Best practice per l'analisi della risposta in frequenza sweep

Introduzione

Gli standard IEEE e IEC fanno riferimento a numerosi test che possono essere eseguiti per valutare le condizioni di un trasformatore. Uno di questi è l'analisi della risposta in frequenza sweep (SFRA), in cui vengono eseguite scansioni multifrequenza a bassa tensione sul trasformatore. I risultati vengono analizzati per individuare problemi relativi ai componenti interni del trasformatore, tra cui nucleo, avvolgimenti, collegamenti e cavi della presa. I test SFRA sono in grado di rilevare piccoli cambiamenti fisici in questi componenti, ma i risultati possono essere influenzati dal modo in cui viene collegato il set di test, dalle impostazioni specifiche del trasformatore e persino dai test eseguiti in precedenza sul trasformatore. Questo articolo in due parti spiega in che modo collegamenti corretti e test metodici contribuiranno a rendere i risultati dei test SFRA più accurati e ripetibili.

Nozioni di base dei test SFRA

Durante la messa in funzione di un trasformatore trifase a due avvolgimenti, è necessario eseguire 15 test: 

• sei test di circuito aperto (uno per ciascun avvolgimento);
• tre test di cortocircuito (eseguiti sui tre avvolgimenti lato alto con X1, X2, X3 in cortocircuito sul lato basso);
• tre test tra avvolgimenti capacitivi;
• tre test tra avvolgimenti induttivi.  

Tutti i test vengono condotti immettendo una bassa tensione, generalmente 10 Vp-p, su un terminale di un avvolgimento e misurando la risposta sull'altra estremità dell'avvolgimento oppure, per i test tra avvolgimenti, sul terminale corrispondente dell'avvolgimento secondario. A seconda del test, i terminali che non vengono misurati vengono lasciati aperti, in cortocircuito o collegati a massa. La frequenza della tensione del test varia tipicamente da 20 Hz a 2 MHz e il rapporto tra l'uscita e l'ingresso, espresso in dB, viene tracciato in base alla frequenza. Viene tracciata anche la fase rispetto alla frequenza. 

Sebbene ogni trasformatore abbia un'impronta univoca, emerge un modello generale basato sul tipo di trasformatore e sul test eseguito. Se il trasformatore è difettoso, l'analisi dei diversi intervalli di frequenza indica dove potrebbe risiedere il guasto. Con ulteriori analisi, ed eventualmente ulteriori test, potrebbe essere possibile identificare il tipo di guasto e la sua probabile posizione all'interno del trasformatore. 

La maggior parte dei trasformatori ha tre intervalli di frequenza di interesse: le frequenze basse, medie e alte. Le frequenze effettive corrispondenti a ciascun intervallo dipendono dalle dimensioni, dal tipo e dal design del trasformatore. Tuttavia, dalla tipica scansione di un autotrasformatore, mostrata nella Figura 1 (ricavata da IEC 60076-18), si può notare che gli effetti correlati al nucleo del trasformatore dominano l'intervallo di bassa frequenza fino a circa 2 kHz. La scansione inizia con un'ampiezza decrescente basata sulle induttanze magnetizzanti del nucleo, estendendosi fino al minimo che si verifica in un punto di risonanza tra le capacità di massa del trasformatore e l'induttanza magnetizzante del nucleo. Va notato che si tratta di una risposta tipica in cui la fase A e la fase C hanno due minimi locali e quasi si sovrappongono l'una con l'altra, mentre la fase B ha un singolo punto di risonanza minimo locale e risponde in modo diverso per l'intero intervallo. Ciò è dovuto al fatto che la gamba del nucleo nella fase B ha percorsi di ritorno simmetrici per il flusso, a differenza delle fasi A e C.  

Spostandosi nell'intervallo di media frequenza (da 2 kHz a 20 kHz), la risposta è maggiormente influenzata dall'accoppiamento tra gli avvolgimenti, pertanto la forma della curva e i punti di risonanza varieranno a seconda del tipo di collegamento e della disposizione degli avvolgimenti. Man mano che la scansione procede nell'intervallo di alta frequenza da 20 kHz a 1 MHz, le induttanze di dispersione, insieme alla capacità della serie e della messa a terra dell'avvolgimento determinano la forma complessiva. Per entrambi gli intervalli di media e alta frequenza, le curve per tutte e tre le fasi si sovrappongono quasi esattamente poiché la risposta dipende dall'avvolgimento e, in generale, tutti e tre gli avvolgimenti saranno quasi identici. 

