Inuovi scenari che si stanno delineando con il Libero

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1 La diagnostica manutentiva on-line del macchinario elettrico come investimento strategico TEST, MEASUREMENTS & DIAGNOSTICA M. Masserdotti, G. Zafferani, AMPERE, Milano Inuovi scenari che si stanno delineando con il Libero Mercato dell Energia Elettrica, se da un lato offrono al management aziendale opportunità di crescita per la propria azienda anche attraverso un impiego al massimo delle potenzialità del proprio macchinario elettrico, dall altro lo pone di fronte alla necessità di esercirlo in modo affidabile ed economicamente vantaggioso. I due obiettivi, anche se apparentemente discordanti, si possono raggiungere solo attraverso l ausilio delle nuove tecnologie di manutenzione predittiva on-line, che consentono il monitoraggio e controllo continuo del macchinario. L articolo, partendo dalla descrizione delle più importanti cause di stress legate all esercizio, quali sollecitazioni dielettriche, termiche ed elettrodinamiche, ed i relativi meccanismi di guasto ad esse associate, mette a confronto le metodologie di misura off-line e on-line per i generatori, i motori MT e i trasformatori. Si illustra come, dall impiego di sistemi diagnostici predittivi on-line, basati sulla misura delle scariche parziali statoriche per generatori e motori MT e sulla misura dei gas ed umidità disciolti nell olio per i trasformatori, si possa esercire il macchinario elettrico in modo sicuro sia come affidabilità sia come estensione della vita dello stesso. Si riportano alcune considerazioni relative all analisi economica, in termini di maggiori profitti derivanti dagli investimenti per l attuazione di programmi di manutenzione preventiva-predittiva on-line. estensione della vita utile dei componenti minimizzazione dei rischi minimizzazione dei costi manutentivi aumento della produttività dell impianto riduzione dell indisponibilità del macchinario. Le aziende, in considerazione degli scenari ad elevata competitività in cui si trovano ad operare, desiderano e richiedono dati certi per conoscere quando e dove effettuare attività correttive e in particolare quando è opportuno non effettuare nessuna operazione manutentiva. In questo panorama ancora in fase di assestamento ed aggiornamento continuo, gli utilizzatori e produttori attuano attività manutentive abbandonando il solo ricorso alla tipologia preventiva per passare a quella predittiva. I primi controlli predittivi iniziano negli anni ottanta e prendono in considerazione gli aspetti meccanici; ben presto diventa necessario fare ricorso alle nuove tecnologie di controllo soprattutto nella parte elettrica: per raggiungere tale obbiettivo si incrementano progressivamente i controlli diagnostici di tipo off-line sul macchinario elettrico di potenza. Tali attività (misure off-line) assumono un notevole peso economico per una molteplicità di fattori operativi quali: costi di smontaggi e rimontaggi necessari per eseguire le misure di controllo Considerazioni generali diagnostica elettrica off-line e on-line La tipologia di una manutenzione ciclica o su condizione ha costituito soprattutto nel passato l unico riferimento per il manutentore. Nel tempo i valori limite, sostanzialmente ore di marcia di disponibilità del macchinario, sono stati elevati a seguito di riscontri positivi forniti dalle nuove tecnologie costruttive del macchinario interconnesse con le esigenze del mercato che generalmente richiede: Fig. 1 Schema elettrico di riferimento MANUTENZIONE, Tecnica e Management - NOVEMBRE

