Analýza frekvenční odezvy

Její podstatou je měření elektrických přenosových funkcí transformátorů v širokém frekvenčním rozsahu. Cílem SFRA je ověřit, zda v aktivní části transformátoru nedošlo k fyzickým posunům v důsledku stárnutí nebo po mimořádné události, jako je zkrat či přeprava. 

Výsledky zkoušky se porovnávají s referenčními hodnotami, aby bylo možné detekovat širokou škálu typů poruch, například:

• Posuny jádra
• Vadné uzemnění jádra
• Deformace vinutí
• Posuny vinutí
• Částečný kolaps vinutí
• Vyboulení vinutí
• Poškozené upínací konstrukce
• Zkratované závity a přerušená vinutí

Obrázek 1 – Uspořádání testu SFRA a schéma zkušebního přístroje

Měřené parametry a interpretace výsledků

Metoda SFRA spočívá v přivedení signálu na jednu svorku transformátoru a měření výsledného signálu na druhé svorce, jak je znázorněno na obrázku 1. 

Měřenými parametry jsou přivedené svorkové napětí a výsledné napětí na jiné svorce. Výsledek je zobrazen v hodnotách amplitudy (dB) a fázového úhlu (°), které jsou vyjádřeny jako:

Napětí je napětí na 50ohmovém rezistoru, které je úměrné proudu protékajícímu vinutím transformátoru. Amplituda tedy představuje informaci o admitanci transformátoru. 

Výsledky testu se obvykle zobrazují jako graf amplitudy v závislosti na frekvenci na logaritmické škále. Měření se provádí pro všechny tři fáze postupně a následně se tyto fáze porovnávají, jak je znázorněno na obrázku 2. 

Tři identické křivky naznačují dobrý stav, zatímco velké odchylky mohou znamenat existenci problému, například deformace.

a)

(b)

(c)
Obrázek 2 – Transformátor (a) v dobrém stavu (b) se zkratovanými závity v jedné fázi (c) ve velmi špatném stavu

U třífázového transformátoru se dvěma vinutími se doporučuje provést minimálně devět testů, jak je znázorněno na obrázku 3.

• Změřte odezvu všech tří fází z vysokonapěťové (VN) strany se zkratovanou nízkonapěťovou (NN) stranou
• Změřte odezvu všech tří fází z vysokonapěťové (VN) strany s rozpojenou nízkonapěťovou (NN) stranou
• Změřte odezvu všech tří fází z nízkonapěťové (NN) strany s rozpojenou vysokonapěťovou (VN) stranou

Obrázek 3 – Typický výsledek SFRA třífázového transformátoru

Měření „naprázdno“ (open) zachycuje budicí impedanci transformátoru, zatímco měření „nakrátko“ (short) zachycuje impedanci nakrátko. 

Je důležité poznamenat, že u měření „naprázdno“ se křivka fáze B často odchyluje od křivek fází A a C při nízkých frekvencích kvůli struktuře jádra. 

Tento jev by neměl být považován za závadu. S rostoucí frekvencí se indukčnost jádra začíná snižovat a poté mizí. Při vysokých frekvencích poskytují měření „naprázdno“ a „nakrátko“ stejné výsledky.

Kromě porovnání mezi fázemi existují dvě další srovnávací metody:

• Časové srovnání: Výsledky SFRA se porovnávají s předchozími výsledky pro stejný transformátor. Jedná se o nejjednodušší a nejefektivnější metodu, jak odhalit problém.
• Typové srovnání: SFRA jednoho transformátoru je porovnána s podobným typem transformátoru. Za sesterský transformátor se považuje transformátor se stejnými údaji na typovém štítku a obvykle od stejného výrobce.

Ze změny křivky SFRA v určitých frekvenčních rozsazích lze identifikovat různé poruchy. Tvar nízkofrekvenční křivky je dán magnetickým obvodem transformátoru. Problémy s jádrem, zkratované závity a přerušené žíly proto tento tvar mění. 

Kapacita vinutí se pohybuje kolem několika nanofaradů a začíná ovlivňovat křivku SFRA od několika kHz. Kapacita vinutí disků je poměrně malá a začíná hrát roli v nejvyšším frekvenčním rozsahu. 