Una volta che la scansione si estende oltre 1 MHz per trasformatori superiori a 72,5 kV o oltre 2 MHz per trasformatori fino a 72,5 kV, la risposta dipende maggiormente dalla configurazione di test e dai collegamenti piuttosto che dal trasformatore stesso, anche se i cavi interni alle prese avranno una certa influenza. A questo punto la risposta delle fasi inizierà a divergere. Questi commenti descrivono i risultati tipici; gli intervalli di frequenza effettivi e gli effetti dei vari componenti sulle scansioni variano da trasformatore a trasformatore.

Figura 1: Relazione generale tra frequenza e componente del trasformatore (IEC 60076-18 Figura B.6)

Raccomandazioni per misurazioni coerenti

Lo standard IEEE C57.149 afferma che "la configurazione di test può avere un impatto sui risultati di test. Potrebbe essere difficile determinare se queste variazioni minori sono dovute a differenze nella configurazione di test o ad altri cambiamenti fisici. Pertanto, è importante documentare la configurazione di test e le connessioni per la ripetibilità dei test futuri." Indica inoltre che "le tecniche di messa a terra avranno un effetto significativo sui risultati di test. Le tecniche di messa a terra, compresa la selezione dei conduttori di terra e dei relativi percorsi, devono pertanto essere precise, ripetibili e documentate." La brochure CIGRE 342 e lo standard IEC 60076-18 sottolineano inoltre la necessità di coerenza nei collegamenti e nelle impostazioni del trasformatore. Le raccomandazioni generali di questi tre documenti possono essere sintetizzate come segue:

• Il trasformatore deve essere completamente isolato dall'alta tensione
• La cassa del trasformatore deve essere collegata a terra 
• Lo strumento di test deve essere collegato a terra 
• Il trasformatore deve essere il più vicino possibile alla condizione "in servizio"
  • Notare eventuali differenze quali mancanza di olio, isolatori di trasporto, ecc.
• Tutti i collegamenti esterni degli isolatori devono essere scollegati 
• Se applicabile, registrare la posizione della presa sia per DETC che per LTC
• Il DETC deve essere nella condizione "in servizio" o "come trovato"
• L'LTC deve essere in posizione di massimo sollevamento. Se la scansione viene misurata con l'LTC impostato in posizione neutra, deve raggiungere tale posizione dalla posizione sollevata e devono essere annotate sia la presa che la posizione della presa precedente.
• I cavi di messa a terra devono essere il più possibile corti (senza cavi a spirale) e di tipo a treccia piatta 
• Quando si collegano i cavi di test ai terminali del trasformatore, è necessario effettuare dei collegamenti saldi 
• I test SFRA devono essere eseguiti prima del test di resistenza dell'avvolgimento. Se viene eseguito un test di resistenza dell'avvolgimento, è necessario poi smagnetizzare. 

Seguendo queste regole, il tecnico si assicurerà che le misurazioni effettuate siano quanto più accurate e ripetibili possibile. Quando si analizzano i risultati, sarà quindi più facile determinare se una differenza nella risposta di scansione rispetto all'impronta è dovuta a un cambiamento meccanico effettivo all'interno del trasformatore o semplicemente all'uso di una diversa impostazione o di un diverso collegamento.

Figura 2:  Trasformatore Dyn1 67 kV/12,47 kV 12 MVA 3Φ

Configurazione di test e impostazioni del trasformatore

Per evidenziare alcuni degli effetti che le varie impostazioni sul trasformatore, oltre che la configurazione di test e i collegamenti, possono avere sui risultati, sono state eseguite diverse misurazioni in un periodo di due giorni sul trasformatore Dyn1 67 kV/12,47 kV 12 MVA 3Φ mostrato nella Figura 2. Durante questo periodo, non si sono verificate anomalie interne o cambiamenti fisici nel trasformatore. Sono state modificate solo le impostazioni relative alla configurazione di test, ai collegamenti e alle prese. Inoltre, è stato eseguito un test di resistenza dell'avvolgimento. La sezione successiva descrive i risultati in dettaglio. 

