Fusibili e protezione della fauna selvatica per trasformatori su basamento: una checklist per le utility per ridurre i guasti

Un team nel centro dell'Oklahoma ha aperto lo scorso novembre un'unità su basamento che aveva interrotto il suo alimentatore due volte in una settimana. Il trasformatore era in buone condizioni. Uno scoiattolo aveva cortocircuitato i morsetti ad alta tensione, causando un arco e lasciando una traccia carboniosa che si è riaccesa ad ogni richiusura automatica. Due interruzioni, un solo animale, zero guasti agli avvolgimenti e un rapporto sulla affidabilità che continuava a indicare l'unità come causa del problema.

Noi produciamo queste unità, quindi considerate questo potenziale conflitto di interesse con scetticismo. Tuttavia, il modello riscontrato è difficile da confutare: la maggior parte delle chiamate relative a unità su basamento di cui veniamo interpellati non ha origine all'interno del serbatoio. Si verifica invece al confine: nei fusibili che proteggono il trasformatore e nello scomparto progettato per impedire l'accesso della fauna selvatica.

 

 

 

Due modalità di guasto responsabili della maggior parte delle chiamate per unità su basamento

Fusibilamento del trasformatore su supporto a terra è il primo. Il fusibile primario è l’unico dispositivo che separa un guasto secondario da un trasformatore che deve essere sostituito con tempi di consegna misurati in mesi. Se è dimensionato troppo piccolo, si apre ogni volta che si verifica un richiudo dell’alimentatore dopo una tempesta, a causa dell’assorbimento di corrente a freddo. Se è dimensionato troppo grande, si colloca al di sopra della curva di guasto diretto, il che significa che il trasformatore assorbe i guasti che il fusibile avrebbe dovuto eliminare.

Il secondo è la fauna selvatica. I pozzetti per i bushing, le barriere isolanti e lo spazio tra il tetto dell’involucro e il compartimento cavi sono tutti punti di ingresso. Un procione attraversa un’apertura di 75 mm senza rallentare. Un serpente non ha nemmeno bisogno di un’apertura, se l’armadio presenta una fossa per cavi interrata.

Nessuno dei due guasti emerge durante una normale revisione progettuale elettrica, perché entrambi ricadono nella zona compresa tra la specifica del trasformatore e le impostazioni di protezione dell’azienda elettrica. Come produttore di trasformatori di tipo a terra , le domande che ci raggiungono nelle ultime due settimane prima della spedizione riguardano quasi sempre questi due aspetti.

 

Leggere la curva di guasto in transito prima di consultare la tabella dei fusibili

Ogni decisione sulla dimensione di un fusibile parte da una curva, non da una tabella. Lo standard IEEE C57.109 definisce per quanto tempo un trasformatore immerso in liquido può sopportare un determinato multiplo della corrente nominale prima che si accumuli danno; ambito e stato sono indicati nella Pagina IEEE C57.109-2018 . La guida presenta curve di coordinamento per quattro categorie di trasformatori, e tali curve tengono conto sia del carico termico sia dello sforzo meccanico che un guasto esercita sugli avvolgimenti.

Ecco il dato che rende concreta la questione. Si consideri un’unità da 1.000 kVA con primario a triangolo da 12,47 kV, secondario a 480 V e impedenza del 5,75%. La corrente primaria a pieno carico è di 46 A. La corrente secondaria a pieno carico è di 1.203 A, e un guasto franco ai morsetti secondari genera circa 20,9 kA prima di considerare l’impedenza del cavo. Il fusibile deve interrompere tale guasto prima che la corrente primaria vista dal trasformatore superi la sua curva C57.109, e deve inoltre tollerare l’afflusso magnetizzante al successivo inserimento.

Questi due requisiti spingono in direzioni opposte. Questa tensione costituisce l'intero compito e spiega perché un calendario di fusibili copiato da un progetto precedente rappresenta un rischio, non una scorciatoia.

 

I tre numeri alla base della scelta di un fusibile a baionetta

La maggior parte dei trasformatori nordamericani di tipo "pad-mount" utilizza un fusibile a baionetta di tipo NEMA B nel compartimento ad alta tensione; le correnti nominali disponibili presso la maggior parte delle utility vanno da 8 A a 200 A. Tre valori determinano quale fusibile installare.

Corrente a pieno carico. Calcolata dalla potenza nominale in kVA e dalla tensione primaria, non dal disegno dell'unità che sostituisce. I 46 A indicati sopra sono tipici per un trasformatore da 1.000 kVA su un sistema a 12,47 kV.