2 Fig. 2 Fig. 3 Dida Dida costi derivanti dalla tempistica prolungata dell indisponibilità dell impianto costi eventuali derivanti dalle eventuali riserve di esercizio costi delle risorse necessarie all attuazione dell attività costi derivanti da un ulteriore indisponibilità o estensione fermata impianto qualora le misure rilevassero situazioni da correggere Inoltre l attività off-line non è esente da alcune limitazioni quali: rischi intrinseci derivanti da attività di smontaggio e rimontaggio. ridotta efficacia dell attività diagnostica in quanto eseguita su tempi discreti (2-3 anni o più) e quindi non in grado di evidenziare evoluzioni dinamiche correlate a stress di esercizio puntuali limitazione dell informazione in quanto alcuni test, sebbene validi come dato di misura, non sono riferiti alle reali condizioni operative del macchinario. Oggi, la disponibilità di sistemi on-line per la diagnostica elettrica del macchinario consente l estensione di vita in sicurezza del macchinario stesso, riducendo drasticamente i costi diretti e indiretti di ogni singolo controllo, semplificando le procedure di prova e incrementando la disponibilità del sistema attraverso l analisi del trend in modo coerente tra una prova e le successive. 14 MANUTENZIONE, Tecnica e Management - NOVEMBRE 2003

3 Macchinario rotante: gli stress di esercizio quali fattori di invecchiamento 1 I guasti all avvolgimento statorico dei motori e alternatori, sono i più temuti dagli esercenti in quanto si manifestano improvvisamente con notevoli ripercussioni sul ciclo produttivo in relazione ai tempi lunghi di riparazione. Sebbene tali guasti siano sempre innescati da sollecitazioni di esercizio, la loro evoluzione in qualche caso è aggravata da carenze tecnologiche costruttive. Gli stress che possono determinare guasti dell avvolgimento statorico sono: riduzione dell efficienza del sistema di raffreddamento con conseguente invecchiamento e riduzione della vita utile dell isolamento inquinamento da infiltrazione lubrificante dai cuscinetti con conseguente ostruzione dei canali di raffreddamento statorici sollecitazioni elettrodinamiche di avviamento o in normale esercizio (bar-force) sovratensioni di manovra legate a cattivo funzionamento degli interruttori Tecnologia degli avvolgimenti statorici (cenni) L integrità dell isolamento statorico e del rivestimento semiconduttore è uno degli elementi fondamentali per una lunga vita del sistema isolante. Il suo danneggiamento causa l innesco di attività di scariche parziali che, in funzione della tecnologia impiegata, possono determinare a medio o lungo tempo anche quello del muro isolante. Per le macchine ad impregnazione globale, di recente realizzazione, la principale problematica si identifica nel «thermal-cycling», cioè il distacco della resina dalla superficie del nucleo, fenomeno che nel tempo causa l erosione del muro isolante per effetto della vibrazione delle barre in cava. Meccanismi di guasto (cenni) Tutte le sollecitazioni si combinano per dare origine a molti processi di deterioramento diversificati, dal momento che raramente uno di questi fattori si verifica in assenza di altri. Via via che il livello di sollecitazione aumenta, aumentano anche il ritmo e la velocità di invecchiamento. Per esempio, con alcuni sistemi di isolamento, un aumento della temperatura di 10 C riduce la vita di circa il 50%; aumento della tensione pari all 1% riduce la vita di circa il 10%, mentre l abrasione aumenta in misura esponenziale con l ampiezza delle vibrazioni. TEST, MEASUREMENTS & DIAGNOSTICA perdere la loro resistenza meccanica e gli strati di isolamento si staccano l uno dall altro. Via via che gli strati di nastro subiscono una delaminazione, i conduttori possono allentarsi abbastanza da vibrare; si generano scariche parziali (PD) nei vacuoli e, insieme con eventuali abrasioni meccaniche, possono portare a guasti. La distruzione dell isolamento per surriscaldamento è un processo lento ed irreversibile. Applicazione di carichi ciclici (Turbine Generator and Pomp Storage) A causa dei differenti coefficienti lineari di espansione termica dei materiali, uno degli effetti negativi di frequenti variazioni del carico applicato a una macchina è costituito da sollecitazioni usuranti dell isolamento. Mentre il rame, con l aumento di temperatura dovuto a perdite I2R, si espande in modo lineare, l isolamento non si può espandere per il coefficiente di espansione termica inferiore ed, inoltre, è esposto a una temperatura inferiore. Tali sollecitazioni causano spesso un indebolimento della coesione tra rame e isolamento, con fenomeni di fessurazione in uscita cava (girth cracking). Sono esposti a questo tipo di deterioramento dell isolamento i generatori eserciti con frequenti fermate o che funzionano alternativamente come