Mixture of insoluble degradation products which are formed in an insulating liquid as a result of ageing
IEV ref 212-18-17 [fonte]
somma dello sludge derivante dal degrado dell’olio (liquido isolante) e delle carte (isolanti solidi)
paper – carte (dall’Electropedia IEC)
cellulosic paper of certain types, frequently characterized by their relatively high rigidity
Note – In general the term paper is used for cellulosic papers if not otherwise specified. [fonte]
Kraft paper – carta kraft (da Wikipedia)
Electrical insulation paper (da Wikipedia)
(paper) board – cartoni, cartogeni (dall’Electropedia IEC)
generic term applied to certain types of cellulosic paper frequently characterized by their relatively high rigidity
Note – For some purposes, materials of grammage (mass in grammes per square meter surface area) less than 225 g/m2 are considered to be paper, and materials of grammage of 225 g/m2 or above are considered to be board. [fonte]
an undesired departure in the operational performance of any device, equipment or system from its intended performance
Note – The term “degradation” can apply to temporary or permanent failure. IEV ref. 161-01-19 [fonte]
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]
Reclaiming (dal Glossario IEC)
elimination of soluble and insoluble contaminants from an insulating liquid or gas by chemical adsorption means, in addition to mechanical means, in order to restore properties as close as possible to the original values or to the levels proposed in this standard
Published in: IEC 60480, ed. 2.0 (2004-10) – Reference number: 3.3.5 – Source: IEV 212-09-05 (modified) [fonte]
Reconditioning (dal Glossario IEC)
process that eliminates or reduces gases, water and solid particles and contaminants by physical processing only
Published in: IEC 60422, ed. 4.0 (2013-01) – Reference number: 3.5 [fonte]
Depolarization (dal Glossario IEC)
process of removing electrical polarization from an electrical insulating material until the depolarization current is negligible
NOTE Depolarization is generally recommended before measuring the resistive properties of an electrical insulating material.
Published in: IEC 62631-1, ed. 1.0 (2011-04) – Reference number: 3.12 [fonte]
Processo di rimozione di sedimenti e depositi insolubili dal trasformatore
Nei trasformatori elettrici, l’isolamento è garantito principalmente dall’impiego congiunto di materiale solido (carta kraft) e liquidi isolanti (soprattutto oli minerali) in intimo contatto fra di loro.
In servizio l’olio minerale degrada a causa delle condizioni di utilizzo. In molte applicazioni, l’olio isolante è a contatto con l’aria e per questo è soggetto ad ossidazione. Le temperature elevate accelerano il degrado. La presenza di metalli, di composti organo-metallici o entrambi, possono agire come catalizzatori di ossidazione. Possono verificarsi cambiamenti di colore dell’olio, la formazione di composti acidi e, ad uno stadio avanzato di ossidazione, la precipitazione di sludge. Le proprietà dielettriche e, in casi estremi, le proprietà termiche, possono essere compromesse.
Traduzione Sea Marconi del cap. 4 (Properties and deterioration/degradation of oil) della IEC 60422 Ed. 4-2013.
Analogamente all’olio, anche la carta è soggetta a degrado; i suoi prodotti di degrado sono composti solidi, liquidi e volatili (gas), alcuni solubili in olio (furani, metanolo, etanolo), altri insolubili in olio (particelle, sludge). Lo sludge derivante dall’olio e quello derivante dalla carta si sommano formando lo sludge totale.
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La criticità “Depositi insolubili (sludge)” è causata principalmente da meccanismi di normale invecchiamento e stress termico sia dell’olio sia delle carte. Tra le concause vi sono anche problemi di cross contamination dovuti all’impiego di pratiche improprie di gestione dei liquidi solanti e del trasformatore. Le pratiche improprie di cui sopra hanno impatto sulle diverse fasi del ciclo di vita delle apparecchiature elettriche con liquidi isolanti.