Ripresa del carico a freddo. Dopo un'interruzione, ogni termostato, compressore e azionamento riparte contemporaneamente. La corrente di spunto combinata con il carico a freddo può raggiungere, per alcune decime di secondo, diversi multipli della corrente a pieno carico (FLA); ecco perché un fusibile tarato al 1,2 × FLA diventa fonte di interventi intempestivi in una mattina fredda.

Coordinamento verso monte. La curva rapida del riclosatore deve intervenire prima del fusibile per i guasti temporanei, mentre il fusibile deve intervenire prima della curva lenta del riclosatore per i guasti permanenti. Quando le due curve si intersecano in un punto sul diagramma tempo-corrente, l’ente distributore ottiene il risultato peggiore possibile: un fusibile interrotto per un guasto che il riclosatore avrebbe potuto eliminare.

Nella pratica, la maggior parte degli standard di enti distributivi prevede per il fusibile a baionetta un valore compreso tra 1,5 e 2,5 volte la corrente nominale primaria (FLA), verificando poi il risultato rispetto alla curva di sovraccarico esterno. Quell’intervallo rappresenta un punto di partenza. Un’unità che alimenta un carico motore di grande potenza e un’unità che alimenta un centro commerciale non meritano la stessa soluzione, e il fusibilamento del trasformatore su supporto a terra piano di protezione deve indicare quale ipotesi è stata adottata.

Un ultimo dettaglio a costo zero: richiedere la curva del fusibile sulla stessa scheda tecnica della curva di danneggiamento del trasformatore. Quando queste due curve sono stampate insieme, una mancata coordinazione è evidente in cinque secondi. Quando invece sono contenute in documenti separati, diventa evidente solo nel terzo anno.

 

La protezione della fauna selvatica è un elemento specificato, non un accessorio

Protezione della fauna selvatica per trasformatori viene di solito trattata come una voce distinta che un’azienda elettrica aggiunge dopo che il trasformatore è stato posizionato sulla base. Invece, va inclusa nella specifica tecnica, perché il luogo più economico per risolvere il problema è la linea di produzione in fabbrica.

IEEE 1656 definisce le modalità con cui i dispositivi di protezione della fauna selvatica devono essere sottoposti a prove di prestazione elettrica, meccanica e di durata su reti di distribuzione fino a 38 kV, e il Documento IEEE 1656-2010 è il riferimento da citare quando un fornitore afferma che una copertura resisterà all’esterno per dieci anni. La sequenza di prove risponde a tale domanda. Una scheda tecnica no.

Le misure che modificano effettivamente il numero di interruzioni di servizio:

Pozzetti e coperture isolati per morsetti. Su unità da 15 kV e 25 kV, coperture che rimangono saldamente fissate anche durante la posa dei cavi, non quelle del tipo a scorrimento che si staccano già alla prima tempesta di vento.

Tavole divisorie tra compartimenti. Altezza totale, installato prima della chiusura del serbatoio. Un animale arrampicatore che entri all’interno non dovrebbe comunque raggiungere alcuna parte in tensione.

Aperture di ventilazione schermate. Rete in acciaio inossidabile su ogni lamella e alla base, dimensionata per impedire il passaggio di una sonda da 12 mm, anziché basata su ciò che il fabbricante ha in magazzino.

Interfaccia sigillata tra la canalina per cavi e il terreno. Una griglia rimovibile all’ingresso della canalina rappresenta la differenza tra un involucro protettivo e una vera e propria autostrada per i serpenti.

Nessuno di questi interventi comporta un costo significativo nella fase di progettazione. Tutti, invece, richiedono una squadra di lavoro, un ordine di modifica e un fermo impianto per essere realizzati successivamente.

 

Cosa Cambia in Fabbrica

Ryan Electric produce trasformatori di distribuzione dal 2007 su un sito di 120.000 m² dotato di oltre 180 insiemi di attrezzature per la produzione e i test e di 37 brevetti. Dal 2023 l’azienda opera come partner ufficiale di joint venture di Eaton, credenziale che le utility nordamericane tendono a richiedere per prime. Le unità sono certificate UL, possono essere realizzate secondo i requisiti CSA C22.2 per progetti canadesi e vengono consegnate con i dati dei test di routine conformi alla norma IEEE C57.12.90 nel pacchetto di accettazione in fabbrica.