Effetto della magnetizzazione

La presenza di magnetismo residuo nel nucleo può influenzare i risultati nell'intervallo di bassa frequenza. Il magnetismo residuo può essere il risultato di un test di resistenza dell'avvolgimento. Per tale test, nell'avvolgimento viene immessa corrente continua; il nucleo viene magnetizzato e saturato in modo che la caduta di tensione dovuta all'induttanza dell'avvolgimento sia esclusa dalla misurazione. Se il nucleo non viene smagnetizzato dopo questo test, potrebbero verificarsi differenze significative nelle misurazioni SFRA a circuito aperto nell'intervallo di bassa frequenza.

Per dimostrare l'effetto della magnetizzazione del nucleo, è stata eseguita una scansione SFRA a circuito aperto sulla fase B dell'avvolgimento LV del trasformatore con il nucleo in stato smagnetizzato. I test di resistenza dell'avvolgimento sono stati quindi eseguiti a 10 A, 25 A e 50 A. Dopo ciascuno di questi test, è stata eseguita una scansione SFRA a circuito aperto. Le scansioni SFRA eseguite dopo i test di resistenza hanno prodotto la stessa curva, indipendentemente dalla corrente CC utilizzata per il test. Tuttavia, era presente una differenza evidente tra le curve di pre-magnetizzazione e post-magnetizzazione, come illustrato nelle Figure 3 e 4.

Figura 3: Effetto della magnetizzazione sulla risposta di ampiezza (tracce arancioni - pre-magnetizzazione e poi smagnetizzazione)

Figura 4: Effetto della magnetizzazione sulla risposta di fase

Figura 5: Differenza tra i risultati pre e post magnetizzazione del trasformatore

Nell'area di bassa frequenza, la curva si sposta verso l'alto e verso destra dopo la magnetizzazione. Si osserva uno spostamento della prima frequenza di risonanza a circa 500 Hz. Per evidenziare la differenza tra la curva di pre-magnetizzazione e la curva di post-magnetizzazione è stata tracciata una curva delle differenze.

Come si può osservare dalla curva delle differenze nella Figura 5, è presente una notevole differenza nell'intervallo di bassa frequenza di 10 Hz - 3 kHz. Differenze minori sono osservate anche alle frequenze più alte.

Sulla base di queste osservazioni, è chiaro che è necessario prestare attenzione per assicurarsi che il nucleo non si trovi in uno stato magnetizzato durante il test SFRA. Idealmente, i test di resistenza dell'avvolgimento non devono essere eseguiti prima dei test SFRA, ma se ciò è inevitabile, o se si sospetta una magnetizzazione del nucleo, il nucleo deve essere smagnetizzato prima di iniziare il test SFRA.

Figura 6: Terminali del nucleo scollegati dalla messa a terra

Effetto della rimozione della messa a terra del nucleo

Spesso, la misurazione della resistenza di isolamento nucleo-terra è il primo test elettrico eseguito su un trasformatore. Se il tecnico dimentica di collegare a terra il terminale del nucleo dopo il test e inizia il test SFRA, il terminale del nucleo scollegato da terra può provocare una deviazione nella curva. Per simulare questa condizione, il nucleo è stato scollegato dalla messa a terra, come illustrato nella Figura 6.

Figura 7: Risposta di ampiezza del trasformatore con nucleo collegato a terra (blu) e scollegato da terra (rosso)  

Figura 8: Risposta di fase del trasformatore con nucleo collegato a terra (blu) e scollegato da terra (rosso)

Figura 9: Differenza nella risposta di ampiezza tra nucleo collegato a terra e scollegato da terra

Figura 10: (A sinistra) Trecce collegate a terra in corrispondenza della flangia dell'isolatore

Figura 11: (A destra) Trecce collegate a terra in corrispondenza del bordo della piastra di messa a terra.

Le curve nelle Figure 7 e 8 sono state ottenute con scansioni a circuito aperto eseguite sulla fase A HV del trasformatore.

