Degrado termico e meccanico della cellulosa in trasformatori di potenza: studio dell'influenza dello stato di degrado del liquido isolante di impregnazione

The estimation of the residual life of power transformers largely depends on the state of degradation of the solid cellulose-based insulating material. The insulating Kraft paper wrapping the copper conductors is impregnated with mineral oil. The aging of paper causes the loss of mechanical strength due to the splitting of the cellulose chains , causing a decrease of the degree of polymerization of paper. Since sampling the paper from an operating transformer is not possible, indirect methods of estimation of paper thermal degradation are required, and they usually rely on chemical markers detectable in mineral oil. Degree of polymerization is the only parameter determined directly by analyzing paper and, being correlated to its mechanical properties , it's an indication of the health state of the insulation. This technique is however unsuitable for transformers in service, and indirect methods based on markers of degradation are still subject of study, and, depending on many factors, they do not allow to generalize any predictive model about the evolution of the insulation. Therefore, it would be helpful to verify the existence of a correlation between the mechanical degradation of the cellulose and the state of aging of the impregnated liquid. The aim of this work was study if a correlation between the state of degradation of the solid insulator and that of the mineral impregnating oil exists. In order to achieve such result, different oils were selected based on their physico-chemical aging parameters, especially their TAN (Total Acidity Number) values. Samples were prepared by wrapping kraft paper around a copper conductor and then putting these in glass syringes filled with oil. Such samples were then aged in an oven (150°C for up to 72 hours). A comparative study was carried by monitoring the kraft paper evolution taking into account the acidity of the impregnating mineral oil. Direct viscosimetric method - for the evaluation of the degree of polymerization of cellulose - and indirect methods for the determination of methanol, ethanol, furanic compounds, CO and CO2 in oil as markers of cellulose degradation were used: ¿ Head-space Gas Chromatography coupled to mass spectrometry to monitor the quantity of Methanol and Ethanol ¿ High-Performance Liquid Chromatography to quantify furanic compounds ¿ Head-space Gas Chromatography to monitor the development of CO and CO2 Furthermore, oil degradation due to interaction with atmospheric oxygen was also taken into consideration, along with potential effects of oil depolarization treatment. Experimental conditions did not allow to highlight any correlation between oil acidity and paper degradation, since the decrease in the polymerization degree during aging has shown the same behaviour regardless of the kind of oil.

La stima della vita residua dei trasformatori di potenza dipende fortemente dallo stato di degrado dell'isolante solido a base cellulosica contenuto al loro interno. La carta isolante avvolge i conduttori di rame ed è impregnata di olio minerale. Nel corso dell'esercizio del trasformatore, essa perde tensione meccanica a causa della scissione delle catene di cellulosa, ed il grado di polimerizzazione diminuisce di conseguenza. Dal momento che non è possibile prelevare la carta mentre il trasformatore è in funzione, il degrado termico della carta si misura attraverso il monitoraggio di alcuni indicatori caratteristici dell'olio, il quale non richiede metodi di campionamento invasivi. L'unico parametro determinabile direttamente analizzando la carta è il grado di polimerizzazione, che, essendo correlato alle sue proprietà meccaniche, è indice dello stato di salute dell'isolamento. Data l'impossibilità ad utilizzare questa tecnica per trasformatori in servizio e dato che i metodi indiretti basati sulla valutazione di indicatori di degrado sono ancora oggetto di studio e dipendono da innumerevoli fattori che non permettono di generalizzare alcun modello previsionale circa l'evoluzione della qualità dell'isolamento, sarebbe utile verificare l'esistenza di una correlazione tra il degrado meccanico della cellulosa e lo stato di invecchiamento del liquido di cui essa è impregnata. A tal proposito, attraverso prove di invecchiamento in stufa, è stato studiato lo stato di degrado dell'isolante solido e quello dell'isolante liquido di impregnazione al fine di verificare l'esistenza di una correlazione. Per fare ciò sono stati selezionati diversi oli in funzione dei parametri chimico-fisici indicativi del loro stato di invecchiamento, in particolare in funzione del valore di TAN (Total Acidity Number). Essi sono stati posti a contatto con carta kraft in presenza di rame e mantenuti in stufa a 150° C fino a un massimo di 72 ore. Sì è quindi realizzato uno studio di tipo comparativo monitorando l'evoluzione della carta kraft in funzione dell'acidità dell'olio con cui essa è stata impregnata. Il degrado termico e meccanico dell'isolante solido è stato valutato utilizzando il metodo diretto viscosimetrico per la determinazione del grado di polimerizzazione della cellulosa ed anche metodi indiretti basati sulla ricerca dei prodotti della sua degradazione all'interno dell'olio. In particolare, per la determinazione degli indicatori di degrado della cellulosa (metanolo,etanolo,derivati furanici, CO e CO2 ) si sono impiegate tecniche di: ¿ Gascromatografia con spazio di testa accoppiata alla Spettrometria di massa per monitorare il quantitativo di Metanolo ed Etanolo ¿ Cromatografia Liquida ad Elevata Pressione per la quantificazione dei derivati furanici ¿ Gascromatografia in spazio di testa per monitorare lo sviluppo di CO e CO2. Si è inoltre indagata l'influenza sul suo deterioramento da parte dell'ossigeno atmosferico e il potenziale effetto di un trattamento di depolarizzazione dell'olio. Nelle condizioni sperimentali adottate non si è osservata alcuna correlazione tra l'acidità dell'olio selezionato e il degrado della carta in quanto il decremento del grado di polimerizzazione del corso dell'invecchiamento ha mostrato in tutti i campioni di carta lo stesso andamento a prescindere dal tipo di olio.