pompe. Avvolgimenti allentati Durante il processo di installazione dell avvolgimento di statore, le bobine vengono «impaccate» lateralmente per sopportare sollecitazioni meccaniche elevate (100/120 Hz).Vengono installati cunei per contrastare le forze radiali. Poiché alcune resine dell isolamento «si ritirano» con la polimerizzazione, alcune spire possono diventare più piccole e pertanto muoversi nella cava durante i primi due anni di esercizio, dando origine alla formazione di scariche parziali verso il nucleo, danneggiando il semiconduttore. Scariche elettriche in cava Se il rivestimento semiconduttivo sulla superficie della spira si deteriora, si generano scariche elettriche in cava (PD) e produzione di ozono. Le scariche e l ozono accelerano la decomposizione dei leganti in resina epossidica Deterioramento termico Quando un isolamento viene sottoposto per lunghi periodi a surriscaldamento, le resine organiche tendono a Fig. 4 Esempi applicativi MANUTENZIONE, Tecnica e Management - NOVEMBRE

4 Fig. 5 View Test File o al poliestere. A causa di questa decomposizione della resina, le spire possono ridursi di dimensione e non essere più fissate solidamente. In caso di allentamento, le superfici semiconduttive sono le prime a essere danneggiate, creando aree caratterizzate da elevate sollecitazioni elettriche. Impregnazione non appropriata Durante il processo di impregnazione può accadere che si creino piccole sacche vuote (vacuoli) nel muro isolante, a causa della pressione o del vuoto non appropriati, di una resina troppo viscosa, di temperature troppo alte o troppo basse o di corpi estranei presenti nei nastri. In presenza di sollecitazioni elettriche, all interno di questi vacuoli si creano scariche parziali che attaccano la resina organica e possono provocare corto circuiti se i vacuoli sono vicini ai conduttori in rame; il cedimento della spira può sopravvenire nel giro di 2-5 anni. Se i vacuoli sono al centro dello spessore dell isolamento, i loro effetti sono meno distruttivi; poiché in questo caso le scariche sono modeste, il guasto impiega molti anni a manifestarsi. Inquinamento nelle testate degli avvolgimenti Quando un qualsiasi tipo di contaminazione conduttiva, provocata da olio o umidità mescolati con polvere o 16 MANUTENZIONE, Tecnica e Management - NOVEMBRE 2003

5 TEST, MEASUREMENTS & DIAGNOSTICA altre impurità, inquina una macchina, è possibile che si sviluppino scariche elettriche superficiali (electrical tracking) sui blocchi o lungo le terminazioni. Questo fenomeno avviene perché la contaminazione introduce un percorso conduttivo tra due spire adiacenti a potenziale differente e spesso in fasi differenti; di conseguenza si possono generare scariche parziali che attaccano l isolamento alla superficie. L effetto può essere un deterioramento permanente fase-fase o fase-terra e in definitiva un cedimento dell isolamento. Di norma questo è un meccanismo di guasto molto lento, che impiega a manifestarsi più di 5-10 anni. Distanza inadeguata tra le spire Per ridurre le dimensioni delle barre o delle spire, allo scopo di risparmiare rame o di ridurre gli scarti, a volte lo spazio tra le spire nell area della testata è inadeguato. Di conseguenza è molto probabile che si verifichi un attività PD tra due spire adiacenti in fasi differenti, attività che nelle macchine con raffreddamento ad aria lascia un residuo di polvere bianca. Queste scariche erodono lentamente la parete dell isolamento e finiscono per forarla. Quanto più vicine sono le spire, tanto più velocemente si verificherà il guasto. Vibrazione delle testate Per soddisfare le condizioni elettriche richieste su macchine che operano ad alte tensioni, si devono progettare e realizzare macchine con terminazioni di una certa lunghezza. Queste terminazioni sono soggette a notevoli forze magnetiche (100/120 Hz) che possono causare vibrazioni e di conseguenza fessurazioni nei conduttori e surriscaldamento locale. Effetti collaterali delle vibrazioni sono l abrasione nei punti di bloccaggio e l allentamento delle spire nelle cave. Test off-line eseguiti su alternatori e motori a MT 5 Normalmente le prove off-line consistono in: misura dell indice di polarizzazione