Trasformatori ermeticamente sigillati vs trasformatori con conservatore: scelta del sistema di conservazione dell’olio più adatto

Un responsabile delle operazioni di un’azienda elettrica costiera nelle Filippine ci ha inviato via email, lo scorso aprile, una foto del dispositivo di respirazione di un trasformatore. Il gel di silice al suo interno era diventato rosa — esaurito — e il suo team lo aveva già sostituito due volte in quel trimestre. L’umidità nella loro stazione di trasformazione supera l’80 percento per la maggior parte dell’anno, e ogni volta che l’unità «respirava», aspirava umidità direttamente nel conservatore. La sua domanda è quella che sentiamo spesso da acquirenti operanti in climi umidi: «Perché abbiamo addirittura bisogno di questo tubo e di questo dispositivo di respirazione? Non potete costruire un trasformatore che non respiri?»

La risposta breve è sì — quell’unità si chiama trasformatore sigillato ermeticamente . La scelta tra questa soluzione e un conservatore per trasformatore è un conservazione dell'olio isolante una decisione tecnica, non una decisione di prezzo. Sbagliarla significa o pagare per la manutenzione del dispositivo di respirazione senza averla mai pianificata, oppure rinunciare alla protezione del relè a gas che si dava per scontata. Ecco come i due progetti differiscono effettivamente e come scegliere.

 

Perché la conservazione dell'olio isolante determina la durata di servizio

L'olio in un trasformatore a immersione in olio svolge due funzioni — isolamento elettrico e trasferimento termico — ma trasporta anche acqua e ossigeno nelle zone in cui causano danni. Circa il 99 percento dell'acqua presente in un trasformatore risiede nella carta di cellulosa avvolta intorno agli avvolgimenti, non nell'olio; è per questo che un campione di olio che appare "asciutto" può nascondere un sistema isolante bagnato. Acqua e ossigeno accelerano l'invecchiamento della carta, aumentano il rischio di scariche parziali e abbreviano la curva di vita prevista dai valori di perdita riportati nel rapporto di prova.

Il calore rende il problema meccanico. L'olio minerale si espande di circa il 4 percento quando un trasformatore passa da una temperatura di arresto fredda di 20 °C a una temperatura dell'olio in sommità di 75 °C a pieno carico, e si contrae nuovamente ogni notte. Un serbatoio rigido e completamente stagnato non può ignorare questa oscillazione di volume. La progettazione deve prevedere o uno spazio dove l'olio in espansione possa fluire — un conservatore — oppure assorbire i cicli di pressione e vuoto all'interno di un serbatoio stagnato. Questa singola scelta meccanica definisce l'intera storia della manutenzione dell'unità per i successivi 25 anni.

L'aspetto relativo alla manutenzione è documentato nel Manuale IEEE C57.93-2019 per installazione e manutenzione , che tratta la manutenzione dei dispositivi di respirazione, i controlli per la conservazione dell'olio e il controllo dell'umidità nei trasformatori immersi in liquido. I requisiti generali per serbatoi e accessori sono contenuti in IEEE C57.12.00-2021 iEEE C57.12.00, lo standard a cui comunque farà riferimento la vostra specifica tecnica.

 

Progettazione di trasformatori con conservatore: respirazione per progettazione

A conservatore per trasformatore è dotato di un piccolo serbatoio di espansione cilindrico montato sopra il serbatoio principale e collegato ad esso mediante un tubo. Quando l’olio del serbatoio principale si espande a causa del carico, fluisce verso l’alto nel conservatore e l’aria sovrastante l’olio viene espulsa attraverso un filtro respiratore riempito con gel di silice, che asciuga l’aria in entrata nel ciclo successivo. Il volume del conservatore è tipicamente dimensionato all’8–10% del volume totale dell’olio nel serbatoio principale, coprendo così l’intervallo di espansione tra la temperatura di arresto invernale (a freddo) e la temperatura massima dell’olio in condizioni di carico pieno.

Questo layout è adottato negli apparecchi di classe stazione per tre motivi. Primo, consente l’impiego del relè a gas Buchholz: il relè è montato nel tubo tra serbatoio e conservatore, dove si accumulano i gas prodotti da guasti; pertanto, i trasformatori di potenza con protezione a gas sono generalmente di tipo conservatore. Secondo, il livello dell’olio è visibile e il rabbocco è semplice: l’olio viene aggiunto al conservatore senza dover aprire il serbatoio principale. Terzo, la pressione interna rimane bassa e stabile, riducendo lo stress su guarnizioni, indicatore del livello dell’olio e tenuta del coperchio.

