Analisi della risposta in frequenza sweep

L'analisi della risposta in frequenza sweep (SFRA) è un metodo potente e accurato per valutare l'integrità meccanica di nucleo, avvolgimenti e strutture di serraggio all'interno dei trasformatori di potenza. Il suo principio di base consiste nella misurazione delle funzioni di trasferimento elettrico dei trasformatori su un'ampia gamma di frequenze. L'obiettivo dell'analisi SFRA è controllare se si sono verificati spostamenti fisici nella parte attiva del trasformatore, a causa dell'invecchiamento o di eventi particolari, come un guasto da cortocircuito e danni durante il trasporto. I risultati della prova vengono confrontati con un riferimento in modo da poter rilevare un'ampia gamma di tipologie di guasto, tra cui:

• Movimenti del nucleo
• Masse del nucleo difettose
• Deformazioni degli avvolgimenti
• Spostamenti dell'avvolgimento
• Cedimento parziale dell'avvolgimento
• Deformazione dell'anello
• Rottura delle strutture di serraggio
• Curve in corto e avvolgimenti aperti
• Ecc.

Figura 1 – impostazione del test SFRA e diagramma schematico dello strumento di test

Parametri misurati e interpretazione dei risultati

Il metodo dell'analisi SFRA prevede l'inserimento di un segnale su un terminale del trasformatore e la misurazione del segnale risultante su un altro terminale, come illustrato nella Figura 1. I parametri misurati sono la tensione terminale applicata e la risultante in un altro terminale. Il risultato viene mostrato in termini di ampiezza (dB) e angolo di fase (°), espressi come:

La tensione è quella misurata attraverso un resistore da 50 Ohm, proporzionale alla corrente che scorre attraverso l'avvolgimento del trasformatore. Pertanto, l'ampiezza rappresenta le informazioni sull'admittanza del trasformatore. I risultati del test sono solitamente mostrati come l'ampiezza tracciata rispetto alla frequenza su una scala logaritmica. Vengono misurate rispettivamente tre fasi e quindi confrontate l'una con l'altra, come mostrato nella Figura 2. Tre tracce identiche indicano una buona condizione, mentre grandi deviazioni possono indicare l'esistenza di un problema come la deformazione.

a)

(b)

(c)
Figura 2 – Il trasformatore (a) in buone condizioni (b) con curve in corto in una fase (c) in pessime condizioni

Per un trasformatore trifase con due avvolgimenti, è consigliabile eseguire almeno nove test, come illustrato nella Figura 3.

• Misurare le risposte delle tre fasi dal lato HV con il lato LV in cortocircuito
• Misurare le risposte delle tre fasi dal lato HV con il lato LV in circuito aperto
• Misurare le risposte delle tre fasi dal lato LV con il lato HV in circuito aperto

Figura 3 – Tipico risultato SFRA di un trasformatore trifase

La misurazione "aperta" calcola l'impedenza di eccitazione del trasformatore, mentre la "corta" determina l'impedenza di cortocircuito del trasformatore. È importante sottolineare che per le misurazioni "aperte", la traccia della fase B può spesso discostarsi da quelle delle fasi A e C alle basse frequenze, a causa della struttura del nucleo. Tale comportamento non deve essere interpretato come un difetto. Con l'aumentare della frequenza, l'induttanza introdotta dal nucleo inizia a diminuire e poi scompare. Le misurazioni "aperta" e "corta" offrono gli stessi risultati alle alte frequenze.

Oltre al confronto tra le fasi, esistono altri due metodi comparativi:

• Confronto basato sul tempo: I risultati dell'analisi SFRA vengono confrontati con i risultati precedenti della stessa unità. Questo è il metodo più semplice ed efficace per individuare un problema.
• Confronto basato sul tipo: L'analisi SFRA di un trasformatore viene confrontata con un tipo di trasformatore simile. Un trasformatore gemello è considerato tale se presenta gli stessi dati di targa e solitamente è dello stesso produttore.