Cause della criticità “Depositi insolubili (sludge)” | Quando può verificarsi (fasi del ciclo di vita)
Carenza dei requisiti di acquisto del liquido isolante nuovo (verificare la stabilità all’ossidazione secondo la IEC 60296) | Requisiti ed acquisto
Carenza nel controllo qualità per i singoli lotti o singole forniture di olio e carta | Accettazione olio e carta
Carenza nelle procedure analitiche per la verifica del degrado chimico dell’olio e degrado delle carte | Accettazione olio, factory test, installazione e pre-energizzazione, esercizio, vecchiaia, post mortem
Cross contamination per l’impiego di olio, impianti, cisterne o contenitori contaminati da composti ossidati, polari e/o incompatibili (per rabbocchi, impregnazioni, riempimenti o trattamenti) | Costruzione trasformatore, factory test, installazione e pre-energizzazione, esercizio, vecchiaia
Riciclaggio di olio e altri materiali contaminati da prodotti di ossidazione o composti polari | Post mortem
I segni visuali diretti di questa criticità si evidenziano soltanto mediante ispezione interna
del trasformatore. In caso di guasto (o fine vita) di macchine gemelle ad esempio, è buona pratica realizzare una diagnostica dello sludge totale (attraverso il campionamento, analisi ed interpretazione) allo scopo di conclamare la criticità e classificare dei riferimenti comparativi. In presenza di “depositi insolubili (sludge)” si evidenziano:
– depositi insolubili
(esempio sludge o solfuro di rame) sulle carte isolanti e sul fondo della cassa
– ostruzioni dei condotti di circolazione dell’olio
utilizzati per il raffreddamento degli avvolgimenti e delle carte.
Durante l’ispezione esterna del trasformatore risulta necessario prelevare dei campioni rappresentativi di olio isolante in conformità alla norma di riferimento ed alle istruzioni operative allegate ai kit di campionamento ( approfondisci ).
L’olio isolante, per effetto dell’intimo contatto con le carte, diventa vettore degli indicatori sintomatici della criticità. Attraverso l’analisi dell’olio è possibile quindi identificare e quantificare lo sludge totale.
Il sintomo specifico della criticità “Depositi insolubili (sludge)” è correlato alla presenza nell’olio
dei seguenti indicatori diagnostici con valori tipici non conformi:
Indicatori dello sludge derivante dal degrado dell’olio
Sedimenti
e sludge (Annex C of IEC 60422 Ed. 4-2013)
Acqua nell’olio (IEC 60814)
Acidità TAN (IEC 62021-1)
Fattore di dissipazione (IEC 60247)
Tensione interfacciale (ASTM D971, EN 14210)
Particelle (IEC 60970)
Indicatori dello sludge derivante dal degrado della carta
Ossigeno
CO2 – anidride carbonica
CO – ossido di carbonio
2FAL – 2fulfuraldeide e altri composti furanici
Metanolo
Etanolo
Gas sintomatici di punti caldi (Metano, etano, etilene)
ci sono poi dei co-fattori utili per completare il quadro diagnostico (derivanti dall’analisi dell’olio):
Additivi: Passivatori (BTA, Irgamet 39, Irgamet 30); inibitori di ossidazione (DBPC, DBP)
DBDS (IEC 62697-1)
Metalli disciolti (ASTM D 7151)
Stabilità all’ossidazione (IEC 61125)
Fingerprint dell’olio
Negli esteri naturali gli additivi possono arrivare fino al 5% in massa (0,3% negli oli minerali), di conseguenza i loro sottoprodotti di degrado sono indicatori determinanti.
I rapporti di prova Sea Marconi sono conformi (EN ISO/IEC 17025) sull’indicazione dell’incertezza di misura (tranne per l’aspetto che non è una prova numerica, e per il codice ISO delle particelle).
