Risposta in frequenza delle correnti parassite nei trasformatori
Questo articolo ha lo scopo di far familiarizzare i lettori con i test di risposta in frequenza delle correnti parassite (FRSL) per i trasformatori, una preziosa tecnica di verifica che sta rapidamente ottenendo riconoscimento nel settore grazie alla sua capacità di rilevare problemi che verrebbero trascurati da altri metodi di test elettrici.
Gli strumenti di verifica FRSL per i trasformatori sono stati discussi ed esaminati per la prima volta da Hydro Quebec negli anni Settanta per via della loro capacità di rilevare le deformazioni degli avvolgimenti. Hydro Quebec ha esaminato contemporaneamente il metodo di analisi della risposta in frequenza di scansione (SFRA) e il test della reattanza di dispersione per lo stesso scopo; in seguito, i test SFRA, insieme al test della reattanza di dispersione, sono diventati gli strumenti accettati per confermare la deformazione dell'avvolgimento.
Per un certo periodo di tempo, il test FRSL non venne molto utilizzato, fino a quando non vennero evidenziati i suoi punti di forza nella diagnostica, prima ignorati. In particolare, si rivelò notevole la scoperta che il test FRSL è molto utile per rilevare cortocircuiti tra singoli trefoli all'interno di un fascio di conduttori. Si tratta di una modalità di guasto che, fino all'avvento del test FRSL, non era possibile rilevare con i metodi di test elettrici.
Un fascio di conduttori può essere composto da un qualsiasi numero di trefoli isolati singolarmente. Quando due o più di questi trefoli sono in corto tra loro, non si tratta di un guasto tra spire né di un cortocircuito parziale tra spire. Quest'ultima situazione si verifica quando uno o più trefoli all'interno di un fascio di conduttori sono in cortocircuito con uno o più trefoli in una spira adiacente del fascio di conduttori. Il test della corrente di eccitazione può ad esempio rivelare un cortocircuito parziale tra spire, ma non rileva un cortocircuito tra trefoli
Premessa
Per poter esaminare i test FRSL, è necessario tenere presente alcune nozioni di base sui trasformatori. La prima è che la corrente che attraversa un conduttore crea un campo magnetico attorno al conduttore stesso e, se si tratta di una corrente alternata, il campo magnetico risultante varierà nel tempo. La seconda è che se un flusso magnetico variabile nel tempo attraversa un conduttore, induce una tensione all'interno di quel conduttore.
L'azione del trasformatore consiste nell'uso di un campo magnetico variabile nel tempo creato facendo passare una corrente CA attraverso un avvolgimento del trasformatore per indurre una tensione in un secondo avvolgimento. Se entrambi gli avvolgimenti sono avvolti intorno a un nucleo del trasformatore in acciaio, la maggiore parte del campo magnetico creato dal primo avvolgimento si collegherà al secondo avvolgimento, poiché il ferro-silicio utilizzato in tali nuclei è un conduttore eccellente per il passaggio del flusso magnetico.
Quando un trasformatore viene eccitato ma non trasporta il carico, la corrente è presente solo nell'avvolgimento primario. Questa viene definita corrente di eccitazione ed è un riflesso della quantità di energia necessaria per forzare l'azione del trasformatore, che è un processo di immagazzinamento e consumo di energia. Bisogna notare che, in queste condizioni, il nucleo in acciaio trasporta tutto il flusso.
Al contrario, quando un trasformatore è collegato a un carico ed è eccitato, la corrente fluisce sia nell'avvolgimento primario che in quello secondario. L'azione combinata del flusso di corrente in entrambi gli avvolgimenti fa fuoriuscire parte del flusso dal nucleo per la maggior parte o per parte del suo percorso. Questo fenomeno è noto come flusso di dispersione.
