Quali sono i problemi comuni con gli avvolgimenti del trasformatore e come possono essere risolti?

Avvolgimenti del trasformatoresvolgono gran parte del lavoro pesante all'interno di un trasformatore. Trasportano corrente, trasferiscono energia elettrica e funzionano con il sistema di isolamento per mantenere il trasformatore funzionante in sicurezza. Per questo motivo, quando qualcosa va storto con aavvolgimento del trasformatore, il problema può diventare serio abbastanza rapidamente.

I problemi di avvolgimento possono derivare da forze di corto-circuito, surriscaldamento, invecchiamento dell'isolamento, umidità, difetti di fabbricazione o anche da una movimentazione brusca durante il trasporto. Alcuni difetti compaiono improvvisamente, mentre altri si sviluppano lentamente nel corso degli anni di funzionamento.

La buona notizia è che molti problemi di avvolgimento possono essere rilevati prima che si trasformino in un grave guasto. Test regolari e praticiconsigli per la manutenzione del trasformatorepuò fare una grande differenza.

Problemi comuni di avvolgimento del trasformatore

Ogni giorno un avvolgimento è esposto a sollecitazioni elettriche e meccaniche. Durante un cortocircuito, tuttavia, le forze possono diventare molte volte superiori rispetto alle normali condizioni operative. Questo è il momento in cui spesso emergono le debolezze esistenti.

Deformazione dell'avvolgimento del trasformatore

Deformazione dell'avvolgimentoè uno dei più graviproblemi del trasformatore, soprattutto dopo un cortocircuito-con corrente elevata.

In condizioni normali, le forze elettromagnetiche all'interno di un trasformatore sono ben controllate. Durante un guasto, tuttavia, la corrente può aumentare notevolmente e le forze risultanti possono spingere o tirare gli avvolgimenti fuori dalla loro posizione originale.

Un avvolgimento può muoversi radialmente, spostarsi assialmente, piegarsi, inclinarsi o comprimersi.A volte il danno è evidente durante un'ispezione interna. Altre volte il trasformatore continua a funzionare e il problema si manifesta solo durante il test elettrico.

È qui che le cose possono diventare complicate.

Un avvolgimento deformato può presentare spazi di isolamento inferiori a quelli originariamente progettati. I conduttori possono avvicinarsi tra loro, esercitando uno stress aggiuntivo sull'isolamento della spira e sull'isolamento principale. Alla fine, ciò può portare a un cortocircuito tra le spire-o addirittura a un guasto tra l'avvolgimento-a-terra.

Dopo un grave evento di cortocircuito-, è quindi una buona idea controllare il trasformatore invece di dare semplicemente per scontato che tutto sia a posto.

I metodi diagnostici comuni includonotest di resistenza degli avvolgimenti, test del rapporto spire, analisi della risposta in frequenza (FRA) e test di isolamento.

Guasti di isolamento delle spire e cortocircuiti-tra le spire

L'isolamento tra le singole spire è sottile, ma svolge un lavoro molto importante. Se l'isolamento si rompe, due o più spire possono diventare collegate elettricamente quando non dovrebbero esserlo.

Questo è noto come uncortocircuito tra-spira.

Inizialmente il guasto potrebbe interessare solo una piccola sezione dell'avvolgimento. Potrebbe sembrare che il trasformatore funzioni ancora normalmente, il che può rendere il problema facilmente trascurabile. Ma le spire in cortocircuito possono trasportare un’elevata corrente circolante e generare un notevole calore locale.

Quel calore danneggia più isolamento, il che può far crescere rapidamente il problema originale.

Guasto all'isolamento dell'avvolgimentopuò essere causato da surriscaldamento a lungo termine-, invecchiamento dell'isolamento, umidità, movimento meccanico, scarica parziale, stress elettrico eccessivo o danni fisici.

La riparazione dipende da ciò che trovano gli ingegneri. Se il danno è molto localizzato, a volte è possibile riparare i componenti dell'isolamento o dell'avvolgimento. Se il conduttore o il sistema di isolamento sono stati gravemente danneggiati, il riavvolgimento è solitamente l'opzione più sicura.

E qui c'è una regola importante: risolvere la causa, non solo il sintomo. Se il surriscaldamento ha causato il guasto dell'isolamento, è necessario risolvere anche il problema del raffreddamento o del caricamento.

Guasto principale dell'isolamento

Anche gli avvolgimenti del trasformatore fanno affidamentoisolamento principaleper separare l'avvolgimento dal nucleo, dal serbatoio, dagli altri avvolgimenti e dai componenti collegati a terra.