La differenza di ampiezza tra le curve mostrate nelle Figure 7 e 8 è stata tracciata separatamente ed è mostrata nella Figura 9.

Come si può vedere dalla Figura 9, le differenze sono evidenti fino a 9 kHz, poi essenzialmente le curve si sovrappongono a 900 kHz, dopo di che non ci sono ulteriori differenze evidenti. Per impronte e confronti validi, il nucleo deve quindi essere collegato a terra durante il test SFRA.

Effetto della lunghezza della treccia di messa a terra

Poiché le misurazioni SFRA sono sensibili, la messa a terra svolge un ruolo importante. L'anello di messa a terra deve essere il più corto possibile e la messa a terra deve essere collegata utilizzando delle trecce sulla flangia dell'isolatore dove sono collegati i cavi di segnale. Per dimostrare l'effetto della lunghezza dei collegamenti di messa a terra, sono state effettuate due misurazioni. Per una misurazione è stata utilizzata la lunghezza più corta possibile, come mostrato nella Figura 10. Per l'altra misurazione è stata utilizzata l'intera lunghezza della treccia di messa a terra, come mostrato nella Figura 11.

Sono state ottenute le curve illustrate nelle Figure 12 e 13. La curva delle differenze è mostrata nella Figura 14.

Figura 12: Risposta di ampiezza con collegamenti a terra corti e lunghi  

Figura 13: Risposta di fase con collegamenti a terra corti e lunghi  

Figura 14: Diagramma delle differenze delle risposte con collegamenti a terra lunghi e corti

Sostanzialmente non vi sono differenze nelle due curve fino al raggiungimento delle frequenze di 900 kHz e superiori.

Nel gruppo successivo di misurazioni a circuito aperto, mostrato nelle Figure 15 e 16, le trecce di messa a terra sono state rimosse del tutto. La curva delle differenze è mostrata nella Figura 17. Ancora una volta, non vi sono stati cambiamenti nelle frequenze basse e medie, ma la deviazione è aumentata drasticamente nell'intervallo di alta frequenza. Era presente una piccola differenza tra le due curve a 100 kHz, che è inferiore alla frequenza in cui sono state rilevate le differenze prodotte da trecce di messa a terra lunghe e corte. Sopra i 200 kHz, le differenze sono aumentate in modo significativo.

Figura 15: Risposta di ampiezza con messa a terra corretta (blu) e senza messa a terra (rosso)

Figura 16: Risposta di fase con messa a terra corretta (blu) e senza messa a terra (rosso)

Figura 17: Differenza tra la risposta con messa a terra corretta e senza messa a terra

Sono state cambiate anche le disposizioni di messa a terra dello strumento. Tuttavia, non sono state osservate differenze se lo strumento è stato collegato a terra al trasformatore, alla rete della sottostazione o addirittura non è stato collegato a terra. Le risposte di ampiezza e fase sono mostrate nelle Figure 18 e 19. Notare che anche se la messa a terra dello strumento non influisce sulle misurazioni, deve comunque essere sempre collegato a terra per garantire operazioni sicure.  

Figura 18: Risposta di ampiezza con apparecchiatura per il test collegata a terra e scollegata da terra  

Figura 19: Risposta di fase con apparecchiatura per il test collegata a terra e scollegata da terra 

Sulla base di queste osservazioni, la messa a terra dello strumento potrebbe non influire sulle misurazioni, ma la posizione e la lunghezza effettiva delle trecce di messa a terra hanno un effetto sull'intervallo di alta frequenza. Pertanto, è necessario seguire le procedure standard di messa a terra per consentire un confronto accurato dei risultati SFRA.

La seconda parte di questo articolo, che sarà pubblicata in una futura edizione di Electrical Tester, esaminerà l'effetto della posizione della presa, degli invertitori, della lunghezza dei cavi di cortocircuito e l'influenza della tensione di test utilizzata nel test SFRA. Tratterà inoltre degli avvolgimenti di stabilizzazione delta e di come verificare il corretto funzionamento dello strumento di test prima di concludere con un riepilogo delle raccomandazioni principali per un test SFRA affidabile e ripetibile.