Soluzioni sostenibili per la gestione del ciclo di vita
(LCM) di trasformatori elettrici con oli isolanti

Corrosione per dissoluzione dei metalli (C4)

 

Definizioni

“Corrosione da dissoluzione dei metalli – C4″ è la criticità caratterizzata dalla proprietà corrosiva dell’olio che determina una dissoluzione dei metalli (es.: rame) all’interno dei trasformatori e di altre apparecchiature elettriche alle normali condizioni di esercizio. Questa criticità degrada progressivamente le proprietà dielettriche e chimiche dei materiali e degli isolanti (olio e carte) e non è correlabile allo zolfo corrosivo (C1, C2, C3).

Corrosione
Disintegrazione di un metallo dovuta a reazioni chimiche con zolfo e altre specie chimiche nei liquidi isolanti
[traduzione Sea Marconi della norma tecnica IEC 62697-1 del 2012, par. 3.1.5 – pag. 10]

 

 

Introduzione

La criticità Corrosione da dissoluzione dei metalli – C4 è stata scoperta da Sea Marconi attraverso l’analisi di una grande casistica contenuta nella propria banca dati in oltre 40 anni. Questi studi hanno permesso di correlare sperimentalmente le concentrazioni dei metalli disciolti (es.: rame) ad alcune tipologie di liquidi isolanti impiegati in diverse famiglie apparecchiature elettriche. Si sono osservate elevatissime concentrazioni di rame disciolto in olio (fino a 500 mg/Kg) e degrado delle proprietà dielettriche dell’olio isolante (fattore di dissipazione dielettrica – DDF fino ad oltre 2). Si è riscontrato inoltre un significativo fenomeno di deposizione di specie organo-metalliche sulle carte isolanti che non dipende dal fenomeno delle zolfo corrosivo.

 

 

Alle origini della criticità

L’analisi dei metalli disciolti nei liquidi isolanti è stata implementata in modo pionieristico da Sea Marconi nel 1984. Questa indagine, correlata all’analisi delle particelle in olio, che Sea Marconi ha eseguito sistematicamente per prima al mondo nel 1976, ci ha permesso di diagnosticare con precisione già dalla metà degli anni ‘80 specifiche criticità di oli e trasformatori.

[ALT img: Corrosione per dissoluzione dei metalli (C4) ]

Nel 1995 Sea Marconi ebbe l’opportunità di studiare ancor meglio il fenomeno della dissoluzione dei metalli. In quell’occasione Sea Marconi fu chiamata da una compagnia di costruzione di trasformatori in Sud America ad investigare i numerosi casi di guasto catastrofico. Si trattava di reattori shunt su rete a 500 KV, tutti fra i 18 e 24 mesi. Nel corso dell’indagine analitica Sea Marconi analizzò i fattori responsabili dei guasti ma senza determinare con certezza la causa degli eventi catastrofici. Quell’expertise però fece sorprendentemente emergere la tendenza di alcune tipologie di oli a disciogliere rame all’interno di specifiche famiglie di trasformatori. Questo studio venne comunicato al Cigré TF 15.01.05 e ulteriormente approfondito in occasione della presentazione al Cigrè di Parigi nell’agosto del 2000.

Il grafico qui sopra mostra un esempio di analisi statistica con correlazione tra anno di costruzione e concentrazione di rame per oli isolanti minerali su trasformatori di distribuzione

 

 

Clicca qui per accedere alle principali pubblicazioni Sea Marconi sull’argomento:

Maina, V. Tumiatti, M. Pompili and R. Bartnikas, Dielectric Loss Characteristics of Copper Contaminated Transformer Oils, IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 25, NO. 3, 2010

Maina, V. Tumiatti, M.C. Bruzzoniti, R.M. De Carlo, J. Lukić, D. Naumović-Vuković, Copper Dissolution and Deposition Tendency of Insulating Mineral Oils Related to Dielectric Properties of Liquid and Solid Insulation, ICDL 2011, Trondheim, June 26-30 2011

M.C. Bruzzoniti, R.M. De Carlo, C. Sarzanini, R. Maina, V. Tumiatti, Determination of copper in liquid and solid insulation for large electrical equipment by ICP-OES. Application to copper contamination assessment in power transformers, Talanta, vol. 99, 2012, 703-711

