Analyse de réponse en fréquence de balayage

Sa base est la mesure des fonctions de transfert électrique des transformateurs sur une large plage de fréquences. L'objectif de la SFRA est de tester si des déplacements physiques dans la partie active du transformateur se sont produits en raison du vieillissement ou après un événement particulier tel qu'un court-circuit ou un transport. 

Les résultats du test sont comparés à la référence afin de détecter un large éventail de types de défauts, notamment :

• Les mouvements du noyau
• Les masses de noyau défectueuses
• Les déformations d'enroulement
• Les déplacements d'enroulement
• L'effondrement partiel d'un enroulement
• L'affaissement d'une boucle
• La rupture de structures de fixation
• Des spires en court-circuit et des enroulements en circuit ouvert

Figure 1 : configuration du test SFRA et diagramme schématique de l'instrument de test

Paramètres mesurés et interprétations des résultats

La méthode SFRA consiste à injecter un signal à une borne du transformateur et à mesurer le signal résultant à une autre borne, comme illustré à la Figure 1. 

Les paramètres mesurés sont la tension de borne appliquée et la tension résultante à une autre borne. Le résultat est indiqué en amplitude (dB) et en angle de phase (°), exprimés comme suit :

La tension désigne la tension à travers une résistance de 50 ohms, proportionnelle au courant qui traverse l'enroulement du transformateur. Par conséquent, l'amplitude représente les informations d'admission du transformateur. 

Les résultats de test sont généralement présentés sous la forme d'une courbe logarithmique de l'amplitude en fonction de la fréquence. Trois phases sont mesurées respectivement, puis comparées les unes aux autres, comme illustré à la Figure 2. 

Trois traces identiques indiquent un bon état , tandis que de grands écarts peuvent pointer vers l'existence d'un problème tel qu'une déformation.

a)

(b)

(c)
Figure 2 : le transformateur (a) en bon état (b) avec des spires en court-circuit dans une phase (c) en très mauvais état

Pour un transformateur triphasé avec deux enroulements, un minimum de neuf tests est recommandé, comme illustré à la Figure 3.

• Mesurez les réponses triphasées du côté HT avec le côté BT en court-circuit
• Mesurez les réponses triphasées du côté HT avec le côté BT en circuit ouvert
• Mesurez les réponses triphasées du côté BT avec le côté HT en circuit ouvert

Figure 3 : résultat SFRA type d'un transformateur triphasé

Le « circuit ouvert » mesure l'impédance d'excitation du transformateur, tandis que le « court-circuit » mesure l'impédance de court-circuit du transformateur. 

Il est important de souligner que pour les mesures de « circuit ouvert », le tracé de phase B s'écarte souvent des tracés de phase A et C à basse fréquence en raison de la structure du noyau. 

Cela ne doit pas être considéré comme un défaut. À mesure que la fréquence augmente, l'inductance introduite par le noyau commence à diminuer, puis disparaît. Les mesures de « circuit ouvert » et de « court-circuit » donnent les mêmes résultats à haute fréquence.

Outre la comparaison entre les phases, il existe deux autres méthodes comparatives :

• Comparaison basée sur des intervalles de temps : les résultats SFRA sont comparés aux résultats précédents pour la même unité. Cette méthode est la plus simple et la plus efficace pour discerner un problème.
• Comparaison basée sur le type : la SFRA d'un transformateur est comparée à un type de transformateur similaire. Un transformateur frère est considéré comme ayant les mêmes données de plaque signalétique et généralement le même fabricant.

Différents défauts peuvent être identifiés à partir de la modification de la courbe SFRA dans certaines plages de fréquences. La forme de la courbe basse fréquence est déterminée par le circuit magnétique d'un transformateur. Ainsi, les problèmes de noyau, les spires en court-circuit et les fils coupés changent cette forme. 

La capacité d'enroulement en vrac est d'environ quelques nanofarads et commence à affecter la courbe SFRA à partir de quelques kHz. La capacité du disque d'enroulement est assez faible et commence à jouer un rôle dans la plage de fréquences la plus élevée. 

Le Tableau 1 peut aider les ingénieurs de test à identifier le problème spécifique en fonction des différences de courbe dans certaines plages de fréquences.

Après le retrait du réservoir d'un transformateur, la déformation illustrée à la Figure 4 a donné la réponse en fréquence indiquée à la Figure 5. 

On peut observer que la courbe de phase B modifie son tracé après le défaut. La déviation est comprise entre 500 Hz et 500 kHz, et il est possible de conclure que le noyau est correct, mais que l'enroulement est déformé. La différence est plus évidente entre 1 et 10 kHz alors que la partie basse fréquence est correcte. 

Selon le Tableau 3, le problème est très probablement dû à une déformation de l'enroulement en vrac.

Figure 4 : défaut d'affaissement de l'enroulement du transformateur [2]

Figure 5 : réponses de fréquence de balayage du transformateur présentant le défaut d'affaissement de l'enroulement

Modélisation du transformateur

Pour comprendre pourquoi les tests SFRA sont capables de détecter autant de défauts mécaniques difficiles à détecter par d'autres méthodes, il faut analyser le modèle de circuit équivalent du transformateur testé. Le modèle abordé dans cet article est valable pour les transformateurs monophasés.

À basse fréquence (< 1 kHz), le modèle de circuit équivalent des transformateurs est illustré à la Figure 6. Il se compose d'un transformateur idéal, ainsi que de l'impédance d'excitation et des impédances de fuite des enroulements HT et BT. 

