Cosa succede quando un trasformatore di potenza si guasta?

Quando un trasformatore di potenza si guasta, la situazione può essere molto grave, con conseguenze che vanno dai danni all'apparecchiatura stessa alla paralisi dell'intera rete elettrica, e persino incidenti di sicurezza come incendi o esplosioni. Esattamente cosa accade dipende dal tipo di guasto, dalla sua gravità, dalla progettazione del trasformatore e dalla rapidità con cui i dispositivi di protezione possono operare.

Ecco alcuni possibili scenari:

Fenomeni anomali (segni osservabili):

Surriscaldamento: Una grande quantità di calore viene generata localmente nel punto di guasto, causando un forte aumento della temperatura dell'olio o dell'avvolgimento. Il termometro o l'imaging termico daranno l'allarme.

Suono anomalo: All'interno si sentono forti suoni di "ronzio", "scoppiettio", "scoppio" o persino "boato". Ciò è causato da forti vibrazioni elettromagnetiche causate da scariche ad arco, rottura del materiale isolante, nucleo allentato o sovracorrente grave.

Variazione anomala del livello dell'olio: Il gas generato da guasti interni o grandi quantità di gas generati dalla decomposizione ad alta temperatura dell'olio isolante da archi possono causare un aumento anomalo del livello dell'olio (aumento della pressione) o una diminuzione (perdita).

Spruzzo di olio o perdita di olio: Un forte aumento della pressione interna può causare lo spruzzo di olio dalla valvola di sicurezza, oppure serbatoi di olio, tubi, radiatori e altre parti possono rompersi e perdere olio a causa di surriscaldamento, pressione o sollecitazioni meccaniche.

Fumo e fuoco: Le alte temperature e gli archi possono incendiare l'olio isolante o i materiali isolanti solidi, causando fumo o persino incendi nel trasformatore.

Generazione di gas: L'olio isolante si decompone ad alta temperatura e per effetto dell'arco producendo gas come idrogeno, metano, etano, etilene, acetilene, monossido di carbonio, anidride carbonica, ecc. (L'analisi dei gas disciolti/DGA è un importante metodo di diagnosi dei guasti). Grandi quantità di accumulo di gas possono causare un improvviso aumento della pressione.

Deformazione o rottura dell'involucro: In casi estremi, un'enorme pressione interna o energia dell'arco possono causare il rigonfiamento, la deformazione o persino lo scoppio del serbatoio del trasformatore.

Danni interni:

Guasto dell'avvolgimento:

Cortocircuito spira-spira: L'isolamento tra le spire adiacenti nello stesso avvolgimento è danneggiato, formando un circuito di cortocircuito e causando un surriscaldamento locale.

Cortocircuito interstrato: L'isolamento tra gli strati dell'avvolgimento è danneggiato.

Cortocircuito fase-fase: L'isolamento tra diversi avvolgimenti di fase è interrotto.

Cortocircuito dell'avvolgimento a terra: L'isolamento tra l'avvolgimento e il nucleo o il serbatoio (terra) è interrotto.

Circuito aperto dell'avvolgimento: Il filo è rotto o il punto di connessione è dissaldato.

Deformazione/spostamento dell'avvolgimento: L'enorme forza elettromotrice di cortocircuito fa sì che l'avvolgimento si deformi meccanicamente, si allenti o addirittura collassi.

Guasto del nucleo:

Messa a terra multipunto del nucleo: Il nucleo deve essere progettato per avere un solo punto di messa a terra affidabile. Se c'è un punto di messa a terra aggiuntivo, si formerà una corrente di circolazione, causando surriscaldamento locale o persino la fusione del nucleo.

Cortocircuito tra le lamelle del nucleo: Il danneggiamento della vernice isolante porta al cortocircuito tra le lamelle, con conseguente aumento delle perdite per correnti parassite e surriscaldamento.

Guasto del sistema di isolamento:

Invecchiamento, umidità e rottura dell'isolamento solido (cartone, supporti, ecc.).

Invecchiamento, umidità, contaminazione, carbonizzazione e diminuzione della rigidità dielettrica dell'olio isolante.

Guasto dell'interruttore di presa: Contatto scadente, erosione del contatto, rottura dell'isolamento, inceppamento meccanico o guasto del meccanismo di azionamento.

Guasto del bocchettone: Scarica superficiale, scarica sporca, umidità interna o fessurazioni che portano alla rottura, o guasto della tenuta e perdita di olio.

Guasto del sistema di raffreddamento: Blocco del radiatore, arresto della ventola/pompa dell'olio, perdita della tubazione di raffreddamento, con conseguente scarsa dissipazione del calore, aumento della temperatura, invecchiamento o guasto accelerato dell'isolamento.

Impatto sul sistema elettrico:

Azione della protezione a relè: I trasformatori sono dotati di protezioni multiple (protezione differenziale, protezione gas, protezione da sovracorrente, protezione da sovrapressione, protezione termica, ecc.). Quando si verifica un guasto, i relativi dispositivi di protezione rileveranno rapidamente l'anomalia (squilibrio di corrente, generazione di gas, aumento della pressione, temperatura eccessiva) e agiranno:

Sgancio: Scollegare l'interruttore automatico collegato al trasformatore e isolare il trasformatore difettoso dalla rete elettrica. Questo è l'anello più critico, volto a prevenire l'espansione dell'incidente.

Allarme: Inviare segnali sonori e luminosi o informazioni di allarme remoto.

Fluttuazione o calo di tensione: Il guasto stesso o lo sgancio della protezione causeranno un calo o una fluttuazione istantanea della tensione della barra collegata al trasformatore, influenzando la qualità dell'alimentazione degli utenti a valle.

Interruzione dell'alimentazione: Se il trasformatore difettoso è un nodo chiave nella catena di alimentazione, il suo sgancio causerà un'interruzione di corrente su larga scala nell'area che alimenta.

Problemi di stabilità del sistema: Lo sgancio di un guasto del trasformatore principale di grandi dimensioni può interrompere l'equilibrio di potenza e la stabilità della rete elettrica e, in casi gravi, può causare un'interruzione di corrente su scala maggiore o persino il collasso del sistema (guasto a cascata).

Scossa di corrente di cortocircuito: Un guasto di cortocircuito all'interno del trasformatore genererà un'enorme corrente di cortocircuito, che non solo causerà danni devastanti al trasformatore stesso, ma causerà anche un'enorme forza elettromotrice e shock termici alle sbarre, agli interruttori, alle linee, ecc. ad esso collegati.

Rischi per la sicurezza:

Incendio ed esplosione: L'olio isolante infiammabile ad alta temperatura spruzzato è molto probabilmente in grado di causare un incendio quando incontra l'aria o l'arco elettrico. In uno spazio confinato, la miscela olio-gas può esplodere. Questa è la situazione più pericolosa.

Rilascio di sostanze tossiche: La combustione di olio isolante e materiali isolanti rilascerà fumo e gas tossici.

Schizzo di danneggiamento dell'apparecchiatura: L'esplosione o la rottura del serbatoio dell'olio possono causare schizzi di olio ad alta temperatura, detriti e parti, causando danni al personale e alle apparecchiature vicine.

Inquinamento ambientale: Grandi quantità di perdite di olio isolante inquineranno il suolo e le fonti d'acqua.