M. De Carlo, M.C. Bruzzoniti; C. Sarzanini, R. Maina; V. Tumiatti, Copper Contaminated Insulating Oils-Testing and Investigations, IEEE Trans. On Dielectrics and Electrical Chim. Dott. Riccardo Maina Via Tiraboschi, 25 10149 Torino (TO) Insulation, vol. 20, No. 2, 2013, 557-563

R. M. De Carlo, C. Sarzanini, M.C. Bruzzoniti; R. Maina; V. Tumiatti; Copper-in-oil Dissolution and Copper-on-Paper Deposition Behavior of Mineral Insulating Oils, IEEE Trans. On Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 21, No. 2, 2014, 666-673

 

 

Quadro normativo

  • IEC 60422:2013, Mineral insulating oils in electrical equipment – Supervision and maintenance guidance
  • ASTM D 7151, Standard Test Method for Determination of Elements in Insulating Oils by Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES)
  • IEC 60422:2013, Mineral insulating oils in electrical equipment – Supervision and maintenance guidance
  • CIGRE Brochure 378:2009, Copper sulphide in transformer insulation
  • CIGRE Brochure 413:2010, Insulating Oil Regeneration and Dehalogenation
  • CIGRE Brochure 625:2015, Copper Sulphide long term mitigation and risk assessment

 

 

Cause

La criticità Corrosione da dissoluzione dei metalli – C4 è causata dall’azione corrosiva dell’olio nei confronti dei metalli presenti nei trasformatori (es.: rame). Tale corrosione determina la dissoluzione (scioglimento) dei metalli all’interno dell’olio alle normali condizioni di esercizio.

Il tipo e la velocità della corrosione dei metalli dipendono dalla temperatura, dalla concentrazione di ossigeno e dalla formulazione dell’olio in termini di composti aromatici, composti polinucleari aromatici (PNA), composti con eteroatomi (es.: ossigeno, azoto), additivi antiossidanti (es.: DBPC), additivi passivanti (es.: Irgamet 39, Irgamet 30).

 

 

Cause in relazione alle fasi del ciclo di vita

L’effetto del campo elettrico all’interno del trasformatore amplifica la mobilità ionica dei composti organo-metallici disciolti nei liquidi isolanti degradando le proprietà dielettriche del sistema isolante (olio e carte). Questi fenomeni possono diventare particolarmente critici per alcune tipologie di trasformatori, ad esempio trasformatori raddrizzatori, di conversione (HVDC), e quelli speciali (es.: trazione elettrica di treni).

La dissoluzione induce la deposizione di metalli (es: rame) sulle carte isolanti e la formazione di depositi insolubili (sludge) all’interno della cassa; la conseguenza è il progressivo degrado delle proprietà dielettriche e chimiche sia dell’olio sia delle carte.

La presenza di rame disciolto agisce da catalizzatore nei processi di ossidazione dell’olio
– accelerando la degradazione chimica dell’olio,
– riducendo le proprietà di stabilità all’ossidazione dell’olio,
– accelerando l’invecchiamento delle carte,
– ed accelerando la formazione di sludge.

Su alcune tipologie di oli ad alto tenore di aromatici, si sono osservate concentrazioni di rame disciolto in olio fino a 500 mg/Kg (a fronte di un valore tipico < di 0,80 mg/Kg) e fattore di dissipazione dielettrica DDF (tan delta) superiori a 2 (a fronte di un valore tipico < di 0,10) .

Sulle carte si è osservata una contaminazione da rame con concentrazioni fino a 2700 mg/Kg (a fronte di un valore tipico di 50 mg/Kg).

Sea Marconi ha sperimentalmente studiato questi fenomeni su diverse tipologie di liquidi isolanti. In alcune tipologie si è evidenziata una correlazione tra fattore di dissipazione dielettrica (tg delta) e concentrazione di rame disciolto nell’olio isolante. In altre tipologie di olio, grazie al copper deposition tendency test sviluppato da Sea Marconi, si è osservata una relazione tra la formulazione dell’olio con particolari additivi e la tendenza a depositare sulle carte composti organo-metallici contenenti rame.