in corrente continua prova di polarizzazione in alta tensione continua fino ad un massimo di circa 2,4 volte la tensione di esercizio con rilievo della corrente di assorbimento misura di Tgd Il valore assoluto delle misure e soprattutto l analisi del trend costituiscono i parametri che l esercente utilizza per definire eventuali criteri di intervento; l efficacia di questi metodi è tuttavia limitata in relazione sia alle metodologie di prova sia al fatto che queste vengono eseguite con macchina fuori servizio. In questi ultimi anni, le prove off-line sono state affiancate dalle metodologie on-line per il controllo dell avvolgimento statorico. Fig. 6 Gases Generated During Breakdown of Dielectric Oil (Gibeault / Hall / Noirhomme) Scariche parziali ON LINE Un test di confronto e di tendenza Le scariche parziali (PD) sono piccole scintille elettriche che si verificano quando all interno dell isolamento degli avvolgimenti di statore, su motori e generatori, vi sono piccole sacche d aria o vacuoli. A mano a mano che l isolamento si degrada, il numero e l ampiezza delle scariche PD aumentano. Anche se l ampiezza degli impulsi PD non può essere correlata direttamente alla vita rimanente dell avvolgimento, un raddoppio dell ampiezza degli impulsi PD all incirca ogni sei mesi indica che è in corso un rapido deterioramento. Confronto tra misure PD con macchinario in esercizio e fuori servizio Sebbene le misure di scariche parziali (PD) si possano effettuare sia con generatore (o motore) in esercizio sia fuori servizio, i risultati e le modalità di esecuzione delle stesse non sono identici : una notevole limitazione delle misure off-line è rappresentata dalla necessità di un generatore, nel circuito di misura, esente da scariche parziali e di potenza adeguata; inoltre tali misure possono essere inficiate dal rumore esterno. Nella tavola vengono confrontati i due diversi approcci. Misure di localizzazione con sonde a radio frequenza sono utilizzate correntemente con significativi risultati mediante lo scanner di ogni cava. Da tale rilievo è possibile rilevare il profilo della attività di ogni cava e quindi identificare le cave oggetto di maggiore attività attraverso misure con sonda ad ultrasuoni o Corona Scope. Di utilità possono essere anche le misure della resistenza di contatto tra la vernice semiconduttrice e il nucleo eseguite in corrispondenza dei canali di ventilazione. MANUTENZIONE, Tecnica e Management - NOVEMBRE

6 Macchina in servizio L avvolgimento sollecitato meccanicamente con possibilità di valutare l influenza delle variazioni di carico sui risultati L avvolgimento alla temperatura di funzionamento L isolamento lato centro stella sollecitato come in esercizio Le sollecitazioni fase-fase sono normali Il gas di raffreddamento nelle condizioni normali operative Misure eseguibili in ogni momento Diagnostica PD statoriche con sistemi on-line della IRIS (Canada) 6 L analisi continua o periodica dei dati fornisce all utilizzatore un dato immediato riguardo alle reali condizioni dielettriche del macchinario e del relativo trend di degrado, consentendo di intervenire tempestivamente con manutenzioni programmate e mirate all eliminazione dei difetti riscontrati, sapendo dove intervenire. Nello stesso tempo, consente di dilazionare le attività di manutenzione in sicurezza in quanto la misura on-line consente di tenere costantemente sotto controllo l isolamento. Tale tecnologia è stata sviluppata negli anni 70 dall Ontario Hydro (Canada) e resa disponibile dalla IRIS negli anni 80; attualmente la società è leader mondiale con oltre sensori installati. IRIS ha sviluppato i criteri interpretativi delle relazioni tra scariche parziali e meccanismo di guasto e identificazione della tipologia dello stesso per fornire all utilizzatore informazioni in chiaro di come e dove operare a livello manutentivo. Il database della IRIS, contenente tutte le misure effettuate su macchinario di diversa potenza e costruttore, è un ulteriore supporto diagnostico al cliente per la valutazione della propria macchina rapportata al parco macchine esistente. Le anomalie evidenziate con la misura on-line si possono ricondurre alle seguenti: scarsa