Comprensione di pressione, resistenza e termometri a fibra ottica

Il funzionamento affidabile di un Trasformatore immerso in olio Dipende in gran parte dalla stabilità dell'olio isolante interno e dalla temperatura degli avvolgimenti. Il surriscaldamento è una delle cause principali dell'invecchiamento accelerato dell'isolamento, del degrado delle prestazioni e, in definitiva, dei guasti. Pertanto, il monitoraggio della temperatura è uno degli aspetti più fondamentali e critici del funzionamento e della manutenzione dei trasformatori. Dai tradizionali quadranti meccanici ai moderni sistemi intelligenti a fibra ottica, la storia dello sviluppo dei termometri rappresenta un'evoluzione della tecnologia di monitoraggio dei trasformatori, dall'osservazione passiva all'allerta precoce attiva.

 

Questo articolo descriverà in modo sistematico le tipologie più comuni di termometri utilizzati sui trasformatori immersi in olio, fornendo un'analisi approfondita dei loro principi di funzionamento e dei relativi scenari applicativi.

 

Capitolo 1: L'"albero genealogico" dei termometri: uno sguardo dettagliato a tre tipologie principali

In base ai principi di misurazione e al luogo di installazione, i termometri per trasformatori immersi in olio si dividono principalmente nelle seguenti tre categorie. Insieme, formano una rete di monitoraggio tridimensionale che va dalla temperatura dell'olio in superficie ai punti caldi degli avvolgimenti.

 

1. Termometro a pressione (termometro a lettura remota)

Principio di funzionamento: Si tratta di un classico strumento meccanico basato sulla dilatazione/contrazione termica e sulla trasmissione della pressione di liquidi/gas. Il sistema è composto da tre parti:

 

Bulbo termometrico (sensore): inserito nell'olio nella parte superiore del serbatoio del trasformatore, riempito con un mezzo termosensibile (ad esempio, liquido, gas o liquido a basso punto di ebollizione).

 

Tubo capillare: un tubo metallico lungo e sottile che collega il bulbo alla testa del manometro, riempito con un fluido che trasmette la pressione.

 

Indicatore di temperatura: montato sulla parete del serbatoio del trasformatore o sul quadro elettrico, potenzialmente a diversi metri di distanza dal bulbo. Il suo nucleo è un tubo di Bourdon, un tubo metallico elastico e curvo. Quando il bulbo si riscalda, la variazione di pressione interna viene trasmessa per capillarità al tubo di Bourdon, provocandone la deformazione. Questa deformazione muove un ago attraverso un meccanismo a leveraggio, visualizzando la temperatura.

 

Caratteristiche principali:

 

Puramente meccanico, non richiede alimentazione esterna, eccellente immunità alle interferenze elettromagnetiche, altissima affidabilità.

 

La testina di misurazione può essere montata a distanza per una comoda lettura in loco.

 

Generalmente dotato di 1-2 contatti regolabili per le funzioni di allarme e intervento in caso di sovratemperatura.

 

Rispetto ai modelli elettronici, la precisione e la velocità di risposta sono relativamente inferiori, e il tubo capillare è soggetto a danni meccanici.

 

Applicazione tipica: Dispositivo primario di monitoraggio e allarme per la temperatura dell'olio superiore, una caratteristica quasi standard su tutti i trasformatori immersi in olio.

 

2. Termoresistenza (RTD, ad esempio PT100)

Principio di funzionamento: si basa sulla proprietà che la resistenza di un conduttore varia con la temperatura. L'elemento sensibile più comune è un termometro a resistenza di platino, dove PT100 indica una resistenza di 100 ohm a 0 °C. La sua resistenza varia in modo preciso e lineare con la temperatura.

 

Componenti del sistema:

 

Sonda RTD al platino: installata in un pozzetto del termometro nella parte superiore del trasformatore, immersa nell'olio.

 

Ponte di misura e trasmettitore: spesso integrato in un'unità di controllo intelligente. Un circuito preciso misura la resistenza del PT100 e la converte in un segnale di corrente standard da 4-20 mA o in un segnale digitale.