 

 

Segni (ispezione visuale) – Sintomi (analisi)

Segni (ispezione visuale)

I segni di questa criticità sono visibili soltanto attraverso un’ispezione interna del trasformatore, per esempio dopo un guasto. In presenza di questa criticità si osservano depositi insolubili (sludge) di colore grigio/marrone sul fondo della cassa, sulle carte, sugli avvolgimenti, sui canali di circolazione dell’olio e di raffreddamento degli avvolgimenti. Un altro segno può essere il progressivo aumento della temperatura dell’olio rispetto all’ambiente a parità di carico (sintomo di una riduzione dello scambio termico).

 

Campionamento rappresentativo

Qualora si decida di eseguire un’ispezione interna del trasformatore, a seguito di guasto o al fine di eseguire un’investigazione approfondita, è fortemente raccomandato il prelievo di campioni rappresentativi delle carte isolanti in conformità ai protocolli e alle procedure idonee. In particolare si consiglia di prelevare le carte nella parte alta, bassa ed intermedia dei singoli avvolgimenti, sia del primario sia del secondario, per ciascuna fase, prelevando più campioni di carte nelle zone con un maggiore inscurimento o infragilimento delle carte stesse.

Durante l’ispezione esterna del trasformatore risulta necessario prelevare dei campioni rappresentativi della specifica matrice (olio isolante) in conformità alla norma di riferimento ed alle istruzioni operative allegate ai kit di campionamento.

 

Sintomi (analisi)

Il sintomo principale della criticità “C4″ è legato alla presenza di:
metalli disciolti in liquidi isolanti (es.: rame) (ASTM D7151)

ci sono poi dei co-fattori utili per completare il quadro diagnostico:

  • Aspetto (ISO 2049)
  • Colore (ISO 2049)
  • Particelle (IEC 60970)
  • Fattore di dissipazione dielettrica – tan delta (IEC 60247)
  • CDT test (Copper Deposition Tendency Test) (metodo interno)
  • Acidità totale – TAN (IEC 62021-1 or IEC 62021-2)
  • Additivi: Passivatori (BTA, Irgamet 39, Irgamet 30); inibitori di ossidazione (DBPC, DBP)
  • Fingerprint dell’olio (metodo interno)

 


[ALT img: Corrosione per dissoluzione dei metalli (C4)]
Corrosività delle diverse famiglie di composti a diverse temperature
[ALT img: Corrosione per dissoluzione dei metalli (C4)]
Tasso di conversione in zolfo corrosivo di 22 composti solforati (calcolo a seguito del test TCS)

 

M.C. Bruzzoniti, R.M. De Carlo, C. Sarzanini, R. Maina, V. Tumiatti, Stability and Reactivity of Sulfur Compounds against Copper in Insulating Mineral Oil: Definition of a Corrosiveness Ranking, Ind. Eng. Chem. Res., 2014, DOI: dx.doi.org/10.1021/ie4032814

 

 

Diagnosi

Per la diagnosi della criticità “Corrosione da dissoluzione dei metalli – C4″, Sea Marconi impiega la propria metrica diagnostica, nella fattispecie:

  • si interpretano i segni visuali da osservazione esterna del trasformatore, e quelli da eventuale ispezione interna dopo guasto su macchine gemelle;
  • mediante l’analisi dell’olio si vanno a identificare i sintomi, cioè gli indicatori specifici (es: rame disciolto);
    Ad esempio per un trasformatore nuovo, da energizzare o dopo l’energizzazione, la concentrazione tipica di rame disciolto in olio è “non detectable” cioè < 0,1 mg/Kg. Per un trasformatore in servizio invece il valore di riferimento deve essere calcolato su base statistica della popolazione di riferimento al 90° percentile (es.: 0,80 mg/Kg)
  • grazie alla banca dati si studia l’anamnesi familiare o soggettiva alla ricerca di guasti su macchine assimilabili (stesso olio, stesso produttore, stessa tipologia di apparecchiatura, stesso profilo operativo, età assimilabile);
  • si prendono in esame e si monitorano i fattori di incertezza, la velocità e l’evoluzione nel tempo (trend) di ogni indicatore sintomatico
  • in base alla valutazione di questi fattori chiave, la criticità specifica viene classificata in termini di tipo e priorità, definendo allo stesso tempo tipo e priorità delle azioni correttive

 

 

Prevenzione

  • Si raccomanda di evitare trattamenti dell’olio con processi che riattivano le terre follari mediante combustione e comunque
  • Si raccomanda di evitare sempre che il “burnt oil” contamini la massa dell’olio del trasformatore.