Figura 1: grafico delle linee di flusso quando il trasformatore è eccitato e gli avvolgimenti di bassa tensione sono in cortocircuito
Il problema del flusso di dispersione è che è discriminante, in quanto non attraversa in modo uniforme e coerente tutte le spire degli avvolgimenti. Ad esempio, se nella Figura 1 contiamo le linee di flusso di dispersione che attraversano l'avvolgimento a bassa tensione (LV) e quelle che attraversano l'avvolgimento ad alta tensione (HV), vediamo che le linee del flusso di dispersione che attraversano l'avvolgimento ad alta tensione sono considerevolmente di più. Il flusso di dispersione indurrà quindi una tensione diversa nell'avvolgimento primario rispetto all'avvolgimento secondario. Ma cosa significa tutto questo nella pratica?
Quando si diseccita un trasformatore e si esegue un test del rapporto di spire del trasformatore, il rapporto tra la tensione misurata nel primario e la tensione misurata nel secondario dovrebbe rappresentare il rapporto tra il numero di spire del primario e il numero di spire del secondario. Il test conferma la presenza del numero di spire come da progetto e come dichiarato dal produttore del trasformatore e quindi non vi sono spire "mancanti" a causa di circuiti aperti o cortocircuiti. Se tutto è corretto, il rapporto di spire misurato corrisponde al rapporto tra la tensione del primario e la tensione del secondario riportata sulla targhetta dati.
Tuttavia, quando il trasformatore viene eccitato e sottoposto a un carico, a causa del flusso di dispersione, il rapporto tra tensione del primario e tensione del secondario non è più uguale a quello del trasformatore quando era senza carico. Questo fenomeno si riflette nel circuito equivalente di un trasformatore mediante componenti induttivi separati sul lato primario e secondario.
Quando il flusso di dispersione attraversa gli avvolgimenti primario o secondario e induce una tensione, genera correnti parassite all'interno degli avvolgimenti, che contribuiscono alle perdite totali nel trasformatore. Le perdite parassite possono essere attribuite a due diversi effetti: l'effetto pelle e l'effetto di prossimità. Questi effetti differiscono in linea di principio, ma entrambi determinano una distribuzione non uniforme della corrente all'interno dei conduttori che compongono gli avvolgimenti del trasformatore. Di conseguenza, l'area effettiva della sezione trasversale che trasporta la corrente di questi conduttori è ridotta, pertanto la loro resistenza effettiva aumenta.
L'effetto pelle è dovuto a correnti parassite contrapposte indotte all'interno del conduttore che annullano il flusso di corrente al centro del conduttore e lo rinforzano nelle aree periferiche. Ciò significa che la maggior parte della corrente fluisce nel perimetro esterno, o pelle, del conduttore. La profondità della pelle, o penetrazione, è una misura della profondità alla quale la densità di corrente scende a 1/e del suo valore sulla superficie, dove "e" è pari a 2,718, la base dei logaritmi naturali.
Minore è la profondità della pelle, maggiori sono la limitazione del flusso di corrente e la resistenza CA effettiva del conduttore. Anche la profondità della pelle rispetto al diametro di un conduttore è importante; maggiore è la penetrazione di corrente attraverso il conduttore, minori sono le perdite parassite. Potrebbe accadere che una profondità della pelle ridotta in un conduttore di diametro piccolo, ovvero un trefolo, comporti una maggiore penetrazione di corrente nel trefolo rispetto a una profondità della pelle leggermente maggiore in un conduttore di diametro molto più grande.
Dividere un conduttore in trefoli isolati singolarmente e garantire che ogni trefolo racchiuda lo stesso flusso limiterà la circolazione delle correnti parassite da un trefolo all'altro attraverso le interconnessioni di terminazione. Ciò è ottenibile grazie alla trasposizione, che ridurrà inoltre le perdite.
Quando si crea un cortocircuito tra due o più trefoli all'interno di un fascio di conduttori, le perdite parassite aumentano. Il trefolo amalgamato aumenta in diametro e, a seconda della posizione del corto, la nuova composizione di trefoli potrebbe non includere più un flusso identico, con conseguenti correnti parassite ulteriori. Queste perdite aggiuntive culmineranno in un aumento della resistenza CA misurata in condizioni di carico simulate del trasformatore.
