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

SF6 in Olio – difetti di tenuta dell’isolatore

Definizioni

 

Mineral insulating oil - olio minerale, natural esters - estere naturale, Synthetic organic ester - estere sintetico

 

Mineral insulating oil
insulating liquid derived from petroleum crudes
Note – Petroleum crude is a complex mixture of hydrocarbons with small amounts of other natural chemical substances.
IEV ref. 212-17-02 [fonte]

Natural esters (dalla IEC 62770)
vegetable oils obtained from seeds and oils obtained from other suitable biological materials and comprised of triglycerides
IEC 62770, ed. 1.0 (2013-11)

Synthetic organic ester (dall’Electropedia IEC)
insulating liquid produced from acids and alcohols by chemical reaction
Note – These esters include mono-, di- and polyol-esters.
IEV ref. 212-17-08 [fonte]

 

SF6 (esafluoruro di zolfo) (da Wikipedia)
L'esafluoruro di zolfo è un composto inorganico con formula SF6. È un gas trasparente, privo di odore, non-tossico e non-infiammabile (sotto condizioni standard); ad 1 bar ha densità 6.164 g/L (è circa 5.1 volte più denso dell'aria).

SF6 ha una geometria ottaedrica, consistente in sei atomi di fluoro legati ad un atomo centrale di zolfo. È una molecola ipervalente. È poco solubile in acqua ma solubile in solventi organici apolari. È generalmente trasportato in forma liquefatta. [fonte]

 

Introduzione

 

Isolatori in olio e SF6

La criticità “SF6 in Olio – difetti di tenuta dell’isolatore” non riguarda direttamente i trasformatori, ma appunto gli isolatori passanti (bushing), accessori che consentono il passaggio dei conduttori dall’interno del trasformatore al suo esterno senza entrare in contatto con la cassa.

 

Nei trasformatori elevatori (GSU), il 14% dei guasti è riconducibile agli isolatori passanti (>100KV).

CIGRE WG A2.37 - Transformer reliability survey, Dec. 2015

 

Gli isolatori passanti sono posti normalmente sulla parte superiore del trasformatore e sono di diverse tipologie a seconda delle tensioni/correnti in gioco e del tipo di conduttore esterno a cui devono essere collegati. Gli isolatori sono tipicamente costituiti da due compartimenti, quello inferiore è inserito nel trasformatore, quello superiore è ancorato sulla cassa del trasformatore. Il compartimento superiore può essere libero o inserito all’interno di involucri metallici riempiti ad esempio con SF6 (esafluoruro di zolfo).

Per correnti elevate (fino a 30 KA) si utilizzano isolatori olio-aria con un conduttore centrale di elevato diametro, per tensioni elevate si impiegano isolatori olio-olio, olio-SF6 o a condensatore, in cui il conduttore centrale è avvolto con strati di carta isolante alternati con strati di materiale conduttore. In alta e altissima tensione, il gas SF6 è comunemente utilizzato come mezzo isolante poiché non è soggetto ad invecchiamento, non è tossico, né infiammabile, ha buone proprietà dielettriche (quasi 3 volte maggiore dell’aria o dell’azoto), spegni-arco e termiche.

 

Caratteristiche dell’SF6

L’esafluoruro di zolfo – SF6 è un gas incolore, senza odore, non tossico, non infiammabile, chimicamente inerte con elevate proprietà dielettriche, quasi 3 volte maggiore dell’aria o dell’azoto.

Da oltre 50 anni l’SF6 è utilizzato con successo in varie applicazioni industriali, soprattutto negli interruttori e sezionatori sulle linee di trasmissione e distribuzione di energia elettrica. In altri ambiti è impiegato ad esempio negli acceleratori di particelle, nei radar e nell’industria elettronica o in campo medico, ed in particolare nelle macchine di diagnostica a risonanza magnetica e nella chirurgia dell’occhio.

In passato era anche utilizzato negli pneumatici, nelle palline da tennis, in alcune tipologie di scarpe da ginnastica e come isolante nei doppi vetri ma il suo uso in queste applicazioni è stato bandito dal 2007.

Nelle apparecchiature elettriche di media e alta tensione, l’SF6 è impiegato per le sue elevate proprietà di estinzione degli archi elettrici grazie alla sua elevata resistenza dielettrica e la sua capacità di ricombinazione. Grazie a queste proprietà, superiori ad altri fluidi come aria o azoto, le sottostazioni elettriche possono essere costruite con dimensioni molto più compatte.