 

Terapie

Le azioni raccomandate dalla IEC 60422 Ed. 4-2013

in presenza di “zolfo corrosivo” sono:

  • eseguire una valutazione del rischio
  • e successivamente scegliere in alternativa
  • A. ridurre la corrosività dell’olio aggiungendo un passivatore del rame oppure
    [NOTA – Dopo la passivazione dell’olio, è necessario un controllo regolare della concentrazione del passivante. In caso di esaurimento continuo del passivante rimuovere la causa della corrosività secondo il punto sotto]
  • B. rimuovere la sorgente della corrosività cambiando l’olio oppure
  • C. rimuovere la sorgente della corrosività rimuovendo i composti corrosivi attraverso opportuni trattamenti dell’olio.

 

 

A. Passivazione

La passivazione consiste nell’additivare l’olio con una sostanza che dovrebbe proteggere il rame all’interno del trasformatore dall’azione corrosiva del DBDS. Le analisi eseguite sugli oli contenuti nelle apparecchiature passivate hanno evidenziato una diminuzione del contenuto del passivatore già dopo i primi giorni dopo l’additivazione. In altri casi invece si è visto che l’azione protettiva del passivatore nei confronti del rame è disomogenea, permettendo quindi in alcune zone la formazione di solfuro di rame.

Il caso della rete elettrica brasiliana dell’agosto 2005, riportato dalla brochure CIGRÉ 378:2009, mostra che il 50% dei reattori passivati subirono un guasto, il primo dopo 33 gg dalla passivazione, l’ultimo dopo 590 gg. (approfondisci)

 

 

B. Cambio dell’olio

Nonostante il cambio dell’olio, il 10-15% della vecchia carica d’olio contaminato rimane assorbito nelle carte del trasformatore che lo rilasciano col tempo (la condizione di equilibrio si raggiunge in circa 90 giorni). Il vecchio olio contamina quindi quello nuovo, di conseguenza è impossibile rimuovere completamente il DBDS con un solo cambio d’olio. (approfondisci)

 

 

C. Rimozione dei composti corrosivi, depolarizzazione (approfondisci)


[ALT img: Corrosione per dissoluzione dei metalli (C4)]

Fa parte di questa categoria la contromisura proposta e impiegata da Sea Marconi. Si tratta di un processo di Depolarizzazione selettiva da DBDS che viene eseguito sul posto, mantenendo il trasformatore in servizio (e sotto carico) senza necessità di svuotarlo. Questo intervento si esegue con delle Unità Modulari di Decontaminazione (DMU) realizzate appositamente da Sea Marconi. Il trasformatore viene collegato alla DMU mediante tubazioni flessibili; l’olio contaminato dai composti solforati corrosivi viene aspirato dalla parte bassa del trasformatore, finisce poi nella DMU che lo scalda, lo filtra, lo degasa, lo deumidifica e lo decontamina per poi pomparlo nella parte alta del trasformatore. Si crea così un circuito chiuso e passaggio dopo passaggio i composti solforati corrosivi vengono rimossi (< 10 mg/Kg espressi come DBDS equivalente)

 

 

Avvertenze

Un operatore qualificato deve essere in grado di proporre varie soluzioni per il trattamento degli oli, evidenziando pregi e difetti di ciascun intervento. In questo caso è bene verificare che l’operatore/fornitore conosca in dettaglio i pericoli insiti nei processi di trattamento dell’olio con riattivazione delle terre follari mediante combustione.

 

 

Quando e dove siamo intervenuti con successo

[ALT img: Corrosione per dissoluzione dei metalli (C4)]

Zolfo corrosivo negli oli isolanti, recenti guasti e possibili contromisurezolfo corrosivo da DBDS (C1) / zolfo corrosivo per dissoluzione metalli (C4)