Frequenzganganalyse

Grundlage ist die Messung der elektrischen Übertragungsfunktionen der Transformatoren über einen breiten Frequenzbereich. Ziel der SFRA ist es zu prüfen, ob im aktiven Teil des Transformators physikalische Verschiebungen aufgrund von Alterung oder nach einem bestimmten Ereignis, wie beispielsweise einem Kurzschluss oder einem Transport, aufgetreten sind. 

Die Prüfergebnisse werden mit dem Referenzwert verglichen, sodass eine Vielzahl von Fehlerarten erkannt werden kann, darunter:

• Kernbewegungen
• Fehlerhafte Kernerdung
• Verformungen der Wicklungen
• Wicklungsverlagerungen
• Teilweise Wicklungszusammenbrüche
• Verformung des Windungsumfangs
• Beschädigte Klemmstrukturen
• Kurzgeschlossene Windungen und offene Wicklungen

Abbildung 1: Prüfaufbau der Frequenzganganalyse und schematische Darstellung des Prüfgeräts

Gemessene Parameter und Auswertung der Ergebnisse

Bei der SFRA-Methode wird ein Signal an einem Anschluss des Transformators eingespeist und das resultierende Signal an einem anderen Anschluss gemessen, wie in Abbildung 1 dargestellt. 

Die gemessenen Parameter sind die an den Anschlüssen anliegende Spannung und das resultierende Signal an einem anderen Anschluss. Das Ergebnis wird in Amplitude (dB) und Phasenwinkel (°) dargestellt, die wie folgt ausgedrückt werden:

Die Spannung ist die Spannung an einem 50 Ohm Widerstand, die proportional zum Strom ist, der durch die Transformatorwicklung fließt. Daher repräsentiert die Amplitude die Admittanzinformationen des Transformators. 

Die Testergebnisse werden in der Regel als Amplitude in Abhängigkeit von der Frequenz auf einer logarithmischen Skala dargestellt. Es werden jeweils drei Phasen gemessen und anschließend miteinander verglichen, wie in Abbildung 2 dargestellt. 

Drei identische Kurven weisen auf einen einwandfreien Zustand hin, während größere Abweichungen auf ein Problem wie eine Verformung hindeuten können.

a)

(b)

(c)
Abbildung 2: Der Transformator (a) in gutem Zustand (b) mit kurzgeschlossenen Windungen in einer Phase (c) in sehr schlechtem Zustand
 

Bei einem dreiphasigen Transformator mit zwei Wicklungen wird ein Minimum von neun Tests empfohlen, wie in Abbildung 3 dargestellt:

• Messen der Dreiphasenantworten von der OS-Seite bei kurzgeschlossener US-Seite
• Messen der Dreiphasenantworten von der OS-Seite bei offener US-Seite
• Messen der Dreiphasenantworten von der US-Seite bei offener OS-Seite

Abbildung 3: Typisches SFRA-Ergebnis eines Dreiphasentransformators

Die „offen“-Messung erfasst die Erregerimpedanz des Transformators, während die „Kurzschluss“-Messung die Kurzschlussimpedanz bestimmt. 

Es ist wichtig zu beachten, dass bei den „offenen“ Messungen die Kurve der Phase B bei niedrigen Frequenzen aufgrund der Kernstruktur häufig von den Kurven der Phase A und C abweicht. 

Dies sollte nicht als Mangel oder Defekt angesehen werden. Mit zunehmender Frequenz nimmt die durch den Kern verursachte Induktivität ab und verschwindet schließlich. „Offen“- und „Kurzschluss“-Messungen liefern die gleichen Ergebnisse bei hohen Frequenzen.

Neben dem Phasenvergleich gibt es zwei weitere Vergleichsmethoden:

• Zeitbasierter Vergleich: Die SFRA-Ergebnisse werden mit früheren Ergebnissen derselben Einheit verglichen. Dies ist die einfachste und effektivste Methode, um ein Problem zu erkennen.
• Typbasierter Vergleich: SFRA eines Transformators wird mit denen eines vergleichbaren Transformators desselben Typs verglichen. Ein solcher Transformator gilt als Referenztransformator, wenn er dieselben Typenschilddaten und üblicherweise denselben Hersteller hat.

Anhand der Veränderung der SFRA-Kurve in bestimmten Frequenzbereichen lassen sich verschiedene Fehler erkennen. Die Form der Kurve im Niederfrequenzbereich wird durch den Magnetkreis eines Transformators bestimmt. Daher verändern Kernprobleme, kurzgeschlossene Wicklungen und gebrochene Litzen diese Form. 