Per gli ordini di trasformatori a terra (pad-mount), includiamo il pacchetto antifuga fauna nella progettazione base anziché quotarlo come opzione: hardware in acciaio inossidabile 316 per il cabinet, morsetti rivestiti con epossidico, pannelli di barriera installati prima della chiusura del serbatoio e griglie di ventilazione verificate con una sonda da 12 mm. Come produttore di trasformatori di tipo a terra operiamo secondo i requisiti UL e CSA, preferiamo discutere un dettaglio della griglia nella fase di disegno piuttosto che dover spiegare l’ingresso di un serpente al momento della messa in servizio.

La protezione con fusibili è il punto in cui un produttore di trasformatori di tipo a terra dovrebbe porre il maggior numero di domande. Desideriamo lo studio di protezione dell’azienda elettrica oppure, come minimo, le curve del riclosatore e la corrente di cortocircuito disponibile sul plinto. Un ordine è uscito dalla nostra fabbrica con un fusibile a baionetta da 200 A su un’unità da 500 kVA perché il programma fusibili proveniva da un progetto più grande; l’errore è stato rilevato durante la messa in servizio e il ritardo di due settimane è costato più delle spese di trasporto del trasformatore.

 

Un breve elenco di controllo prima di approvare il disegno

Sei punti: la maggior parte dei problemi di protezione per unità su plinto scompare prima che l’unità lasci la fabbrica.

1. Corrente primaria a pieno carico calcolata dalla potenza nominale in kVA e dalla tensione nominale di sistema.

2. Dimensione del fusibile compresa tra 1,5 e 2,5 volte la corrente a pieno carico (FLA), quindi verificata rispetto alla curva IEEE C57.109 alla corrente di cortocircuito disponibile.

3. Profilo di richiesta di carico a freddo confermato con i dati di ricerca sui carichi dell’azienda elettrica, specialmente sui tronchi con carico per riscaldamento elettrico o per irrigazione.

4. Curve veloce e lenta del riclosatore riportate sullo stesso foglio tempo-corrente del fusibile.

5. Pacchetto per la protezione della fauna selvatica specificato secondo lo standard di prova, non in base alla descrizione. Richiedere la sequenza di prova IEEE 1656 o un equivalente.

6. Dettagli relativi a barriere e schermi riportati sul disegno di approvazione, inclusa l’interfaccia con la canalina per cavi.

 

 

 

Il costo di un errore

Un fusibile mal coordinato non si guasta in modo spettacolare: semplicemente si apre, un team lo sostituisce e il registro registra un’interruzione transitoria. Ripetere tale evento tre volte sullo stesso alimentatore nella stessa stagione comporta per l’azienda elettrica costi di manodopera e manovre superiori a quelli di uno studio di coordinamento. Il protezione della fauna selvatica per trasformatori pacchetto segue la stessa logica aritmetica: uno schermo costa decine di dollari, mentre un serpente che attraversa i morsetti secondari comporta una settimana di servizio interrotto più la sostituzione dell’unità, prelevata da una slot produttiva già impegnata.

Questo è l’argomento a favore della definizione di entrambi i dettagli già nella fase di disegno. Un produttore di trasformatori di tipo a terra cambio di una piastra di barriera prima della chiusura del serbatoio ha un costo quasi nullo. Una volta che l’unità è posizionata sulla base, lo stesso cambiamento diventa una modifica in campo con un’interruzione associata.

Se si stanno specificando unità di distribuzione su basamento per una consegna prevista nel 2027, è opportuno definire subito i dettagli relativi alla protezione e alla fauna selvatica. I tempi di produzione in fabbrica sono talmente lunghi che una modifica del disegno dopo il rilascio comporta costi superiori rispetto a quelli di cinque anni fa.

 

Passo successivo

Inviaci lo schema unifilare, le curve del riclosatore e la corrente di cortocircuito disponibile sul basamento. Il nostro gruppo di ingegneria fornirà, di norma entro tre giorni lavorativi, uno schema di fusibili e un pacchetto antifauna adeguato al vostro standard.

Sull'autore

Questo articolo è stato redatto dal gruppo di ingegneria commerciale di Ryan Electric (Ryan Electric), un produttore di trasformatori che realizza unità su basamento, a secco e ad immersione in olio per utility e appaltatori EPC nell’America settentrionale, nel Medio Oriente, nel Sud-est asiatico e in Africa. Il gruppo supporta i progetti dalla fase di specifica fino alle prove di accettazione in fabbrica. Per domande tecniche su questo articolo, contattare il team di ingegneria commerciale tramite ryantransformers.com.