impregnazione degli avvolgimenti delaminazione dell isolamento a seguito di sovratemperature elevate avvolgimenti allentati in cava danneggiamento semiconduttore contaminazione degli avvolgimenti (inquinamento esterno: olio, polvere,ecc) accoppiamenti fase-fase in testata (distanze inadeguate) arco in aria in uscita cava (accoppiamento fase-terra). Macchina fuori servizio L avvolgimento non sollecitato da vibrazioni meccaniche legate al carico L avvolgimento a temperatura ambiente Si sollecita anche l isolamento lato centro stella che in esercizio non sollecitato dielettricamente Le sollecitazioni fase-fase sono diverse da quelle reali Gas di raffreddamento in condizioni diverse da quelle reali di funzionamento Misure eseguibili solo in fermata con smontaggio connessioni Schema di principio, relativo ad una fase, del sistema di misura delle scariche parziali su macchine rotanti La presenza di due condensatori di accoppiamento (C1 e C2) è funzionale alla tecnologia di misura sviluppata. Essa infatti è basata sulla discriminazione dei segnali provenienti da attività di scariche parziali interni alla macchina dai disturbi provenienti dalla rete. La discriminazione avviene utilizzando il diverso tempo di transito dei disturbi tra il condensatore C1 e C2. La misura è effettuata durante il normale funzionamento della macchina, periodicamente o in modo continuo. Presentazione dei risultati IRIS 7 Il test on-line fornisce grafici, risultati delle misure acquisite anche in diverse condizioni di esercizio, di facile interpretazione riferendosi a dei criteri interpretativi riconosciuti a livello internazionale (IRIS è riconosciuta dalle Società di Assicurazione). Analisi dell altezza e fase degli impulsi di scariche parziali Il primo tipo di grafico è un diagramma di distribuzione a due dimensioni, che riporta il numero di scariche parziali per secondo in funzione dell ampiezza degli impulsi PD. Nel grafico sono riportate sia le attività PD positive (xxx, colore rosso), sia le attività PD negative (ooo, colore verde); il confronto tra attività positiva e negativa indica se l attività PD è all interno dell isolamento oppure in superficie. Un secondo grafico tridimensionale identifica la posizione delle PD, riferite al 50Hz: le posizioni sono riconducibili alla tipologia di guasto. Nella figura è riportato il diagramma bidimensionale di un caso reale (Turbo Generatore in aria da 115MVA/15 kv) con confronto delle misure prima (spezzata a destra) e dopo la ribiettatura (spezzata a sinistra). Nelle tabelle si confrontano sinteticamente gli approcci on-line/off-line in termini economi- 18 MANUTENZIONE, Tecnica e Management - NOVEMBRE 2003

7 TEST, MEASUREMENTS & DIAGNOSTICA ci basati sul rapporto tempo di attività/indisponibilità macchinario. Trasformatori (cenni) I trasformatori elettrici rappresentano un anello fondamentale nella catena di trasmissione e distribuzione dell energia elettrica. La relativa complessità tecnologica del trasformatore e il processo di fabbricazione di modesta automazione lo rendono molto sensibile alle problematiche dielettriche. Infatti l evoluzione finale delle anomalie che coinvolgono gli avvolgimenti dei trasformatori è sempre di natura dielettrica anche se lo stress è termico o meccanico. I guasti più frequenti per i trasformatori sono i seguenti: guasti di natura termica coinvolgenti il circuito magnetico o gli avvolgimenti guasti meccanici per sollecitazioni elettrodinamiche coinvolgenti l avvolgimento ed il sistema di amaraggio guasti di natura dielettrica coinvolgenti gli avvolgimenti, i passanti e il liquido di impregnazione. Le principali metodologie diagnostiche sono: analisi dei gas disciolti nell olio sensibili a problematiche di natura termica e dielettrica misura di induttanza sensibile alle deformazioni plastiche degli avvolgimenti determinate da sollecitazioni elettrodinamiche misura di scariche parziali in impianto sensibili a situazioni locali di elevati gradienti misura umidità dell olio. Con la sola eccezione dei guasti per sollecitazioni elettrodinamiche, tutti gli altri guasti coinvolgono l olio minerale, che viene coinvolto in processi di craking con produzione di idrocarburi (H-CH4-C2H4-C2H6-C2H2) e