Con l’analisi dell’olio
è possibile stimare la quantità di sludge totale nel trasformatore
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Per la diagnosi della criticità “Depositi insolubili (sludge)”, Sea Marconi impiega la propria metrica diagnostica, nella fattispecie:
I limiti della proprietà “sedimenti e sludge” indicati nella IEC 60422, cioè 0,02%, sono da intendersi come “raccomandati”
Cambiando il fluido isolante cambiano le valutazioni diagnostiche sui processi di degrado. Negli esteri naturali ad esempio gli additivi possono arrivare fino al 5% in massa (0,3% negli oli minerali), di conseguenza i loro sottoprodotti di degrado sono indicatori determinanti
Trasformatore cat A (vd. tab. 2 IEC 60422), di generazione tipo elevatore GSU (respirante con conservatore e silica gel)
Anno costruzione: 1978
Tensione: 400 kV, Potenza: 250 MVA
Massa totale trasformatore: 220.000 Kg
50.000 Kg di olio minerale a base paraffinica non inibito
acidità totale di 0,25 mgKOH/golio (valore “poor” rispetto a tab. 5 IEC 60422),
fattore dissipazione dielettrica = 0,27 (valore “poor” rispetto a tab. 5 IEC 60422)
tensione interfacciale = 20 mN/m (valore “poor” rispetto a tab. 5 IEC 60422)
rame disciolto = 0,97 mg/Kg (valore “poor” rispetto a tab. 5 IEC 60422)
colore= 6 dark (valore “poor” rispetto a tab. 5 IEC 60422)
agli indicatori del degrado dell’olio sopra elencati, si aggiungono quelli che identificano il degrado delle carte
CO2 => 16.500 µl/l (superiore al valore tipico, indice “high ageing rate” 98° percentile)
2FAL= > 6,5 mg/Kg (superiore al valore tipico, indice “high ageing rate” 98° percentile)
metanolo = 1.200 µg/Kg (superiore al valore tipico della famiglia di trasformatore)
etanolo = 300 µg/Kg (superiore al valore tipico della famiglia di trasformatore)
Il DP di questo trasformatore si è ridotto in 35 anni da 1000 a 200, inteso come valore medio, che corrisponde convenzionalmente alla fine della vita termica. Parallelamente si stima una perdita di massa della carta del 25%, il suo peso è infatti passato da 2.500 Kg iniziali a 1.875 Kg.
Le carte isolanti sono impregnate con olio paraffinico non inibito. Al termine del ciclo di impregnazione (tipicamente sotto vuoto, 60-80 °C, e almeno 72 ore) la carta kraft arriva ad impregnarsi di olio fino al 150-180% della sua massa iniziale, con un range di peso compreso fra 2.812 Kg e 3.375 Kg (rispetto a 1.875 kg a secco).
L’olio di impregnazione non può essere drenato totalmente, tipicamente il 10-15% rimane all’interno del trasformatore assorbito dalle carte e negli interstizi e punti morti della macchina. Ciò significa che in caso di cambio dell’olio, l’olio nuovo di riempimento verrebbe contaminato da quello vecchio non drenato.
625 Kg (perdita peso carta) – 103,125 Kg – parte volatile stimata equivalente a quella dell’acqua = circa 418 Kg, che è lo sludge derivante dalla carta.
Attraverso la prova dei “sedimenti e sludge” sull’olio è possibile misurare una quantità di sludge pari al 0,2% in massa (dell’olio), che su 50.000 Kg di olio, significa avere circa 100 Kg di sludge derivante dal degrado dell’olio stesso.
Lo sludge totale è dato dunque dalla somma dello sludge derivante dalla carta (418 Kg) e quello derivante dall’olio (100 Kg), cioè circa 518 Kg, che si depositano in modo non omogeneo sul fondo della cassa, sulle parti isolanti solide e sui condotti di circolazione dell’olio. Si è sperimentalmente dimostrato che i depositi di sludge riducono la capacità di raffreddamento degli avvolgimenti, incrementando la temperatura locale fino a 6-8 °C e conseguentemente raddoppiando la velocità di degrado delle carte secondo la nota legge di Arrhenius. Questa criticità ha un rilevante impatto sulla riduzione della vita termica residua del trasformatore e richiede azioni tempestive ed efficaci di prevenzione e mitigazione del rischio.
Per analogia è quanto accade alle persone: l’accumulo di grasso in alcune parti nel sistema circolatorio determina un peggioramento della qualità della vita del soggetto ed una riduzione della vita attesa.