 

SF6 e l’ambiente

Tra i gas che causano il noto “effetto serra” l’SF6 è quello che richiede la più elevata priorità di azione in termini di prevenzione/mitigazione dei cambiamenti climatici globali. Insieme con altri cinque gas (Biossido di carbonio (CO2), Metano (CH4), Ossido di azoto (N2O), Idrofluorocarburi (HFC), Perfluorocarburi (PFC)) l’SF6 è stato elencato nel Protocollo di Kyoto (1997). Il suo impatto climatico è 22.800 volte maggiore rispetto all’anidride carbonica (CO2) e il suo tempo di permanenza nell’atmosfera è di circa 3.200 anni (fonte: Federal Statistical Office: Survey of particular climate-active materials “sulphur hexafluoride” (SF6), Wiesbaden, 2015)

Per prevenire i pericolosi effetti sul clima l’utilizzo del gas è stato proibito fin dal 4 Luglio 2007 per le applicazioni “civili/domestiche”, tuttavia, nella maggior parte delle applicazioni industriali il gas SF6 continua ad essere utilizzato perché non sono ancora state individuate alternative con performance equivalenti.

In tutto il mondo esistono regole severe per la riduzione delle emissioni di gas SF6 in atmosfera. Nell’Unione Europea, il regolamento F-Gas, (CE) n. 517/2014, sulla limitazione delle emissioni di gas serra, è entrato in vigore nel 2014. Nel regolamento sono stati stabiliti i requisiti generali per l’inventario, la gestione ed il trattamento del gas SF6 e di altri gas fluorurati.

 

 

Cause

La criticità “SF6 in Olio – difetti di tenuta dell’isolatore” è causata principalmente da difetti di tenuta fra l’isolatore (isolato con olio) e l’involucro metallico (contenente SF6) che racchiude la parte superiore dell’isolatore stesso.

I difetti di tenuta possono derivare da una degradazione chimico fisica dei materiali, da stress elettrico, termico e/o meccanico. L’insieme di questi fattori porta ad una migrazione dell’SF6 nell’olio dell’isolatore. Se da un lato quindi si determina la presenza di SF6 nell’olio (comparto olio dell’isolatore), dall’altro lato si ottiene una contaminazione da parte dell’olio a danno dell’SF6 nell’involucro metallico che racchiude la parte superiore dell’isolatore. Quest’ultima condizione è ben più grave della condizione contraria, in particolare la nebbia d’olio nella parte in SF6 fa perdere a quest’ultimo le sue proprietà dielettriche mettendo a rischio la tenuta dell’isolamento dell’accessorio.

 

La gravità di questa criticità sta nel fatto che, senza particolari segni/sintomi, può dare origine a guasti elettrici con archi di potenza fino all’esplosione e incendio dell’isolatore con conseguenze catastrofiche. A seguito dell’esplosione di un isolatore infatti, pezzi di porcellana e componenti metalliche vengono proiettati fino a 200 m dal punto d’installazione con un elevatissimo pericolo per le persone e con alta probabilità che si inneschi un effetto domino sulle apparecchiature circostanti. In caso di incendio, la gravità dell’evento è altrettanto severa vista l’elevata probabilità di propagazione alla cassa del trasformatore. La conseguenza di evento simile potrebbe determinare lo scoppio (e/o incendio) anche del trasformatore con un impatto molto grave nei confronti delle persone, delle cose, e dell’ambiente.

 

 

 

 

Segni (ispezione visuale) – Sintomi (analisi)

Segni (ispezione visuale)

La criticità “SF6 in Olio – difetti di tenuta dell’isolatore” non manifesta segni caratteristici, tuttavia, attraverso l’ispezione visuale è possibile:

  • valutare le condizioni generali dell’accessorio (corrosioni) e la presenza di perdite,
  • verificare la dilatazione del soffietto (olio / SF6), indicatore della quantità di olio presente nell’isolatore
  • verificare in particolare le condizioni generali del jack capacitivo (se presente) grazie al quale possono essere eseguiti opportuni test elettrici (capacità, fattore di dissipazione).

Campionamento rappresentativo

Nonostante risulti maggiormente critica la presenza di olio nell’involucro in SF6, risulta decisamente più conveniente prelevare un’aliquota d’olio (dal comparto olio dell’isolatore) ed analizzarlo per valutare la presenza di SF6. Questo indicatore è sufficiente per conclamare la criticità poiché un difetto di tenuta fra l’isolatore e l’involucro esterno produrrebbe allo stesso tempo sia olio nell’SF6 sia SF6 nell’olio.

Il campionamento rappresentativo di un isolatore olio-SF6 è delicato e complesso, è necessario impiegare idonee procedure operative (in conformità alle specifiche del costruttore dell’isolatore), appositi dispositivi di campionamento e personale addestrato nello specifico.
La difficoltà sta nella presenza di un volume molto basso di olio nel compartimento (olio) dell’isolatore, di conseguenza è necessario eseguire il prelievo compensando con la stessa quantità d’olio (pretrattato). L’operazione deve essere eseguita con estrema attenzione al fine di evitare la più piccola infiltrazione di bolle d’aria.

Sea Marconi ha maturato una grande esperienza sul campo eseguendo questa operazione sugli isolatori del parco macchine EDF nucleare.

