Protezione del trasformatore immerso nell’olio: relè Buchholz, corrente di sovraccarico e specifiche differenziali che gli acquirenti devono conoscere

Un responsabile degli acquisti di un’impresa mineraria cilena ci ha contattato a luglio con una domanda che sentiamo più spesso di quanto gli acquirenti si aspettino: se avesse ordinato un trasformatore da 15 MVA trasformatore a immersione in olio dal nostro stabilimento, la protezione era inclusa oppure doveva essere acquistata separatamente? La risposta breve è: entrambe le cose. I dispositivi montati sul serbatoio vengono spediti insieme all’unità, ma i parametri di regolazione dei relè, i rapporti dei trasformatori di corrente (CT) e la logica di intervento vengono concordati congiuntamente con l’ingegnere della protezione dell’acquirente; inoltre, la maggior parte dei guasti sul campo per i quali veniamo chiamati risale proprio a tale fase di consegna, non al trasformatore stesso.

La protezione esiste per un unico motivo: un guasto interno genera energia che il serbatoio non è stato progettato per contenere indefinitamente. Con un'impedenza tipica del 7%, un guasto franco ai morsetti può far salire la corrente a oltre quattordici volte il valore nominale indicato sulla targhetta. Un cortocircuito tra avvolgimenti all'interno del serbatoio immette tale energia nell'olio in pochi millisecondi. Il compito dello schema di protezione è rilevare tempestivamente l'evento — elettricamente, idraulicamente o termicamente — e scollegare l'unità prima che il serbatoio si rompa o l'olio si incendi.

 

Quali sistemi di protezione vengono effettivamente forniti con un trasformatore ad immersione in olio

Protezione dei trasformatori su un trasformatore a immersione in olio si suddivide in due gruppi. Primo, dispositivi montati direttamente sul serbatoio: il relè a gas Buchholz installato sul tubo tra il serbatoio principale e il conservatore, un dispositivo di sfogo della pressione sul coperchio del serbatoio, indicatori di temperatura dell’olio e delle bobine con contatti d’allarme e un indicatore del livello dell’olio. Secondo, relè di protezione esterni collocati in un quadro o su un pannello della sottostazione: funzioni di sovracorrente, differenziale e di guasto a terra che comandano l’apertura dell’interruttore sul lato primario.

Tale suddivisione è rilevante per gli acquirenti. I dispositivi montati sul serbatoio rientrano nel campo di fornitura del trasformatore: la fabbrica li installa, li collega e li collauda. Lo schema dei relè esterni è invece generalmente definito nella filosofia di protezione del progetto, e i relativi parametri di regolazione spettano all’utility o all’ingegnere della protezione dell’EPC. La lacuna più frequente riscontrata è la seguente: l’acquirente presuppone che il campo di fornitura della fabbrica includa la coordinazione dei relè, mentre l’ingegnere della protezione presuppone che il trasformatore arrivi già dotato di un pannello di protezione completamente cablato. Entrambe le parti si rivelano quindi in errore, causando ritardi nella fase di messa in servizio.

 

Il relè Buchholz: l’unico dispositivo che guarda all’interno del serbatoio

Il Relè Buchholz è installato nel tubo che collega il serbatoio principale al conservatore ed è pieno d’olio durante il normale funzionamento. Rileva due diversi segnali di guasto. I guasti lenti — invecchiamento dell’isolamento, un collegamento allentato, piccole scariche parziali — generano gas che sale e si accumula nella camera del relè. Quando il volume di gas raggiunge la soglia della prima fase, un galleggiante scende e chiude il contatto di allarme. I guasti violenti, come un cortocircuito fra fasi negli avvolgimenti, provocano una rapida ondata d’olio nel tubo. Questa ondata inclina una paratia e chiude quasi istantaneamente il contatto di intervento, molto più velocemente di qualsiasi misura elettrica effettuata a valle.

Nel nostro banco di prova, ogni Relè Buchholz viene sottoposto a test su banco prima del montaggio. Immettiamo aria attraverso l'ingresso dell'olio per verificare che il galleggiante di allarme entri in funzione al volume di gas specificato, quindi eseguiamo un test di sovraccarico per confermare la chiusura del contatto di intervento e che i cavi raggiungano la scatola di raccolta. La connessione dei contatti viene fotografata e archiviata nella documentazione FAT, poiché in un sito remoto un contatto di allarme cablato in modo errato costa a un tecnico un'intera giornata di ricerca. Può sembrare una cosa di poco conto. È proprio questo genere di dettaglio a determinare se un primo guasto si traduce in un allarme o in un intervento non necessario.

