore a circa 1 MVA, dove la protezione è obbligatoria, secondo IEC 60076-1. Il relay Buchholz è l'unico dispositivo che rileva i guasti interni in fase di sviluppo prima che si verifichi un cortocircuito fase-fase. Senza di esso, il primo segno di guasto potrebbe essere il trip catastrofico o un incendio. Il costo del relay è compreso tra $100 e $600, e questo relay è considerato una delle forme di protezione più economiche nelle sottostazioni.
Riferimenti
- IEC 60076-1 — Trasformatori di Potenza, Requisiti Generali — Lo standard principale che copre accessori come i gas relay su trasformatori immersi in olio.
- IEEE C57.106 — Guida per l'accettazione e la manutenzione dell'olio minerale isolante — Limiti di umidità e linee guida sulle condizioni dell'olio che la manutenzione del breather protegge.
- IEEE 62 — Guida per il test diagnostico sul campo degli apparati elettrici — Contesto di test sul campo per relay e isolamento.
- MR Reinhausen — Accessori e Gas Relays — Documentazione di riferimento per progetti di gas relay di alta qualità.
- Linee guida sulla sicurezza elettrica OSHA — Contesto di sicurezza sul lavoro per lavorare su sistemi di protezione di trasformatori energizzati.
- Rivista Transformers — Pubblicazione di settore con articoli pratici sulla manutenzione di breather e relay.
Conclusione
I primi a comparire nell'elenco dei componenti a basso costo e informativi che sono quasi dimenticati ma ancora molto necessari in un trasformatore riempito d'olio sono il relè di gas e il respiratore. Il primo ti avverte di eventuali problemi all'interno del trasformatore e indica quando qualcosa va storto.
- Controlla il colore del gel di silice ogni 3-6 mesi e quando non funziona, rigeneralo o sostituiscilo.
- Non trattare alcun allarme del relè di gas come un pulsante di cancellazione; trattalo come una richiesta per un campione DGA.
- Effettua un controllo del relè di gas per il funzionamento ogni anno e assicurati che il circuito di intervento funzioni correttamente.
- Nel contratto del trasformatore, includi questi due componenti e richiedi i registri dei loro test.