Die Gesamtwicklungskapazität beträgt einige Nanofarads und beginnt die SFRA-Kurve ab einigen kHz zu beeinflussen. Die Scheibenwicklungskapazität ist deutlich kleiner und wird erst im höchsten Frequenzbereich relevant. 

Tabelle 1 kann Prüftechnikern helfen, das konkrete Problem anhand der Kurvenunterschiede in bestimmten Frequenzbereichen zu identifizieren.

Nach dem Entleeren eines Transformators führte die in Abbildung 4 gezeigte Verformung zu der Frequenzantwort, die in Abbildung 5 dargestellt ist. 

Es ist zu erkennen, dass die Phase-B-Kurve nach dem Fehler ihr Muster ändert. Die Abweichung liegt zwischen 500 Hz und 500 kHz, und daraus lässt sich schließen, dass der Kern in Ordnung ist, die Wicklung jedoch verformt ist. Die Unterschiede sind besonders im Frequenzbereich von 1 bis 10 kHz deutlich, während der Niederfrequenzbereich unauffällig bleibt. 

Laut Tabelle 3 ist das Problem höchstwahrscheinlich auf eine Verformung der Gesamtwicklung zurückzuführen.

Abbildung 4: Beule an der Transformatorwicklung [2]

Abbildung 5: Sweep-Frequenzantworten des Transformators mit Beule der Transformatorwicklung

Transformator-Modellierung

Um zu verstehen, warum SFRA-Prüfungen so viele mechanische Fehler erkennen können, die mit anderen Methoden nur schwer feststellbar sind, muss das Ersatzschaltbild des zu prüfenden Transformators analysiert werden. Das in diesem Artikel behandelte Modell gilt für Einphasentransformatoren.

Das Ersatzschaltbild von Transformatoren bei niedrigen Frequenzen (< 1 kHz) ist in Abbildung 6 dargestellt. Es besteht aus einem idealen Transformator sowie der Erregerimpedanz und den Ableitungsimpedanzen der OS- und US-Wicklungen. 

Wenn das SFRA-Signal von der OS-Wicklung eingespeist wird und die US-Wicklung offen ist, wird tatsächlich der Erregerwiderstand gemessen. Der Widerstand steigt linear mit der Prüffrequenz an und bildet somit auf einer logarithmischen Skala eine Gerade.

Mit zunehmender Frequenz tritt der kapazitive Effekt in Erscheinung, und die Kerninduktivität verliert an Dominanz. Der erste Resonanzpunkt entspricht der Resonanz der Induktivität, die durch Wicklung und Kern bestimmt wird sowie der Kapazität, die aus Wicklung und Erde (Kern und Kessel) gebildet wird.

Bei der höchsten Frequenz ist die Resonanz auf die Selbstinduktivität der Leiter (nH/m) und die Kapazität der Wicklungsscheiben bzw. -windungen zurückzuführen. Das Hochfrequenz-Ersatzschaltbild ist in Abbildung 7 dargestellt. 

Die Zahl gibt die Anzahl der Wicklungswindungen an. Jede Windung besteht aus Selbstinduktivität, Gegeninduktivität und Widerstand. Zusätzlich gibt es Windung-zu-Windung-Kapazitäten (ein idealer Kondensator und die Verlustkomponente) sowie Windung-zu-Erde-Kapazitäten.

Interne Fehler in Leistungstransformatoren können in bestimmten Bereichen der Frequenzgangkurve Verschiebungen verursachen, die durch eine Sichtprüfung erkannt werden können.

Abbildung 6: Einphasentransformator-Modell bei niedrigen Frequenzen

Abbildung 7: Einphasentransformator-Modell bei 1 MHz [3]

Abbildung 8: Merkmale einer SFRA-Kurve

Bewährte Verfahren für Frequenzganganalyse-Prüfungen

SFRA ist eine zerstörungsfreie Prüfmethode bei kleiner Spannung (10V). Um die Qualität der Ergebnisse zu gewährleisten, müssen bewährte Verfahren befolgt werden.

Eine konsistente Prüfspannung anwenden

Es ist erwiesen, dass das Niederfrequenzverhalten hauptsächlich von den magnetischen Eigenschaften des Transformators bestimmt wird. 

Die Permeabilität des Magnetkernmaterials wird üblicherweise als konstant angenommen, ist es in der Praxis jedoch nicht. Sie variiert mit der angelegten Spannung. Der Frequenzgang wird bei einer recht niedrigen Spannung gemessen – nur etwa 10 V. 

Die Permeabilität des Kerns ändert sich bei diesem Spannungsniveau rapide.