Possono essere identificate diverse tipologie di guasto osservando le variazioni della curva di analisi SFRA in specifici intervalli di frequenza. La forma della curva a bassa frequenza è determinata dal circuito magnetico di un trasformatore. Quindi, i problemi del nucleo, le curve in corto e i trefoli rotti cambiano forma. La capacità di avvolgimento in massa è di circa pochi nanofarad e inizia a influenzare la curva di analisi SFRA da alcuni kHz. La capacità del disco di avvolgimento è piuttosto ridotta e inizia a svolgere un ruolo nell'intervallo di frequenza più elevato. La Tabella 1 può aiutare i tecnici dei test a identificare il problema specifico in base alle differenze di curva in determinati intervalli di frequenza.

Dopo aver scaricato il trasformatore, la deformazione mostrata nella Figura 4 ha prodotto la risposta di frequenza mostrata nella Figura 5. Si può notare che la curva della fase B cambia il suo schema dopo il guasto. La deviazione è compresa tra 500 Hz e 500 kHz, il che suggerisce che il nucleo è integro, mentre l'avvolgimento risulta deformato. La differenza è più evidente nell'intervallo tra 1 e 10 kHz, mentre la parte a bassa frequenza risulta nella norma. Secondo quanto indicato nella Tabella 3, il problema è molto probabilmente dovuto alla deformazione dell'avvolgimento in massa.

Figura 4 – Guasto da deformazione dell'avvolgimento del trasformatore [2]

Figura 5 – Risposte di frequenza sweep del trasformatore che presenta un guasto da deformazione dell'avvolgimento

Modellazione del trasformatore

Per capire perché il test SFRA è in grado di rilevare così tante anomalie meccaniche difficili da rilevare con altri metodi, è necessario analizzare il modello di circuito equivalente del trasformatore sottoposto a test. Il modello descritto in questo articolo è valido per i trasformatori monofase.

A basse frequenze (< 1 kHz), il modello di circuito equivalente dei trasformatori è mostrato nella Figura 6. È costituito da un trasformatore ideale, dall'impedenza di eccitazione e dalle impedenze di dispersione degli avvolgimenti HV e LV.  Quando il segnale SFRA viene inserito dall'avvolgimento HV con avvolgimento LV aperto, si misura di fatto l'impedenza di eccitazione. Tale impedenza aumenta in modo lineare con la frequenza del test, formando così una retta su scala logaritmica.

Con l'aumentare della frequenza, inizia a comparire l'effetto capacitivo e l'induttanza del nucleo diventa meno dominante. Il primo punto di risonanza è la risonanza dell'induttore, determinata dall'avvolgimento e dal nucleo, e il condensatore, costruito mediante avvolgimento e massa (nucleo e serbatoio).

Alla massima frequenza, la risonanza è dovuta all'auto-induttanza dei conduttori (nH/m) e al condensatore dei dischi/spire di avvolgimento. Il circuito equivalente ad alta frequenza è illustrato nella Figura 7. Il numero rappresenta le spire dell'avvolgimento. Ogni spira è costituita da auto-induttanza, induttanza reciproca e resistenza. Inoltre, sono presenti condensatori tra spire (un condensatore ideale più la componente dissipativa) e condensatori spira-massa.

I guasti interni del trasformatore di potenza possono generare spostamenti in alcune aree della curva di risposta della frequenza, che possono essere identificati tramite ispezione visiva.

Figura 6 – Modello di trasformatore monofase a basse frequenze

Figura 7 – Modello di trasformatore monofase a 1 MHz [3]

Figura 8 – Caratteristiche di una curva SFRA

Buone pratiche nel test SFRA

Il test SFRA è un metodo di test non distruttivo a bassa tensione (10 V). Per garantire la qualità dei risultati, è necessario attenersi alle buone pratiche.