Il dettaglio dell'installazione è ciò che determina la reputazione dei relè a gas. Il relè deve essere montato in posizione orizzontale, con la freccia orientata verso il conservatore: in condizioni normali di funzionamento l'olio scorre in quella direzione e anche i gas percorrono lo stesso tragitto. Una volta abbiamo visitato un impianto in cui il relè era stato installato con guarnizioni flangiate che intrappolavano una bolla d'aria visibile; l'allarme si è attivato entro una settimana a causa dell'accumulo di gas che non proveniva affatto da alcun guasto. Il punto di prelievo del campione d'olio e la valvola di prova del relè sono le due componenti che vale la pena individuare prima che l'unità venga chiusa nell'involucro, poiché entrambe vengono utilizzate entro il primo anno di esercizio.

 

Protezione contro le correnti di sovraccarico e differenziale: cosa indicano i numeri dei dispositivi

La protezione esterna mediante relè utilizza i numeri dei dispositivi ANSI/IEEE; i tre numeri che si incontrano quasi sempre su ogni ordine di classe distribuzione sono 50, 51 e 87T. 50è una protezione istantanea contro le correnti di sovraccarico: interviene rapidamente in presenza di correnti di guasto nettamente superiori al carico. 51è una protezione controcorrente con ritardo temporale: coordina i dispositivi a valle in modo che un guasto su un derivatore venga eliminato a livello del derivatore stesso, non del trasformatore. 87T è una protezione differenziale per trasformatori: confronta la corrente entrante nel primario con quella uscente dal secondario, misurata tramite trasformatori di corrente (CT) su entrambi i lati, e interviene quando le due correnti smettono di coincidere — il metodo più rapido ed affidabile per rilevare guasti negli avvolgimenti all’interno del serbatoio.

Il Guida IEEE per la protezione dei trasformatori di potenza (IEEE C37.91-2021) ne definisce l’ambito di applicazione come unità trifasi con potenza nominale superiore a 5 MVA e tensione operativa superiore a 10 kV, raccomandando uno schema completo — compresa la protezione differenziale — a tale livello. Al di sotto di tale soglia, è prassi comune utilizzare fusibili o relè controcorrente coordinati, motivo per cui un piccolo trasformatore di distribuzione raramente include la protezione differenziale, mentre un trasformatore di potenza da 15 MVA dovrebbe invece averla. Se il vostro ingegnere della protezione non ha richiesto la protezione differenziale per un’unità di dimensioni superiori a tale soglia, chiedetegliene il motivo. La guida è materiale di riferimento pubblico e merita di essere letta prima del prossimo RFQ.

La filosofia di impostazione è un argomento a sé stante, ma un dato numerico appartiene al vocabolario di ogni acquirente: la corrente di inserzione del trasformatore. Quando un trasformatore a immersione in olio viene alimentato, la corrente di magnetizzazione può raggiungere da otto a dodici volte la corrente nominale nei primi cicli prima di decadere. Un elemento di sovracorrente istantaneo tarato al di sotto di tale valore interrompe l’unità ad ogni normale inserzione. È per questo che gli elementi 50 vengono tarati al di sopra della corrente di inserzione o temporaneamente bloccati all’atto della chiusura, perché gli elementi 51 devono coordinarsi con la protezione dei circuiti secondari a valle e perché i relè differenziali utilizzano il blocco armonico: ignorano la corrente di inserzione pur rilevando un vero guasto interno. Il fornitore non sceglie tali impostazioni; lo fa l’ingegnere responsabile della protezione. Ciò che lo stabilimento produttore di trasformatori deve fornire sono i dati di prova — impedenza, curva di saturazione, perdite a vuoto — che rendono possibile lo studio di coordinamento.

 

Sicurezza da sovrappressione, temperatura e livello dell’olio: il resto dello schema

Altri tre dispositivi montati sul serbatoio meritano una menzione nella vostra specifica. Il dispositivo di sfogo della pressione scarica il serbatoio se la pressione interna aumenta più rapidamente di quanto il relè a gas possa reagire: si tratta, in sostanza, della valvola di sicurezza meccanica del sistema. L’indicatore della temperatura dell’olio e l’indicatore della temperatura degli avvolgimenti sono dotati di contatti per allarme e intervento (trip), normalmente tarati rispetto alla temperatura dell’olio in sommità, corrispondente a un incremento medio della temperatura degli avvolgimenti di 65 K. Infine, il misuratore del livello dell’olio, provvisto di allarme per livello basso, rileva le perdite lente che un relè a gas non è in grado di individuare, poiché un conservatore che si svuota completamente è generalmente un problema di manutenzione prima di diventare un evento di protezione.

Un punto RFQ qui: richiedere l'elenco dei contatti. Specificare quanti contatti di allarme e di interruzione di riserva deve avere ciascun dispositivo, se tali contatti sono compatibili con la tensione di controllo in corrente continua del vostro quadro (le più comuni sono 24, 48, 110 o 220 V CC) e se il box di collegamento include morsettiere, riscaldatore e piastre per guaine. Il montaggio successivo dei contatti dopo la consegna comporta costi sproporzionatamente elevati. La loro specifica richiede una sola riga nell'RFQ.