I “Depositi insolubili (sludge)” sono il risultato di un fenomeno estremamente complesso e prolungato che si sviluppa durante il ciclo di vita dell’olio e del trasformatore. I depositi e lo sludge derivanti dall’olio e dalle carte non possono essere rimossi con le normali procedure di trattamento dell’olio (trattamento fisico, rigenerazione, ecc.) indicate nella tabella 5 della IEC 60422.
È come il deposito di grasso delle vene che non può essere estratto con una semplice dialisi.
La formazione dei depositi (sludge) tuttavia si può prevenire o mitigare attraverso opportune pratiche operative, (es.: il controllo analitico dell’olio, il trattamento dell’olio e delle carte, la gestione del profilo di carico, il raffreddamento della macchina).
Nel caso il trasformatore appartenga ad una famiglia di apparecchiature affette dalla stessa criticità, si possono definire delle pratiche manutentive ad hoc ottimizzando i vari fattori critici (metaforicamente è come suggerire una dieta personalizzata e maggiore attività fisica ad un soggetto diabetico).
Tra i trattamenti suggeriti vi sono:
Si tratta di un processo 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 degradato viene aspirato dalla parte bassa del trasformatore, finisce poi nella DMU che lo scalda, lo filtra, lo degasa, lo deumidifica e lo depolarizza per poi reimmetterlo nella parte alta del trasformatore. Si crea così un circuito chiuso e passaggio dopo passaggio i composti di degrado vengono rimossi ed allo stesso tempo l’olio ritorna in condizioni ottimali. (approfondimento)
Ad esempio la IEC 60422 considera il parametro acidità critico se > 0,15, > 0,20, > 0,30 mgKOH/goil a seconda delle diverse categorie di trasformatori. Tuttavia, già ad acidità comprese fra 0,07 e 0,10 mgKOH/goil si sono evidenziati fenomeni di corrosione da metalli disciolti (C4) e pericolose formazioni di sludge. Sarebbe quindi opportuno intervenire con un trattamento di depolarizzazione prima che l’olio raggiunga le soglie di acidità indicate e che contribuisca alla riduzione della vita termica delle carte isolanti.
Si tratta di un processo 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 degradato viene aspirato dalla parte bassa del trasformatore, finisce poi nella DMU che lo scalda, lo filtra, lo degasa, lo deumidifica per poi reimmetterlo nella parte alta del trasformatore. Si crea così un circuito chiuso che passaggio dopo passaggio è in grado di ripristinare i valori dei principali parametri fisici dell’olio (acqua, gas, particelle). (approfondimento)
Questa contromisura è decritta nella IEC 60422 par. 11.3.2. Si tratta di un processo chimico-fisico che elimina o riduce i contaminanti polari solubili e insolubili dall’olio. Il processo prevede tre fasi: 1) L’olio viene estratto dalla parte inferiore del trasformatore viene riscaldato e fatto circolare attraverso un filtro per eliminare le particelle. 2) l’olio viene quindi fatto circolare attraverso una o più cartucce contenenti terre follari o altro materiale idoneo all’eliminazione dei contaminanti polari solubili.3) L’olio viene infine fatto circolare attraverso un impianto di trattamento olio (disidratazione sotto vuoto o centrifuga) per eliminare l’acqua ed i gas.
Questo trattamento non è efficace per alcune specie di composti organici che, per essere rimossi, richiedono delle specifiche reazioni chimiche (es.: idrogenazione). Inoltre, quando il trattamento prevede le riattivazione delle terre follari, può manifestarsi la criticità “Zolfo corrosivo da sottoprodotti di combustione zolfo (C3)”
Nonostante il cambio dell’olio, il 10-15% della vecchia carica d’olio contaminato rimane impregnato, cioè 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 i prodotti di ossidazione o composti polari con un solo cambio d’olio. (approfondisci)
L’olio di impregnazione non può essere drenato totalmente (tipicamente il 10-15% rimane all’interno del trasformatore assorbito dalle carte, circa il 6-7%, e negli interstizi e punti morti della macchina), di conseguenza, in caso di cambio dell’olio, l’olio nuovo di riempimento viene contaminato da quello vecchio non drenato
Valutare eventuali criticità legate alla compatibilità/miscibilità, conseguenti all’impiego di liquidi diversi da quello di impregnazione originale
In caso di guasto ad un trasformatore gemello, si raccomanda un’ispezione interna del trasformatore in analisi. Infatti dal prelievo di campioni di carta, dalla successiva analisi di laboratorio e dall’interpretazione dei risultati, è possibile individuare le cause del guasto e prevenire lo stesso evento sulle macchine della stessa famiglia. Proprio su queste ultime si consiglia inoltre di eseguire un’investigazione approfondita che includa anche test di natura elettrica e termica al fine di individuare eventuali difetti di progettazione o costruzione del trasformatore.