CO e CO 2,quale risultato degli stress. Sebbene siano attivate ricerche di monitoraggio on-line delle variazioni di induttanza e delle scariche parziali, gli unici sistemi maturi e affidabili già largamente utilizzati nel mondo per una diagnostica on-line sono i sistemi di misura dei gas e dell umidità disciolti nell olio 8. Pur essendo l analisi periodica dei gas disciolti una metodologia di larga diffusione ed effettuabile con trasformatore in servizio, questa risente dei limiti delle attività diagnostiche effettuate per tempi discreti e quindi difficilmente riconducibile agli stress di esercizio del trasformatore. L umidità disciolta nell olio 9-10 La presenza di acqua disciolta nel dielettrico favorisce il degrado termico dei materiali isolanti solidi. L acqua dissociata è estremamente attratta dai solidi igroscopici, quali le cellulose, che formano il dielettrico, degradandone così le proprietà isolanti. Il verificarsi di tali condizioni è spesso la causa imprevista di guasti nei trasformatori. Al Fig. 7 Temperature Cycling-Medal System Wet Insulation momento dell installazione i trasformatori sono trattati in fabbrica e riempiti sotto vuoto con olio essiccato e degassato; in particolare, il contenuto di umidità negli isolanti è molto inferiore all 1%. Le cause della presenza di aria o/e umidità e le relative variazioni nel tempo sono: rabbocchi eseguiti con olio non correttamente trattato interventi di manutenzione non correttamente eseguiti (apertura cassa, cambio aerotermi, ecc.) penetrazioni accidentali per difetti di tenuta, per malfunzionamento di pompe di circolazione dell olio dei refrigeranti, ecc. in assenza di membrana di separazione olio/aria, lo scambio con l olio del cassone e con i sali dell essiccatore esauriti la produzione di acqua come risultato dell invecchiamento dei materiali cellulosici (depolimerizzazione). Questo processo è tanto più rapido quanto più è elevata la temperatura, ed è perciò più presente nei trasformatori funzionanti con carichi elevati. Il diagramma illustra il comportamento dinamico (rilevato con sistema on-line) della variazione dell umidità in funzione della temperatura di esercizio (quindi del carico). Il rischio di scarica si ha in presenza di un eccesso di umidità in occasione del rapido ed elevato (fino a 250 C, secondo le Norme) incremento di temperatura conseguente ad un corto circuito: si possono formare bolle di vapore in zone che sono, per natura, sede di intensi campi elettrici. La presenza di contenuti di umidità elevati (superiori al 5%) determina l innesco di scariche parziali con formazione di H2 come risultato dell azione del bombardamento elettronico dell olio. Le vibrazioni associate alle sollecitazioni elettrodinamiche dovute alle correnti di corto circuito o di inserzione possono provocare la separazione di bolle gassose. La presenza di ossigeno ed umidità infine accelera il processo di invecchiamento dei materiali isolanti (ossidazione dell olio e depolimerizzazione della carta). MANUTENZIONE, Tecnica e Management - NOVEMBRE

8 Sensori di monitoraggio on-line di gas e umidità disciolti nell olio Monitoraggio gas disciolti Le elevate potenzialità diagnostiche dell analisi dei gas disciolti ha indotto molti laboratori e costruttori a sperimentare sin dal 1980 sistemi di analisi da utilizzare on-line su trasformatori in esercizio e fuori esercizio. Il sensore/trasmettitore Hydran H201 T-i (GE-Syprotec Canada) utilizza una pila a combustione come rilevatore di gas ed è sensibile ai seguenti gas: H2 100%, CO 18%, C2H2 8%, C2H4 1.5%. Il modulo incorpora 2 funzioni di allarme, analisi del trend orario o giornaliero con allarmi, data base dei dati statorici con 500 eventi correlati nel tempo. E dotato di porta di comunicazione, è dotato di autodiagnostica. Con tali sistemi sono state attivate reti remote di controllo locale di Centrale e Sottostazioni. Il rapporto costi-benefici per questa semplice tipologia di sistemi è notevolmente interessante in relazione ai seguenti fattori: sorveglianza continua dello stato del trasformatore riduzione del numero di prelievi di olio per gascromatografia. consente la sorveglianza on-line in caso di produzione di gas