Tabulka 1 může zkušebním technikům pomoci identifikovat konkrétní problém na základě rozdílů křivek v určitých frekvenčních rozsazích.

Po vyjmutí transformátoru z pláště vykazovala deformace zobrazená na obrázku 4 frekvenční odezvu znázorněnou na obrázku 5. 

Je vidět, že křivka fáze B mění svůj průběh po poruše. Odchylka se pohybuje v rozmezí 500 Hz až 500 kHz, z čehož lze usuzovat, že jádro je v pořádku, ale vinutí je deformované. Rozdíl je nejzřetelnější v pásmu od 1 do 10 kHz, nízkofrekvenční část je v pořádku. 

Podle tabulky 3 se s největší pravděpodobností jedná o deformaci vinutí jako celku.

Obrázek 4 – Porucha vybočení vinutí transformátoru [2]

Obrázek 5 – Frekvenční odezvy transformátoru s poruchou vybočení vinutí

Modelování transformátorů

Abychom pochopili, proč je testování SFRA schopno odhalit tolik mechanických poruch, které jsou jinými metodami těžko zjistitelné, je třeba analyzovat model ekvivalentního obvodu testovaného transformátoru. Model popsaný v tomto článku platí pro jednofázové transformátory.

Při nízkých frekvencích (<1 kHz) je model ekvivalentního obvodu transformátoru znázorněn na obrázku 6. Skládá se z ideálního transformátoru a budicí impedance a svodových impedancí vinutí VN a NN. 

Když je signál SFRA přiváděn z vinutí VN s rozpojeným NN vinutím, měří se vlastně budicí impedance. Impedance roste lineárně se zkušební frekvencí a tvoří tak přímku na logaritmické stupnici.

S rostoucí frekvencí se začíná projevovat kapacitní efekt a indukčnost jádra se stává méně dominantní. Prvním rezonančním bodem je rezonance induktoru, která je určena vinutím a jádrem, a kondenzátoru, který je tvořen vinutím a zemí (jádrem a pláštěm).

Při nejvyšším kmitočtu je rezonance způsobena vlastní indukčností vodičů (nH/m) a kondenzátorem vinutí disku/závitů. Vysokofrekvenční ekvivalentní obvod je znázorněn na obrázku 7. 

Číslo představuje počet závitů vinutí. Každý závit se skládá z vlastní indukčnosti, vzájemné indukčnosti a odporu. Kromě toho existují kondenzátory mezi závity (ideální kondenzátor a ztrátová složka) a kondenzátory mezi závitem a zemí.

Vnitřní poruchy výkonových transformátorů mohou způsobit posuny v některých oblastech křivky frekvenční odezvy a tyto posuny lze identifikovat vizuální kontrolou.

Obrázek 6 – Model jednofázového transformátoru při nízkých frekvencích

Obrázek 7 – Model jednofázového transformátoru při frekvenci 1 MHz [3]

Obrázek 8 – Charakteristika křivky SFRA

Správné postupy při testování SFRA

SFRA je nedestruktivní zkušební metoda s nízkým napětím (10 V). Pro zajištění kvalitních výsledků je nutné dodržovat správné postupy.

Použijte konstantní zkušební napětí

Bylo prokázáno, že nízkofrekvenční odezva je dána především magnetickými vlastnostmi transformátoru. 

Obvykle se předpokládá, že permeabilita materiálu magnetického jádra je konstantní, ale v praxi tomu tak není. Mění se v závislosti na přivedeném napětí. Frekvenční odezva se měří při poměrně nízkém napětí – pouze kolem 10 V. 

Permeabilita jádra se při této úrovni napětí rychle mění.

Obrázek 9 – Křivka B-H a křivka μ-H materiálu jádra transformátoru (křemíková ocel B27G130 [4])

Permeabilita jádra se mění s přivedeným napětím, což způsobuje, že odezvy SFRA při nízkých frekvencích závisí na napětí. Pro zkoušky SFRA je proto velmi důležité konstantní napětí. 

Doporučujeme proto použít zkušební přístroj s proměnným výstupním napětím, aby bylo možné zkoušku provést při stejném napětí jako referenční křivku.