Con l’invecchiamento dell’isolamento, la sua resistenza elettrica e meccanica può diminuire. L'umidità peggiora le cose, in particolare nei trasformatori-immersi nell'olio. Anche l'olio isolante contaminato o degradato può ridurre le prestazioni dielettriche complessive.

La deformazione dell'avvolgimento è un'altra potenziale causa. Se l'avvolgimento si muove dopo un cortocircuito, le distanze di isolamento potrebbero ridursi rispetto a quanto previsto. Ciò crea ulteriore stress elettrico e aumenta la possibilità di rottura dell'isolamento.

A seconda delle condizioni, le riparazioni possono comportare il trattamento dell'olio del trasformatore, l'essiccazione sotto vuoto, la sostituzione dei componenti isolanti, la riparazione dell'avvolgimento o il riavvolgimento completo della sezione danneggiata.

Un avvolgimento del trasformatore gravemente danneggiato dovrebbe normalmente essere gestito da personale qualificato di riparazione del trasformatore anziché tramite una rapida riparazione sul campo.

Instabilità radiale degli avvolgimenti del trasformatore

L'instabilità radiale descrive il movimento indesiderato di un avvolgimento verso il centro o lontano dal centro del trasformatore.

Ciò è strettamente correlato alle forze di corto-circuito. Quando una grande corrente di guasto scorre attraverso gli avvolgimenti, sui conduttori agiscono forti forze elettromagnetiche. Se la struttura meccanica non è sufficientemente resistente, l'avvolgimento può deformarsi o deformarsi.

Ad esempio, un avvolgimento interno può essere spinto verso l'interno, mentre un avvolgimento esterno può essere forzato verso l'esterno. Una volta che l'avvolgimento perde la sua forma originaria, anche la sua resistenza meccanica può ridursi.

Un secondo guasto potrebbe quindi causare danni ancora più gravi.

La riparazione della deformazione radiale dipende dalla sua gravità. Movimenti minori potrebbero richiedere test e ispezioni dettagliate. Deformazioni più gravi possono richiedere lo smontaggio interno, il ripristino meccanico o la riparazione degli avvolgimenti. Se i conduttori sono gravemente danneggiati, potrebbe essere necessario riavvolgerli.

Dal punto di vista della progettazione, sono essenziali il supporto adeguato del conduttore, i distanziatori, le strutture di bloccaggio e i calcoli sui cortocircuiti-.

Instabilità assiale degli avvolgimenti del trasformatore

L'instabilità assiale è un altro problema meccanico comune.

Invece di muoversi verso l'interno o verso l'esterno, l'avvolgimento si muove lungo il proprio asse verticale.Durante un cortocircuito, le forze elettromagnetiche possono spingere le sezioni dell'avvolgimento verso l'alto o verso il basso. In alcuni casi, le sezioni di avvolgimento possono essere compresse, allungate, inclinate o spostate.

Un supporto meccanico debole, un bloccaggio insufficiente o una perdita di pressione di bloccaggio nel tempo possono aumentare il rischio.

Il movimento assiale non è solo una questione meccanica. Una volta spostate le sezioni dell'avvolgimento, anche le barriere isolanti e gli spazi liberi possono cambiare. Ciò può eventualmente contribuire aguasto dell'isolamento dell'avvolgimento.

Durante un'ispezione, i tecnici possono controllare l'altezza dell'avvolgimento, i blocchi terminali, i distanziatori, la pressione di serraggio e la posizione dell'avvolgimento rispetto ad altri componenti interni.

L’obiettivo non è semplicemente stringere tutto il più possibile. Una pressione eccessiva può danneggiare anche l'isolamento. La struttura meccanica necessita di essere ripristinata secondo i requisiti progettuali originali del trasformatore.

Surriscaldamento degli avvolgimenti: un problema da non ignorare

Non tutti i problemi di avvolgimento iniziano con un drammatico cortocircuito.

Il surriscaldamento è un'altra causa comune di deterioramento degli avvolgimenti. I trasformatori che funzionano con carichi pesanti producono naturalmente più calore, ma una temperatura eccessiva può anche derivare da uno scarso raffreddamento, radiatori bloccati, guasti alla ventola o alla pompa, temperature ambiente elevate o correnti armoniche.

Il surriscaldamento a lungo termine- accelera l'invecchiamento dell'isolamento. Nei trasformatori riempiti di olio-può anche accelerare il deterioramento dell'olio e produrre gas che possono essere rilevati tramite l'analisi dei gas disciolti (DGA).

Quando un trasformatore diventa più caldo del previsto, controllare il carico, il sistema di raffreddamento, le condizioni dell'olio, la ventilazione e le misurazioni della temperatura. Ridurre il carico può aiutare a breve termine, ma non è una soluzione permanente se il problema di raffreddamento di fondo persiste.