Il prezzo di tali vantaggi è un’interfaccia respirante che qualcuno deve mantenere. Il gel di silice del dispositivo respiratore si satura col tempo — il cambiamento di colore dal blu al rosa ne è l’indicatore — e in un sito costiero umido o tropicale ciò può significare sostituzioni del cartuccia ogni tre mesi, non annuali. La coppa a tenuta d’olio sotto il dispositivo respiratore deve rimanere sempre piena; altrimenti, il dispositivo cessa di asciugare l’aria e inizia a funzionare come una presa di ventilazione aperta. Nei grandi trasformatori di potenza il conservatore viene spesso spedito separatamente con piastre di chiusura, il che aggiunge un passaggio di collegamento sul campo durante l’installazione.

 

Ciò che un trasformatore ermeticamente sigillato fa in modo diverso

A trasformatore sigillato ermeticamente non ha conservatore né respiratore. Il serbatoio è progettato per assorbire internamente tutta l'espansione dell'olio in uno di questi tre modi: un cuscino di gas comprimibile sopra l'olio (tipo serbatoio sigillato o a cuscino di gas), una membrana flessibile o in gomma che separa l'olio dal volume di gas, oppure una flessibilità delle pareti del serbatoio integrata nella struttura. Poiché l'unità non 'respira' mai, l'aria esterna — e l'umidità che essa trasporta — non penetra mai all'interno. Gel di silice, guarnizioni a olio e manutenzione del respiratore scompaiono completamente dal programma di manutenzione.

Questo è il motivo per cui il design sigillato prevale trasformatori su Piedistallo e unità di distribuzione più piccole in Nord America, dove le unità con serbatoio sigillato certificate UL e CSA sono la norma e i team di manutenzione potrebbero ispezionare un’unità solo una volta all’anno. È inoltre particolarmente adatta per siti remoti, installazioni desertiche e costiere, e per qualsiasi progetto in cui non ci si possa affidare al personale locale per sostituire il filtro dell’aria secondo il programma previsto. Le unità con serbatoio sigillato vengono regolarmente realizzate per il riempimento a vuoto completo, che elimina l’umidità residua in fabbrica; inoltre, il pacchetto inibitore presente nell’olio dura più a lungo perché l’ossidazione è privata dell’ossigeno fresco.

I compromessi sono importanti. Senza conservatore, non è possibile installare un classico relè a gas Buchholz — il gas non avrebbe alcun luogo in cui accumularsi — quindi i design ermetici si basano su dispositivi di sfogo della pressione e, opzionalmente, su relè per la rapida crescita della pressione o su sistemi di monitoraggio basati sull’analisi dei gas disciolti (DGA). Il prelievo di campioni d’olio e il rabbocco richiedono maggiore attenzione, poiché si opera contro una pressione interna anziché su una riserva aperta. Inoltre, il serbatoio stesso deve sopportare effettivamente pressioni e depressioni: le saldature del coperchio, le guarnizioni e le flange devono mantenere la pressione di progetto per l’intera vita dell’unità, motivo per cui le costruzioni con serbatoio ermetico richiedono saldature rigorosamente controllate e una prova di tenuta alla pressione documentata prima della verniciatura.

 

Conservatore vs ermeticamente sigillato: confronto diretto

Punto di confronto	Conservatore per trasformatore	Trasformatore sigillato ermeticamente
Gestione dell’espansione dell’olio	Serbatoio esterno di espansione posizionato al di sopra del serbatoio principale	Cuscino di gas interno, diaframma o involucro flessibile del serbatoio
Respirazione / ingresso di umidità	Respira attraverso un essiccatore a gel di silice; rischio di umidità se l’essiccatore non viene controllato regolarmente	Non respira mai; ingresso di umidità al livello più basso possibile
Relè a gas (Buchholz)	Può essere installato — standard sui trasformatori di potenza	Non installato nella forma classica; invece valvole di sfogo della pressione e relè RPR
Manutenzione preventiva	Controllo e sostituzione del gel di silice, indicatore del livello dell’olio	Controllo della pressione e indicatore; nessun disidratante da sostituire
Riempimento aggiuntivo/prelievo campioni di olio	Semplice, tramite il conservatore	Possibile, ma richiede una procedura di gestione della pressione
Applicazioni tipiche	Stazioni di trasformazione di servizio, trasformatori di potenza, unità OLTC, progetti IEC e Medio Oriente/Sud-Est Asiatico	Unità su basamento e di distribuzione, Nord America (UL/CSA), siti remoti e umidi
Trasporto e ingombro	Serbatoio a conservatore; il conservatore può essere spedito separatamente per unità di grandi dimensioni	Compatto, profilo più basso, singolo involucro sigillato
Fattore determinante del costo nel ciclo di vita	Manodopera e materiali di consumo per la manutenzione	Qualità del serbatoio e delle saldature in fase di produzione