Abbildung 9: B-H-Kurve und μ-H-Kurve des Transformator-Kernmaterials (B27G130 Silizium-Eisen [4])

Die Kernpermeabilität variiert mit der angelegten Spannung, wodurch die SFRA-Antworten bei niedrigen Frequenzen spannungsempfindlich werden. Eine konsistente Spannung ist daher für SFRA-Prüfungen von großer Bedeutung. 

Es wird ein Prüfgerät mit variabler Ausgangsspannung empfohlen, damit die Prüfung bei derselben Spannung wie die Referenzkurve durchgeführt werden kann.

Abbildung 10: SFRA-Ergebnisse bei unterschiedlichen angelegten Spannungen

Auf die Stellung des Stufenschalters achten

Die Stufenschalter-Stellungen müssen mit denen der Referenztests übereinstimmen, sonst unterscheiden sich die Frequenzantworten und ein Vergleich ist nicht möglich. 

Wird die höchste Stufenschaltung ausgewählt, wird der gesamte Stufenschalter im Rahmen der Prüfung überprüft. Dies gilt sowohl fürUmsteller als auch für Laststufenschalter. Typischerweise wird der Test mit maximaler und minimaler Anzahl der Regelwicklungen durchgeführt.

Zunächst die Entmagnetisierung

Der Restmagnetisierung beeinflusst die SFRA-Ergebnisse. Nach der Wicklungswiderstandsprüfung verschiebt sich der Startpunkt auf der Hysteresekurve von Punkt 0 zu Punkt 1 oder Punkt 2 – siehe Abbildung 11. 

Da die Restmagtnetisierung die Kerninduktivität erheblich verändert, wird empfohlen, den SFRA-Test vor allen anderen Prüfungen oder unmittelbar nach der Entmagnetisierung durchzuführen, wodurch der Startpunkt wieder auf Punkt 0 zurückgesetzt wird.

Abbildung 11: SFRA-Kur, die vor und nach der Entmagnetisierung erhalten wurden

Bewährte Erdungsverfahren befolgen

Der hochfrequente Teil des Signals reagiert sehr empfindlich auf elektromagnetische Störungen, daher sollte das Prüfsystem störungsunempfindlich sein. 

Ein weit verbreiteter Ansatz ist die Verwendung von Koaxialkabeln. Der Innenleiter des Kabels wird mit dem Transformatoranschluss verbunden, während der Außenleiter mit dem Gerätechassis verbunden wird, das geerdet sein sollte. 

Dies verhindert, dass der Innenleiter Störungen aufnimmt.

Abbildung 12: Zwei Erdungssysteme

Es kommt häufig vor, dass die Transformator-Erde (Umspannwerks-Erde) nicht mit der Geräte-Erde übereinstimmt. 

In solchen Fällen können Strom und Spannung zwischen Transformator-Erde und Geräte-Erde die Prüfergebnisse negativ beeinflussen. 

Zur Verbesserung der Wiederholbarkeit ist es notwendig, die Kabel-Erde (Schirm) und die Transformator-Erde über die kürzestmöglichen flachen Leitungen zu verbinden, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 13: Ergebnisse, die mit unterschiedlichen Erdungsverfahren erzielt wurden

Fazit

SFRA ist eine äußerst wertvolle Prüfmethode, die empfindlich auf Probleme reagiert, die ansonsten nur durch Demontage des Transformators – eine teure und sehr umständliche Maßnahme – erkannt werden könnten. 

Um möglichst repräsentative Ergebnisse zu erzielen, muss jedoch ein hochwertiges Prüfset mit nachgewiesener Leistungsfähigkeit verwendet werden, es müssen bewährte Verfahren während der Tests beachtet werden, und die Ergebnisse müssen sorgfältig und unter Beachtung der in diesem Artikel gegebenen Richtlinien interpretiert werden.

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Referenzen

• [1] J.C. Gonzales und E.E. Mombello, „Diagnosis of Power Transformers through Frequency Response Analysis by Poles and Zeros Shifts Identification“, Transmission and Distribution: Latin America Conference and Exposition (T&D-LA), 2012 Sixth IEEE/PES
• [2] M. Bagheri, M. S. Naderi, T. Balckburn und T. Phung, „FRA vs. Short Circuit Impedance Measurement in Detection of Mechanical Defects within Large Power Transformer“, Conference Record of the 2012 IEEE International Symposium on Electrical Insulation (ISEI)
• [3] N. Abeywickrama, Y. Serdyuk and S. Gubanski, “High-Frequency Modeling of Power Transformers for Use In Frequency Response Analysis,” IEEE Trans. on Power Delivery, Band 23, Nr. 4, 2008
• [4] Technical Manual of Baosteel GO silicon Steel Products, 2008