 

Prove in fabbrica che dimostrano il corretto funzionamento della protezione

La protezione è efficace quanto il cablaggio su cui si basa, quindi eseguiamo due serie di prove. Innanzitutto le prove elettriche di routine secondo IEEE C57.12.00 : rapporto, polarità, resistenza degli avvolgimenti, perdite a vuoto e a carico, impedenza e prove dielettriche. Quindi le verifiche di protezione che non compaiono mai su un elenco standard di prove di routine: verifica della polarità e del rapporto dei trasformatori di corrente (CT), continuità di ogni contatto di allarme fino ai morsetti del box di collegamento e prova di iniezione primaria, nella quale immettiamo corrente nei CT per verificare che il relè rilevi correttamente modulo e direzione.

 

 

L’anno scorso, l’ispettore terzo di un cliente ha chiesto di assistere a una prova di iniezione primaria su un’unità da 20 MVA destinata al Sud-Est asiatico. Il test ha rivelato un trasformatore di corrente (CT) secondario cablato con polarità invertita all’interno della scatola di raccordo. Individuato in fabbrica, il problema è stato risolto in due ore. Se scoperto sul sito, avrebbe causato un funzionamento errato della protezione differenziale alla prima messa in tensione — e una conversazione sul risarcimento danni che nessuno vorrebbe mai avere. Per questo motivo, la sezione relativa alle prove FAT sulle protezioni merita la stessa attenzione riservata ai valori di perdita riportati nel rapporto di prova.

I relè numerici svolgono oggi il lavoro che un tempo richiedeva un intero pannello di unità elettromeccaniche, e molti progetti acquisiscono i dati dei relè tramite Modbus o IEC 61850 anziché mediante un semplice contatto asciutto. Qualunque protocollo si scelga, la domanda fondamentale in fabbrica rimane la stessa: il circuito di protezione è stato verificato integralmente, dal terminale del TA fino alla bobina di apertura dell’interruttore? Un relè può essere configurato perfettamente e tuttavia non intervenire, se il secondario di un TA è aperto o se un cavo di sgancio è collegato al terminale errato — motivo per cui la verifica end-to-end durante la FAT risulta economicamente più vantaggiosa di un ordine di grandezza rispetto alla stessa prova eseguita in cantiere.

 

Sei domande da inserire nella vostra RFQ

1. Quali dispositivi di protezione sono montati e cablati in fabbrica, e quali vengono spediti sfusi?
2. Relè Buchholz: marca e modello; le fasi di allarme e di sgancio sono state verificate su banco, con foto incluse nel file della FAT?
3. TA: rapporto di trasformazione, classe di precisione (una classe di protezione come 5P20) e diagramma di polarità inclusi nei disegni?
4. I dispositivi di misura della temperatura, del livello dell’olio e della pressione dispongono di contatti di riserva per una futura connessione SCADA?
5. Il rapporto di prova della fabbrica include l’iniezione primaria CT e la continuità dei contatti, oppure soltanto prove elettriche di routine?
6. Quali documenti di protezione vengono forniti con l’unità — diagrammi di cablaggio, manuali dei relè, certificati di prova?

Ecco perché ciò ha un impatto pratico. Un acquirente di utility con cui collaboriamo nel Medio Oriente standardizza ogni ordine di sottostazione su una sola piattaforma di relè e un unico insieme di specifiche per i contatti. Dal nostro lato, tale standardizzazione comporta lo stesso schema di cablaggio, la stessa procedura di prova e la stessa lista di ricambi per ogni unità, il che abbrevia la FAT e rende prevedibile il passaggio all’equipe di messa in servizio del cliente.

Ryan Electric produce trasformatori di distribuzione e di potenza dal 2007 in uno stabilimento di 120.000 m²; la partnership con Eaton, avviata nel 2023, garantisce che l’approvvigionamento dei componenti e le procedure di FAT siano allineate alle aspettative delle utility globali. Trentasette brevetti e le certificazioni UL, CSA, IEEE, DEKRA e CNAS sostengono tali procedure — nessuna delle quali sostituisce le impostazioni definite dall’ingegnere addetto alla protezione, ma tutte contribuiscono a semplificarne il lavoro.

Se state specificando un trasformatore a immersione in olio per un progetto di utility, minerario o industriale, inviateci i dati di carico, la tensione di sistema e la filosofia di protezione insieme alla vostra richiesta. I nostri ingegneri confermeranno l’ambito della protezione, il programma di prove e il pacchetto documentale prima che decidiate di emettere un ordine d’acquisto. Utilizzate la nostra pagina contatti oppure richiedete direttamente un preventivo: vi risponderemo con informazioni concrete, non con un dépliant.

Sull'autore questa guida è stata redatta dal team di ingegneria e export di Ryan Electric, un produttore cinese di trasformatori fondato nel 2007. 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 sui test in fabbrica.