 

 

Sintomi (analisi)

Il sintomo specifico della criticità “SF6 in Olio – difetti di tenuta dell’isolatore” è correlato a valori non conformi per il seguente indicatore diagnostico:

  • SF6 in olio*

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

  • Acqua disciolta (IEC 60814)
  • Gas disciolti (IEC 60567) (Ossigeno, Azoto, Anidride carbonica, Monossido di carbonio, Idrogeno, Metano, Etano, Etilene, Acetilene) con indicazione dei C3 (propano, propilene, e metilacetilene o propino (C3H4))
  • Fattore di dissipazione dielettrica (IEC 60247)
  • Particelle (IEC 60970)

*Sia l’analisi dell’SF6 in olio, sia il campionamento dal compartimento olio dell’isolatore, sia l’interpretazione diagnostica dei risultati analitici sono privi di un metodo di riferimento e di una bibliografia convalidata.

 

Sea Marconi ha sviluppato e validato internamente un proprio metodo analitico che bypassa i limiti tecnici che si avrebbero impiegando la classica DGA. Quest’ultima infatti non è in grado di restituire il contenuto di SF6 in olio. La motivazione è molto tecnica: di fatto l’SF6 contamina il catalizzatore del metanatore, più semplicemente, manda fuori taratura il normale sistema analitico.

Lo stesso percorso di ricerca e sviluppo intrapreso da Sea Marconi per la messa a punto del metodo analitico descritto sopra, è stato percorso per validare il modello di interpretazione diagnostica dei risultati. Questo ha portato a determinare per ogni famiglia di apparecchiature (in relazione al produttore) quali debbano essere considerati valori tipici, di allerta e di allarme, in relazione alla concentrazione e alla velocità di formazione dell’SF6 in olio nonché al profilo degli altri gas disciolti (DGA).

 

Diagnosi

Per la diagnosi della criticità “SF6 in Olio – difetti di tenuta dell’isolatore”, Sea Marconi impiega la propria metrica diagnostica, nella fattispecie:

  • si interpretano i segni visuali sull’isolatore passante;
  • mediante l’analisi dell’olio si vanno a identificare i sintomi, cioè gli indicatori sintomatici (SF6 in olio, gas disciolti, acqua disciolta) ed i loro valori caratteristici;
  • grazie alla banca dati si studia l’anamnesi familiare o soggettiva (alla ricerca ad esempio di difetti e/o guasti su accessori gemelli);
  • si prendono in esame e si monitorano i fattori di incertezza, la velocità e l’evoluzione nel tempo (trend) degli indicatori sintomatici durante la fasi del ciclo di vita;
  • 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

Non essendoci una vera e propria terapia per questa criticità, la prevenzione è l’unica strategia perseguibile per una corretta gestione del ciclo di vita dell’isolatore passante e del trasformatore a cui esso è collegato.

Azioni di prevenzione nel corso del ciclo di vita dell’isolatore

  • Monitorare gli indicatori sintomatici (vd. sintomi poco sopra). Nel caso si manifestino i primi sintomi della criticità, come un elevato tenore di SF6 nell’olio, si raccomanda di aumentare la frequenza di campionamento e delle analisi (una volta a settimana o addirittura una volta al giorno) al fine di monitorarne i trend. Questo monitoraggio ha l’obiettivo di stabilire il momento opportuno che giustifichi la messa fuori servizio del trasformatore e la sostituzione dell’accessorio con opportuno pezzo di ricambio.
  • Oltre a costanti ispezioni visuali, valutare l’esecuzione di rilievi termografici per determinare le condizioni generali dell’accessorio, individuare eventuali difetti nelle connessioni o sulle fasi, individuare eventuali difetti nel sistema di raffreddamento
  • Valutare l’esecuzione di test elettrici per determinare eventuali perdite di isolamento, scariche parziali, capacità, Tg delta.
  • Si raccomanda di aggiornare le informazioni strategiche attraverso un “inventario dinamico” degli oli e dei trasformatori (con i relativi accessori), senza trascurare i valori dei marker sintomatici.
  • Si raccomanda di modificare/integrare le pratiche di manutenzione e approvvigionamento in modo tale avere la certezza che a magazzino vi siano sempre sufficienti pezzi di ricambio (degli isolatori) per ciascuna famiglia/produttore

 

Terapie

La criticità “SF6 in Olio – difetti di tenuta dell’isolatore” non contempla una vera e propria terapia, la criticità può essere risolta solo attraverso la sostituzione dell’isolatore.

La miglior gestione del ciclo di vita dell’accessorio prevede di fatto un costante monitoraggio del contenuto di SF6 in olio dell’isolatore (vd. prevenzione poco sopra) al fine di minimizzare il più possibile il rischio di guasto e pianificare una sostituzione in tutta sicurezza.

 

 

Avvertenze

Il campionamento dell’olio nell’isolatore deve essere eseguito secondo le specifiche fornite dal costruttore:

  • con procedure idonee allo scopo e dispositivi di campionamento specifici
  • con personale in possesso di competenza e addestramento specifico in materia

affidandosi ad operatori in grado di dimostrare un’ampia casistica applicativa ed in grado di certificare gli interventi eseguiti in garanzia di qualità (ISO 9001)