Come diagnosticare i problemi di avvolgimento del trasformatore

Una buona manutenzione consiste nel trovare tempestivamente i problemi, non nell'aspettare che un trasformatore si guasti.

Test di resistenza degli avvolgimentipuò rivelare differenze tra le fasi e identificare conduttori danneggiati, collegamenti allentati o altre anomalie negli avvolgimenti.

Test del rapporto spire del trasformatorecontrolla se il rapporto giri effettivo corrisponde al valore previsto. Cambiamenti imprevisti possono indicare danni all'avvolgimento o problemi al commutatore.

Analisi della risposta in frequenza (FRA)è particolarmente utile dopo che un trasformatore ha subito un cortocircuito. Le modifiche nella firma FRA possono indicare movimento o deformazione dell'avvolgimento e del nucleo.

Prove di resistenza di isolamento e fattore di potenzapuò fornire ulteriori informazioni sulle condizioni di isolamento. Per i trasformatori- immersi in olio, DGA può anche aiutare a identificare surriscaldamento, archi elettrici e altri problemi interni.

Nessun singolo test racconta l’intera storia. In pratica, gli ingegneri solitamente confrontano i risultati attuali con i dati dei test di fabbrica, i registri di manutenzione precedenti e altri risultati diagnostici.

Consigli pratici per la manutenzione del trasformatore

Alcune semplici abitudini di manutenzione possono prevenire molti problemi di avvolgimento.

Innanzitutto, tieni sotto controllo la temperatura del trasformatore. Evitare sovraccarichi inutili e assicurarsi che ventilatori, pompe, radiatori e sistemi di ventilazione funzionino correttamente.

In secondo luogo, prestare attenzione all'isolamento. Per i trasformatori-a bagno d'olio, la buona qualità dell'olio e il controllo dell'umidità sono particolarmente importanti. Test regolari dell'olio possono rivelare il deterioramento prima che diventi un grosso problema.

Anche la protezione-da cortocircuito è importante. Una protezione adeguatamente coordinata dovrebbe eliminare rapidamente i guasti esterni. Quanto più a lungo un trasformatore è esposto ad un'elevata corrente di guasto, tanto maggiore è la sollecitazione meccanica sui suoi avvolgimenti.

E dopo un guasto grave, non saltate l'ispezione solo perché il trasformatore è ancora in funzione. Un avvolgimento può danneggiarsi meccanicamente senza manifestare un sintomo esterno evidente.

Non vanno trascurati nemmeno il trasporto e l’installazione. Forti impatti durante il trasporto possono spostare i componenti interni, mentre un'installazione non corretta può introdurre ulteriore stress meccanico.

Quando è necessario riparare o sostituire l'avvolgimento del trasformatore?

Non esiste una risposta-taglia-adatta-a tutti. La decisione sulla riparazione dipende dal tipo e dall'entità del danno.

La chiave è capire innanzitutto perché l'avvolgimento si è guastato. Sostituire un avvolgimento danneggiato senza correggere il problema originale significa creare problemi.

Ad esempio, se un sovraccarico ripetuto causa un surriscaldamento, un nuovo avvolgimento finirà per affrontare le stesse condizioni.

Considerazioni finali

I guasti agli avvolgimenti del trasformatore possono variare da un isolamento minoredeterioramento fino a grave deformazione meccanica che richieda una sostituzione completa dell'avvolgimento. Le principali modalità di guasto includono il guasto dell'isolamento della spira, la rottura dell'isolamento principale, l'instabilità radiale e l'instabilità assiale.

I guasti da cortocircuito-meritano particolare attenzione perché possono produrre enormi forze meccaniche all'interno del trasformatore. Anche se il trasformatore continua a funzionare, potrebbe essere ancora presente una deformazione nascosta dell'avvolgimento.

Ecco perché sono così importanti test regolari, raffreddamento adeguato, gestione dell'isolamento, protezione dai cortocircuiti-e ispezioni tempestive.

Nel mondo reale, un po’ di manutenzione preventiva può fare molto. Monitorando ilavvolgimento del trasformatore, controllando risultati di test insoliti e ispezionando le apparecchiature dopo guasti gravi, gli operatori possono spesso accorgerseneproblemi del trasformatoreprima che diventino costosi fallimenti.

Per i proprietari di trasformatori, gli appaltatori EPC e i team di manutenzione, l'approccio di base è semplice: monitorare, testare, indagare e riparare la causa principale. Di solito è molto più economico-e molto meno stressante-che affrontare un trasformatore guasto a posteriori.

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