Applicazione di una tensione del test costante

È stato dimostrato che la risposta a bassa frequenza è determinata principalmente dalle proprietà magnetiche del trasformatore. La permeabilità del materiale del nucleo magnetico è generalmente considerata costante, ma nella pratica non lo è: varia in base alla tensione applicata. La risposta in frequenza viene misurata a una tensione piuttosto bassa, intorno ai soli 10 V. La permeabilità del nucleo cambia rapidamente a questo livello di tensione.

Figura 9 – Curva B-H e curva μ-H del materiale del nucleo del trasformatore (ferrosilicio B27G130 [4])

La permeabilità del nucleo varia in base alla tensione applicata, rendendo le risposte SFRA dipendenti dalla tensione alle basse frequenze. La tensione costante è quindi molto importante per il test SFRA. Si raccomanda l'uso di strumenti di test che consentano la regolazione della tensione in uscita, così da eseguire le prove alla stessa tensione utilizzata nella curva di riferimento.

Figura 10 – Risultati SFRA con diverse tensioni applicate

Controllo della posizione del commutatore di prese

Le posizioni del commutatore di prese devono essere identiche a quelle utilizzate per i test di riferimento, altrimenti le risposte di frequenza saranno diverse e non potranno essere confrontate. Se si seleziona la presa massima, l'intero commutatore di prese viene esaminato dal test. Ciò vale sia per il DETC che per l'OLTC. In genere, il test viene eseguito in posizione di avvolgimento massimo e in posizione neutra.

La smagnetizzazione prima di tutto

Il flusso residuo influenza i risultati del test SFRA. Dopo il test della resistenza dell'avvolgimento, il punto di partenza sulla curva di isteresi va dal punto 0 al punto 1 o 2, vedere la Figura 11. Poiché il flusso residuo cambia significativamente l'induttanza del nucleo, si consiglia di eseguire il test SFRA prima di qualsiasi altro test o subito dopo la smagnetizzazione, così da riportare il nucleo magnetico al punto 0 della curva.

Figura 11 – Risposte SFRA ottenute prima e dopo la smagnetizzazione

Buone pratiche di messa a terra

La parte ad alta frequenza della risposta è molto sensibile alle interferenze elettromagnetiche, pertanto è fondamentale assicurarsi che il sistema di test sia resistente al rumore. Un approccio ampiamente utilizzato è l'uso del cavo coassiale. Il conduttore centrale del cavo è collegato al terminale del trasformatore, mentre il conduttore esterno è collegato al telaio dello strumento, che deve essere collegato a terra. Questa pratica impedisce al conduttore centrale di assorbire il rumore.

Figura 12 – Due sistemi di messa a terra

È abbastanza comune che la messa a terra del trasformatore (messa a terra della sottostazione) non coincida con quella dello strumento. In questi casi, la corrente e la tensione tra la messa a terra del trasformatore e quella dello strumento possono compromettere il risultato del test. Per migliorare la ripetibilità, è necessario collegare la messa a terra del cavo (schermatura) e quella del trasformatore utilizzando trecce piatte e il più corte possibile, come illustrato nella Figura 1.

Figura 13 – Risultati ottenuti con diverse pratiche di messa a terra

Conclusione

L'analisi SFRA è una tecnica di test preziosa, in grado di rilevare problemi che altrimenti sarebbero difficili da individuare senza smontare il trasformatore, una pratica costosa e molto scomoda. Per ottenere i risultati più rappresentativi, tuttavia, è indispensabile utilizzare un'apparecchiatura di test di alta qualità e dalle prestazioni comprovate, osservare le buone pratiche durante il test e interpretare i risultati con attenzione, seguendo le linee guida illustrate in questo articolo.

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Fonti

• 1] J.C. Gonzales and 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 and 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, Vol. 23, No.4, 2008
• [4] Technical Manual of Baosteel GO silicon Steel Products, 2008