 

Caratteristiche principali:

 

Elevata precisione di misurazione, possibilità di trasmettere segnali su lunghe distanze, buona immunità ai disturbi.

 

L'uscita è un segnale elettrico standard, facilmente integrabile con piattaforme di automazione come SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) e DCS (Distributed Control Systems) per il monitoraggio centralizzato remoto.

 

Spesso installato accanto al termometro a pressione, funge da mezzo ridondante o di maggiore precisione per il monitoraggio e la registrazione a distanza della temperatura dell'olio.

 

Applicazione tipica: Utilizzato per la trasmissione remota e il monitoraggio digitale della temperatura dell'olio superficiale, elemento fondamentale delle moderne sottostazioni automatizzate e non presidiate.

 

3. Sistema di misurazione della temperatura degli avvolgimenti in fibra ottica (misurazione diretta del "punto caldo" più avanzata)

Principio di funzionamento: Questa è attualmente la tecnologia più diretta e avanzata per il monitoraggio della temperatura degli avvolgimenti. Si basa sulla fisica dei reticoli di Bragg a fibra ottica.

 

Sensore a reticolo di Bragg in fibra (FBG): una variazione periodica dell'indice di rifrazione (un reticolo) viene incisa su un segmento di fibra ottica speciale mediante un laser. La sua proprietà chiave: la luce di una specifica lunghezza d'onda (lunghezza d'onda di Bragg) viene riflessa e questa lunghezza d'onda riflessa si sposta linearmente con le variazioni di temperatura (o deformazione) nella posizione del reticolo.

 

Processo di misurazione: Un cavo flessibile in fibra ottica, dotato di molteplici sensori FBG, viene pre-inserito direttamente tra gli strati isolanti degli avvolgimenti ad alta tensione nei punti in cui si prevede che la temperatura sia più elevata, durante la produzione del trasformatore. Il sistema emette luce a banda larga e, analizzando la specifica lunghezza d'onda riflessa da ciascun reticolo, è in grado di ottenere con precisione e in tempo reale la temperatura assoluta in diversi punti all'interno dell'avvolgimento.

 

Caratteristiche principali:

 

Misurazione diretta della temperatura del punto più caldo dell'avvolgimento, non stima indiretta. I dati ottenuti sono i più autentici e affidabili.

 

Sicurezza intrinseca: la fibra ottica è realizzata in silice, isolante, resistente alle alte tensioni e immune alle interferenze elettromagnetiche, operando stabilmente anche in presenza di forti campi elettromagnetici.

 

Misurazione distribuita: una singola fibra può ospitare decine di punti di rilevamento, consentendo una mappatura termica completa dell'avvolgimento.

 

Elemento chiave per la "valutazione dinamica" e la stima della durata di vita del trasformatore.

 

Applicazione tipica: trasformatori di grandi dimensioni e critici (ad es. trasformatori ad altissima tensione, trasformatori di conversione), sottostazioni intelligenti che richiedono la gestione della capacità di carico.

 

Capitolo 2: Chiarimento dei concetti chiave – Temperatura dell'olio superficiale vs. temperatura dell'avvolgimento

Questo è un concetto cruciale e il punto di partenza per la scelta del tipo di termometro.

 

Temperatura dell'olio in superficie: misura la temperatura dell'olio nella parte superiore del serbatoio. Riflette il carico termico complessivo del trasformatore, ma presenta un ritardo termico. Quando il carico varia, la temperatura degli avvolgimenti cambia più rapidamente, seguita dalla temperatura dell'olio. Questa misurazione viene effettuata con termometri a pressione e termoresistenze (RTD).

 

Temperatura del punto più caldo dell'avvolgimento: si riferisce al punto più caldo dell'intero trasformatore, tipicamente situato nella parte superiore dell'avvolgimento di bassa tensione. È il parametro più critico che determina il tasso di invecchiamento dell'isolamento e la capacità di carico. I metodi tradizionali non sono in grado di misurarla direttamente, affidandosi invece a un indicatore di temperatura dell'avvolgimento (WTI) che la simula/stima utilizzando la "temperatura dell'olio superiore + correzione della corrente". La misurazione tramite fibra ottica è l'unica tecnologia in grado di misurarla direttamente e con precisione.