Entrambi i progetti sono legittimi e compaiono nei cataloghi di ogni produttore serio trasformatore a immersione in olio di fabbrica. La domanda è: quale dei due corrisponde al vostro sito, al vostro personale e alla vostra filosofia di protezione.

 

 

Scelta del sistema di conservazione dell’olio più adatto al vostro progetto

Iniziare dallo standard di destinazione e dallo schema di protezione, poiché eliminano le opzioni più rapidamente di qualsiasi preferenza. Un trasformatore di tipo “pad mounted”, specificato secondo gli standard IEEE C57.12.20 o C57.12.22 per il mercato statunitense o canadese, sarà quasi certamente dotato di serbatoio sigillato e conforme alle norme UL o CSA; specificare un conservatore in questo caso comporterebbe un costo aggiuntivo per una realizzazione su misura. Un trasformatore per cabina secondaria da 15 MVA con protezione differenziale e protezione Buchholz sarà di tipo conservatore; tentare di realizzarlo sigillato significherebbe rivedere interamente la filosofia di protezione. Tra questi due estremi, porre quattro domande:

• Clima e umidità. Siti costieri, tropicali o desertici con polvere, con punti di accesso per la manutenzione limitati, spingono fortemente verso un trasformatore sigillato ermeticamente .
• Capacità dell’equipaggio. Se i controlli del gel di silice verranno di fatto saltati, una progettazione che non ne necessita è più sicura rispetto a un programma di manutenzione che non verrà rispettato.
• Filosofia di monitoraggio. Se il progetto prevede analisi dei gas disciolti (DGA) e monitoraggio in tempo reale, i serbatoi sigillati funzionano bene; se lo schema di protezione prevede un relè Buchholz, scegliere il conservatore per trasformatore .
• Standardizzazione della flotta. Un’azienda elettrica che standardizza un unico tipo di serbatoio su centinaia di unità attribuisce maggiore valore alla coerenza rispetto a qualsiasi ottimizzazione specifica per un singolo sito.

Ryan Electric produce entrambe le configurazioni nello stesso impianto di 120.000 m², nell’ambito del partenariato con Eaton avviato nel 2023, con certificazioni UL, CSA, IEEE, DEKRA e CNAS nel proprio portafoglio. Ciò che comunichiamo agli acquirenti è esattamente ciò che i nostri ingegneri si dicono reciprocamente: il sistema di conservazione dell’olio è determinato dal sito e dallo schema di protezione, non dalla scheda commerciale. Inviaci la classe di tensione, la potenza in kVA, il clima e il piano di manutenzione — la tipologia di serbatoio raccomandata deriva da questi quattro parametri, e documenteremo il ragionamento nella proposta tecnica.

 

Chiedetecelo prima di definire definitivamente la specifica del serbatoio

Il costo di modificare la tipologia di serbatoio dopo l’approvazione dei disegni è molto superiore al costo di porre una sola domanda in fase iniziale. Se state specificando un trasformatore a immersione in olio — trasformatore di distribuzione o di potenza, per qualsiasi mercato — inviateci le vostre condizioni operative e ambientali tramite il nostro pagina di contatto e torneremo con una raccomandazione di tipo serbatoio, una proiezione della manutenzione per i primi cinque anni e un calendario di consegna realistico. La scelta giusta conservazione dell'olio isolante è una conversazione su una sola pagina. Risparmia anni di cartucce filtranti per respiratori o anni passati a desiderare di avere un relè a gas.

Sull'autore : Questa guida è stata redatta dal team di ingegneria ed esportazione di Ryan Electric, produttore di trasformatori fondato nel 2007 a Jiangsu, Cina, e partner congiunto di Eaton dal 2023. Il team supporta acquirenti di utility, EPC e industriali in Nord America, Sud-Est asiatico, Medio Oriente e Africa con ingegneria applicativa, supporto per le certificazioni e documentazione dei test di fabbrica.