Obrázek 10 – Výsledky SFRA s různými použitými napětími

Sledujte polohu přepínače odboček

Polohy přepínače odboček musí být stejné jako při srovnávacích testech, jinak se budou frekvenční odezvy lišit a nebude možné je porovnat. 

Pokud je zvolena maximální odbočka, pak je testem zkontrolován celý přepínač odboček. To platí pro přepínač bez zátěže (DETC) i se zátěží (OLTC). Zkouška se obvykle provádí na plném vinutí a neutrální poloze.

Nejprve demagnetizace

Výsledky analýzy SFRA ovlivňuje zbytkový tok. Po testu odporu vinutí se výchozí bod posune z bodu 0 do bodu 1 nebo bodu 2 na hysterezní křivce – viz obrázek 11. 

Vzhledem k tomu, že zbytkový tok výrazně mění indukčnost jádra, doporučuje se provést zkoušku SFRA před jakýmkoli jiným testem nebo ihned po demagnetizaci, což způsobí, že se výchozí bod vrátí zpět do bodu 0.

Obrázek 11 – Odezvy SFRA získané před a po demagnetizaci

Dodržujte správné postupy uzemnění

Vysokofrekvenční část odezvy je velmi citlivá na elektromagnetické rušení, takže zkušební systém by měl být odolný proti rušení. 

Jedním z běžně používaných přístupů je použití koaxiálního kabelu. Střední vodič kabelu je připojen ke svorce transformátoru, zatímco vnější vodič je připojen k šasi přístroje, které by mělo být uzemněno. 

Tento postup zabraňuje tomu, aby střední vodič zachycoval šum.

Obrázek 12 – Dva systémy uzemnění

Je zcela běžné, že uzemnění transformátoru (uzemnění rozvodny) není totožné s uzemněním přístroje. 

V takových případech může proud a napětí mezi uzemněním transformátoru a uzemněním přístroje nepříznivě ovlivnit výsledek testu. 

Pro zlepšení opakovatelnosti je nutné propojit uzemnění kabelu (stínění) a uzemnění transformátoru dohromady pomocí co nejkratších plochých pásků, jak je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek 13 – Výsledky získané při různých způsobech uzemnění

Závěr

Analýza SFRA je neocenitelná zkušební metoda umožňující odhalit problémy, které by jinak bylo obtížné zjistit bez demontáže transformátoru, což je nákladné a velmi nepohodlné. 

Pro získání co nejreprezentativnějších výsledků je však třeba použít kvalitní zkušební sadu s ověřenými parametry, dodržovat při zkoušce správné postupy a výsledky interpretovat uvážlivě podle pokynů uvedených v tomto článku.

Seznamte se s nabídkou analyzátorů frekvenční odezvy  od společnosti Megger.

Literatura

• [1] J.C. Gonzales a E.E. Mombello, „Diagnosis of Power Transformers through Frequency Response Analysis by Poles and Zeros Shifts Identification“ (Diagnostika výkonových transformátorů pomocí analýzy frekvenční odezvy identifikací posunů pólů a nul). Konference o přenosu a distribuci elektrické energie: Latinská Amerika (T&D-LA), 6. IEEE/PES, 2012
• [2] M. Bagheri, M.S. Naderi, T. Blackburn a T. Phung, „FRA vs. Short Circuit Impedance Measurement in Detection of Mechanical Defects within Large Power Transformer“ (Analýza frekvenční odezvy v porovnání s měřením impedance při zkratu v detekci mechanických defektů ve velkých výkonových transformátorech). Záznam konference z Mezinárodního sympozia IEEE o elektrické izolaci (ISEI 2012)
• [3] N. Abeywickrama, Y. Serdyuk a S. Gubanski, „High-Frequency Modeling of Power Transformers for Use In Frequency Response Analysis“ (Vysokofrekvenční modelování výkonových transformátorů pro analýzu frekvenční odezvy). IEEE Transactions on Power Delivery, sv. 23, č. 4, 2008
• [4] Technical Manual of Baosteel GO Silicon Steel Products (Technická příručka výrobků z křemíkové oceli GO společnosti Baosteel), 2008