Lorsque le signal SFRA est injecté à partir de l'enroulement HT avec l'enroulement BT ouvert, il mesure en réalité l'impédance d'excitation. Lorsque l'impédance augmente de manière linéaire avec la fréquence de test, elle forme une ligne droite sur une échelle logarithmique.

À mesure que la fréquence augmente, l'effet capacitif commence à apparaître et l'inductance du noyau devient moins dominante. Le premier point de résonance est la résonance de l'inducteur, déterminée par l'enroulement et le noyau, ainsi que du condensateur, construit par l'enroulement et la masse (noyau et réservoir).

À la fréquence la plus élevée, la résonance est due à l'auto-inductance des conducteurs (nH/m) et au condensateur des disques/spires d'enroulement. Le circuit équivalent à haute fréquence est représenté à la Figure 7. 

Le nombre représente les spires d'enroulement. Chaque spire se compose d'une auto-inductance, d'une inductance mutuelle et d'une résistance. En outre, il existe des condensateurs entre les spires (un condensateur idéal et le composant de perte) ainsi que des condensateurs entre les spires et la terre.

Les défauts internes du transformateur de puissance peuvent produire des décalages dans certaines régions de la courbe de réponse en fréquence, et ces décalages peuvent être identifiés par une inspection visuelle.

Figure 6 : modèle de transformateur monophasé à basses fréquences

Figure 7 : modèle de transformateur monophasé à 1 MHz [3]

Figure 8 : caractéristiques d'une courbe SFRA

Bonnes pratiques en matière de tests SFRA

La SFRA est une méthode d'essai non destructive basse tension (10 V). Les bonnes pratiques doivent être respectées pour garantir la qualité des résultats.

Application d'une tension de test constante

Il a été démontré que la réponse basse fréquence est principalement déterminée par les propriétés magnétiques du transformateur. 

On suppose généralement que la perméabilité du matériau du noyau magnétique est constante, mais ce n'est pas le cas en pratique. Elle varie en fonction de la tension appliquée. La réponse en fréquence est mesurée à une tension relativement faible, environ 10 volts seulement. 

La perméabilité du noyau change rapidement à ce niveau de tension.

Figure 9 : courbe B-H et courbe μ-H du matériau du noyau du transformateur (B27G130 silicium-fer [4])

La perméabilité du noyau varie en fonction de la tension appliquée, ce qui fait que les réponses SFRA dépendent de la tension des basses fréquences. Une tension constante est donc très importante pour les tests SFRA. 

Un instrument de test avec tension de sortie variable est suggéré afin que le test puisse être effectué à la même tension que la courbe de référence.

Figure 10 : résultats de l'analyse SFRA avec différentes tensions appliquées

Surveillance de la position du changeur de prise

Les positions du changeur de prise doivent être identiques à celles utilisées pour les tests de référence, sinon les réponses de fréquence seront différentes et ne pourront pas être comparées. 

Si la prise maximale est sélectionnée, l'ensemble du changeur de prise est examiné par le test. Cela s'applique à la fois au DETC et à l'OLTC. En général, le test est effectué en position d'enroulement complet et en position neutre.

La démagnétisation comme première étape

Le flux résiduel a une influence sur les résultats SFRA. Après le test de résistance de l'enroulement, le point de départ passe du point 0 au point 1 ou au point 2 sur la courbe d'hystérésis (voir Figure 11). 

Étant donné que le flux résiduel modifie considérablement l'inductance du noyau, il est recommandé d'effectuer le test SFRA avant tout autre test ou immédiatement après la démagnétisation, ce qui fait revenir le point de départ au point 0.

Figure 11 : réponses SFRA obtenues avant et après démagnétisation

Respect des bonnes pratiques de mise à la terre

La partie haute fréquence de la réponse est très sensible aux interférences électromagnétiques, le système de test doit donc être résistant au bruit. 

L'une des approches les plus courantes est l'utilisation du câble coaxial. Le conducteur central du câble est connecté à la borne du transformateur tandis que le conducteur extérieur est connecté au châssis de l'instrument, qui doit être mis à la terre. 

Cette pratique empêche le conducteur central de capter le bruit.

Figure 12 : deux systèmes de mise à la terre

Il est assez courant que la masse du transformateur (masse de la sous-station) ne soit pas la même que la masse de l'instrument. 

Dans de tels cas, le courant et la tension entre la terre du transformateur et la terre de l'instrument peuvent affecter le résultat du test. 

Pour améliorer la répétabilité, il est nécessaire de connecter la terre du câble (blindage) et la terre du transformateur avec les tresses plates les plus courtes possibles, comme illustré à la Figure 1.

Figure 13 : résultats obtenus avec différentes pratiques de mise à la terre

Conclusion

La SFRA est une technique de test inestimable sensible aux problèmes qui seraient autrement difficiles à détecter sans démonter le transformateur, un exercice coûteux et très peu pratique. 

Toutefois, pour obtenir les résultats les plus représentatifs, il convient d'utiliser un ensemble de tests de haute qualité dont les performances ont été éprouvées, de respecter les bonnes pratiques lors des tests et d'interpréter les résultats avec soin, conformément aux directives données dans cet article.

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Références

• [1] J.C. Gonzales et 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 et 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 et S. Gubanski, « High-Frequency Modeling of Power Transformers for Use In Frequency Response Analysis », IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 23, No.4, 2008
• [4] Manuel technique de Baosteel GO Silicon Steel Products, 2008