Il test FRSL consiste essenzialmente nella stessa misurazione del test di reattanza di dispersione (LRT); tuttavia, nel test FRSL viene valutata la parte resistiva della misurazione, mentre con il test LRT viene considerata l'impedenza di cortocircuito, costituita sia dai componenti resistivi che reattivi. Inoltre, il test FRSL viene eseguito a diverse frequenze discrete comprese, ad esempio, tra 1 Hz e 500 Hz.
La misurazione ad alta frequenza è fondamentale perché in questo caso l'influenza dell'effetto pelle è più pronunciata e la resistenza attribuita alle influenze CA rappresenta una percentuale maggiore della misurazione della resistenza. Pertanto, un guasto tra trefoli in via di sviluppo o già formatosi, che porterà a maggiori perdite parassite, sarà rilevabile solo a frequenze più elevate e non alla frequenza operativa.
Analisi dei risultati del test FRSL
L'analisi dei risultati FRSL viene eseguita in modo ottimale effettuando confronti con i risultati dei test precedenti eseguiti sullo stesso trasformatore. Se ciò non è possibile, si possono confrontare i risultati di ciascuna fase, che dovrebbero essere molto simili tra loro.
La Figura 2 mostra la forma della curva prevista (un esponenziale uniforme) e un confronto di fase.
Figura 2a e b: risultati del test FRSL forniti nel software FRAX al termine del test SFRA
Se è presente un offset verticale di un'intera curva di fase dalle altre curve bifase, è necessario controllare i collegamenti di cortocircuito sulla fase anomala, cercare di correggerli e ripetere il test. È necessario esaminare i risultati del test di resistenza dell'avvolgimento nel caso in cui vi sia un'anomalia corrispondente associata alla fase anomala, in quanto un offset verticale indica un aumento della resistenza del percorso che trasporta la corrente.
I trefoli in corto circuito si rivelano nei dati sotto forma di curve che si sovrappongono alle basse frequenze e iniziano a divergere a frequenze più alte. La guida del CIGRE per la manutenzione dei trasformatori pubblicata da Working Group A2.34 definisce il criterio di errore per la diagnostica FRSL come una differenza nella resistenza CA tra le fasi superiore al 15%. Tuttavia, un problema può manifestarsi con una deviazione molto minore tra le fasi, pertanto è necessario prestare attenzione durante la valutazione dei risultati.
Anche se la curva di una fase differisce solo del 2 - 3% rispetto alle altre fasi, ciò potrebbe indicare un guasto di cortocircuito tra trefoli paralleli. Ciò rende ancora più necessari i risultati dei test precedenti, poiché i confronti con i risultati storici permettono di trarre più facilmente conclusioni sui cambiamenti che potrebbero essersi verificati.
Esecuzione dei test FRSL
Anche se alcuni utenti potrebbero non rendersene conto, quando si esegue un test SFRA con un'apparecchiatura di verifica FRAX di Megger, viene eseguito anche un test FRSL. Il software FRAX fornisce automaticamente i risultati FRSL, come mostrato nell'esempio seguente.
Nel menu Configuration (Configurazione), Models (Modelli), selezionare Impedence (Impedenza), R (Impedence) (Destra (Impedenza)) e L (Impedence) (Sinistra (Impedenza))
Nel menu Configuration (Configurazione), Graph Views (Viste grafico), assicurarsi che l'opzione Impedance (impedenza) sia abilitata.
Ora è possibile tracciare l'impedenza (Ohm), la resistenza (Ohm) e/o l'induttanza (Henry). Le formule sono valide solo per le basse frequenze. I seguenti grafici, a basse frequenze, mostrano, dall'alto verso il basso:
♦ Tre grafici di impedenza come funzione della frequenza (aumenta con la frequenza poiché l'induttanza domina)
♦ Tre grafici di resistenza come funzione della frequenza (FRSL)
♦ Tre grafici di induttanza come funzione della frequenza (importante per la deformazione dell'avvolgimento)
Utilizzando la finestra di zoom, Figura 2, è facile vedere che, in questo caso, il test FRSL fornisce una buona risposta senza alcuna indicazione di problemi.
Author - Jill Duplessis - Global technical marketing manager