consente di correlare l anomalia con le condizioni di servizio. Monitoraggio umidità Il sensore di misura DOMINO (Doble USA) permette la sorveglianza continua del contenuto di acqua nei trasformatori sia in esercizio sia fuori esercizio (adatto per oli minerali, siliconici ed esteri naturali e sintetici). Il sistema Domino,di rapida installazione (circa 3 ore) sia su nuovi trasformatori sia in retrofit, è costituito da una unità elettronica a microprocessore in versione IP 65 per il montaggio in campo e corredata da una sonda di tipo retrattile da installare a diretto contatto con l olio. Il sensore di tipo capacitivo, è costituito da un film polimerico tra due elettrodi e substrato in vetro adatto all impiego specifico di misura in olii dielettrici. DOMINO permette la misura in continuo della saturazione relativa (%), della concentrazione del contenuto di acqua (p.pm.) e della tempera- Macchinario tipico Generatore IDRO Turbo generatore raffreddato in aria con P<200MVA Turbo generatore raffreddato in aria con P>200MCVA Turbo generatore raffreddato in idrogeno Motore MT Tipologia di Disponibilità Installazione1 Accoppiatori capacitivi EMC sul Rng BUS Interno (classe F) Accoppiatori capacitivi EMC sul condotto sbarre (classe F) Accoppiatori capacitivi SSC sotto bietta (classe F/H) Accoppiatori capacitivi SSC sotto bietta + Penetrazione idrogeno (classe F/H) Accoppiatori capacitivi EMC in morsettiera (classe F) Tempo di Rapporto di installazione permanente sensori 3-4 giorni 2-3 giorni 3-4 giorni 4 giorni 1 giorno Misura ON-LINE Sempre disponibile Sempre disponibile Sempre disponibile Sempre disponibile Sempre disponibile Controllo in diverse condizioni di carico Intervento tipico di misura 6 mesi (2) 6 mesi 6 mesi 6 mesi Continua Disponibilità elettronica di misur continua Installata Rapporto di misura con suggerimenti manutentivi Allarmi Tracciabilità e tendenza e confronto con il database Tipo di controllo energia OFF-LINE OFF-LINE Preparazione Mancata vendita e richiusura macchinario per prova 3 giorni x 3 manutentori 0 Indisponibilità macchina per prova 3-4 giorni 0 Tempo di misura 2 giorni x 2 tecnici 1 giorno x 1 tecnico Mancata vendita di energia 200 Mil/gg 0 Rischi di richiusura NO Risultati diagnostici Parziali (no testate, no vibrazioni in cava, no attività fase-fase) Completi nelle reali condizioni di esercizio 1 6 sensori per ogni generatore, per generatori Idro si ottengono informazioni sui paralleli 2 La frequenza di controllo può variare a secondo delle problematiche rilevate e della tendenza di degrado 3 I costi indicativi sono riferiti a un generatore da 100MVA 20 MANUTENZIONE, Tecnica e Management - NOVEMBRE 2003

9 TEST, MEASUREMENTS & DIAGNOSTICA tura dell olio nel punto di misura ( C) e inoltre consente: rivelazione tempestiva degli incrementi di umidità monitoraggio delle variazioni di umidità durante i cicli di raffreddamento rivelazione di condizioni anormali per degrado delle cellulose determinazione del punto di saturazione comparabile con sistemi Karl Fisher da laboratorio. Essendo questi sensori ormai largamente impiegati in migliaia di applicazioni, prodotti su larga scala e con tempi di installazione ridotti (< 1 gg), la loro incidenza in termini economici è trascurabile. Inoltre, questi sensori si possono utilizzare ed integrare in sistemi di management on-line completi, già sperimentati nel mercato americano. Management on-line di trasformatori (Sistema TMCS della GE-SYPROTEC) La crescente necessità di disponibilità di energia elettrica nel libero mercato, anche per coprire le punte, pone il management aziendale di fronte alla scelta di aumentare il numero di macchine o esercire al massimo della potenza nominale il macchinario esistente. (esigenza diffusa in Nord America) Considerando che i trasformatori hanno capacità di sovraccarico, è possibile sfruttare al massimo questo potenziale, anche con ritorni economici notevoli, purchè si conoscano e vengano gestiti opportunamente ed in tempo reale i rischi connessi al sovraccarico. I costruttori, in particolare quelli del mercato americano, hanno sviluppato sistemi di monitoraggio e controllo on-line, che consentono di gestire l esercizio in