Quali sono le azioni di prevenzione su apparecchiature elettriche con liquidi isolanti diversi da quelli minerali?
Per quanto riguarda gli oli esteri naturali e gli esteri sintetici le azioni di prevenzione sono le stesse, tuttavia si consiglia di scegliere le contromisure dopo attente valutazioni in termini di costo-beneficio, costo-efficacia e di impatto ambientale (biodegradabilità e sicurezza antincendio). Per gli oli siliconici in esercizio i trattamenti raccomandati dalla norma (IEC 60944:1988) sono “trattamento sotto vuoto e filtrazione” e “setacci molecolari e filtrazione”.
Per la definizione delle priorità di azione e della scelta delle contromisure, innanzitutto è necessario prendere in considerazione i seguenti indicatori:
– tipo, dimensione e massa totale dell’apparecchiatura elettrica;
– installazione dell’apparecchiatura elettrica;
– il valore finanziario dell’apparecchiatura elettrica ed i costi di decontaminazione/smaltimento;
– tipo e quantità di liquido isolante
– concentrazione di PCB nell’apparecchiatura elettrica,
– stato di degrado ed effetti sulla funzionalità dell’apparecchiatura elettrica;
– possibile coincidenza fra l’attività di decontaminazione ed altre attività manutentive;
– impatto sull’ambiente associato a possibili guasti dell’apparecchiatura elettrica e conseguenti perdite di olio contaminato.
Di seguito le contromisure alla criticità “Depositi insolubili (sludge)”, risultato delle raccomandazioni della IEC 60422 (tab. 5 pag. 31) migliorate secondo lo Stato dell’arte e l’impiego di BAT e BEP:
[ALT img: Depositi insolubili (sludge) | DMU moduli 3]
Questa è la soluzione proposta ed impiegata da Sea Marconi. Si tratta di un processo 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 ad alta sicurezza; l’olio degradato viene aspirato dalla parte bassa del trasformatore, finisce poi nella DMU che lo scalda, lo filtra, lo degasa, lo deumidifica e lo depolarizza per poi reimmetterlo nella parte alta del trasformatore. Si crea così un circuito chiuso, e passaggio dopo passaggio, in combinazione con uno specifico settaggio della temperatura dell’olio nel trasformatore (> di 76°C punto di anilina) è possibile realizzare una continua solubilizzazione dello sludge nell’olio e la progressiva rimozione dello sludge.
Si consiglia di realizzare questa attività con trasformatore in servizio a pieno carico adottando specifici protocolli operativi. (approfondimento)
Valutare le terapie in termini di bilancio massa, bilancio energia, bilancio emissioni, costo-beneficio, costo-efficacia nel tempo dato.
Quali sono le terapie su apparecchiature elettriche con liquidi isolanti diversi da quelli minerali?
Per quanto riguarda gli oli esteri naturali e gli esteri sintetici le terapie sono le stesse, tuttavia si consiglia di scegliere le contromisure dopo attente valutazioni in termini di costo-beneficio, costo-efficacia e di impatto ambientale (biodegradabilità e sicurezza antincendio).
Per gli oli siliconici in esercizio i trattamenti raccomandati dalla norma (IEC 60944:1988) sono “trattamento sotto vuoto e filtrazione” e “setacci molecolari e filtrazione”.