condizioni gravose senza rischi imprevisti, controllando: potenza in uscita temperatura dei punti caldi dell avvolgimento calcolo del degrado dell isolamento e dell invecchiamento Analisi del sovraccarico Sovraccarico di lunga Sovraccarico a spot durata di C di 140 C Durata sovraccarico 2000 h/anno continue 100 h/anno a spot Extra profitto unitario 8$/MWh 80 $/MWh Extra profitto totale 160 k$/anno 240 k$/anno Riduzione vita 3400 h/anno ) 1800 h/anno Trasformatore (5400 h 2000h (1900 h 100 h) Costo perdita vita 13.3 $/h * 3400 h/anno = 13.3 $/h * Trasformatore 45 k$/anno 1800 h/anno = 24 k$/anno Profitto netto totale 115 k$/anno 216 k$/anno dal sovraccarico analisi dell umidità controllo del sistema di raffreddamento. Anche se da una prima considerazione i costi di tali sistemi possano sembrare elevati $ compreso di sensori), l analisi economica, comprendente la valutazione dei benefici che si ottengono, gestendo opportunamente i sovraccarichi di potenza e dilazionando l investimento per la sostituzione del trasformatore, dimostra chiaramente la convenienza di tale approccio. I risultati riportati in tabella sono stati calcolati sulla base delle seguenti considerazioni: trasformatore da 100MVA vita trasformatore di C costo sostituzione trasformatore (incluso progetto e installazione): $ il fattore di riduzione della vita del trasformatore è esponenziale ed è pari a 2.7 a 120 C (IEEE loading guide); 2000 h a 120 C equivalgono a 5400 h a 110 C. Conclusioni La tipologia delle tecniche manutentive, riviste nel nuovo contesto del Mercato Libero dell Energia Elettrica in Italia, sta evolvendo progressivamente dall attività periodica con controlli off-line verso la diagnostica predittiva-preventiva on-line. I benefici economici legati all applicazione di tali sistemi, già consolidati e in pieno sviluppo nei mercati nordamericani, si possono così elencare: riduzione dei costi per indisponibilità del macchinario riduzione dei costi e del numero dei controlli miglior controllo ed estensione della vita del macchinario ottimizzazione e conoscenza delle modalità di esercizio del macchinario riduzione dei costi dei premi assicurativi. liminazione dei rischi e dei costi delle attività di smontaggio e rimontaggio Bibliografia 1. «Dielectric diagnostic of Electrical equipments for ac applications State of the art report» CIGRE WG 33/ PD Seminar: «Failure Mechanisms & PD Theory» IRIS Power Engeneering Canada 3. G. Griffith, S Tucker, J. Milson & G. Stone «Problems with Modern Air-Cooled generators stator windings failure processes» 4. IEC Standard «Thermal Evaluation and Classification of Electrical Insulation» 5. AA.VV. «Metodologia delle misure su grandi macchine elettriche Acquisizione ed elaborazione dei dati Localizzazione dei difetti» AEI R. Viteri, L. Ferres: «Experience with On-Line partial MANUTENZIONE, Tecnica e Management - NOVEMBRE

10 Safety is our Concern. la sicurezza nel travaso. Perchè non pensarci? discharge monitoring of Hydrogenerator» IRIS Rotating Machine Conference, Texas, March V. Warren «Further Statistical Analysis of the IRIS Partial Discharge Database IRIS Rotating Machine Conference, Arizona, June P.Gervais & J.Aubin «On-Line Monitoring of Key Fault gasses in power transformer and shunt reactors» Hydro Quebec 9. H.Azizian, J.A.Prockurnicki & J.G.Lackey «Relative Saturation Versus Moisture Content of Insulating Oil and its Application in Monitoring Electrical Equipment» Doble Client Conference, Boston, B.Noirhomme, B.Sparling, J.Aubin & P.Gervasis «A practical Method for Continous Monitoring of Water Content in Transformer Solid Insulation» EPRI Substation Equipment Diagnostic Conference V, New Orleans, febbruary J.Aubin, P.Gervasis & A.Glodjo «Field Experience with the Application of Dynamic Models for On-Line Transformer Monitoring» 12. R.Chenier & J.Aubin «Economic Benefit and Risk Evaluation of Power Transformer Overloading». La gamma più completa per applicazioni personalizzate PER RIVENDITA LOCALE CONTATTATECI! Distributore autorizzato per l Italia: MILANO - Via P. Portaluppi, 15 Telefono 02/ Telefax 02/ MANUTENZIONE, Tecnica e Management - NOVEMBRE 2003

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