Analiza odpowiedzi częstotliwościowej przemiatania

Podstawą jest pomiar funkcji przepływu transformatorów w szerokim zakresie częstotliwości. Celem SFRA jest sprawdzenie, czy w aktywnej części transformatora wystąpiły fizyczne przemieszczenia z powodu starzenia lub w wyniku określonego zdarzenia, takiego jak zwarcie lub transport. 

Wyniki pomiaru są porównywane z wartościami odniesienia, dzięki czemu można wykryć różne typy usterek, takie jak:

• przemieszczenia rdzenia,
• wadliwe uziemienie rdzenia,
• odkształcenia uzwojenia,
• przemieszczenie uzwojenia,
• częściowe zapadnięcie uzwojenia,
• wyboczenie obwodowe,
• uszkodzenie mocowań,
• zwarcia zwojowe i przerwy w uzwojeniu.

Rysunek 1 — konfiguracja analizy SFRA i schemat przyrządu pomiarowego

Mierzone parametry i interpretacje wyników

Metoda SFRA polega na wprowadzeniu sygnału na jednym zacisku transformatora i pomiarze sygnału wynikowego na innym zacisku, jak pokazano na rysunku 1. 

Mierzone parametry to napięcie podawane na jednym zacisku oraz wynik na drugim zacisku. Wynik jest przedstawiony jako amplituda (dB) i przesunięcie fazowe (°), które są wyrażone w następujący sposób:

Napięcie to napięcie na rezystorze 50 Ω, proporcjonalne do prądu przepływającego przez uzwojenie transformatora. Dlatego amplituda przedstawia informacje o przepustowości transformatora. 

Wyniki pomiarów są zwykle przedstawiane jako amplituda pokazywana w odniesieniu do częstotliwości na skali logarytmicznej. Pomiary obejmują odpowiednio trzy fazy, a następnie wyniki są ze sobą porównywane, jak pokazano na rysunku 2. 

Trzy identyczne ślady informują o dobrym stanie, natomiast duże odchylenia mogą sygnalizować występowanie problemu, takiego jak odkształcenie.

a)

(b)

(c)
Rysunek 2 — transformator (a) w dobrym stanie (b) ze zwarciem zwojowym w jednej fazie (c) w bardzo złym stanie

W przypadku transformatora trójfazowego z dwoma uzwojeniami wykonywanych jest co najmniej dziewięć pomiarów, jak pokazano na rysunku 3.

• Zmierz odpowiedzi na trzech fazach od strony wysokiego napięcia przy zwarciu po stronie niskiego napięcia
• Zmierz odpowiedzi na trzech fazach od strony wysokiego napięcia przy przerwie w obwodzie po stronie niskiego napięcia
• Zmierz odpowiedzi na trzech fazach od strony niskiego napięcia przy przerwie w obwodzie po stronie wysokiego napięcia

Rysunek 3 — typowy wynik analizy SFRA transformatora trójfazowego

Pomiar przy przerwie w obwodzie mierzy impedancję wzbudzenia transformatora, natomiast pomiar przy zwarciu mierzy impedancję zwarciową transformatora. 

Należy pamiętać, że w wynikach pomiarów przy przerwie w obwodzie wykres fazy B często odbiega od wykresów fazy A i C przy niskich częstotliwościach ze względu na strukturę rdzenia. 

Nie należy traktować tego jako wady. Wraz ze wzrostem częstotliwości indukcyjność wprowadzana przez rdzeń zaczyna maleć, a następnie znika. Pomiary przy przerwie w obwodzie i przy zwarciu dają takie same wyniki przy wysokich częstotliwościach.

Oprócz porównywania faz dostępne są jeszcze dwie metody porównywania:

• Porównanie w czasie: Wyniki analizy SFRA są porównywane z wynikami poprzednich pomiarów tej samej jednostki. Jest to najłatwiejsza i najskuteczniejsza metoda, dzięki której można rozpoznać problem.
• Porównanie z wykorzystaniem typu: Analiza SFRA jednego transformatora jest porównywana z analizą transformatora podobnego typu. Transformator siostrzany to taki, który ma takie same dane na tabliczce znamionowej i zwykle pochodzi od tego samego producenta.

Na podstawie zmiany krzywej SFRA w określonych zakresach częstotliwości można wykryć różne usterki. Kształt krzywej niskiej częstotliwości zależy od obwodu magnetycznego transformatora. Dlatego problemy z rdzeniem, zwarcia zwojowe i uszkodzenia uzwojeń powodują zmiany tego kształtu. 

Pojemność całego uzwojenia wynosi około kilku nanofaradów i zaczyna wpływać na krzywą SFRA od kilku kHz. Pojemność cewki uzwojenia jest dość mała i zaczyna odgrywać rolę przy najwyższym zakresie częstotliwości. 

Tabela 1 może pomóc inżynierom wykryć określony problem w oparciu o różnice przebiegu krzywej w określonych zakresach częstotliwości.

Po opróżnieniu zbiornika transformatora odkształcenie przedstawione na rysunku 4 dało odpowiedź częstotliwościową pokazaną na rysunku 5. 

Widać, że krzywa fazy B zmienia przebieg po wystąpieniu usterki. Odchylenie występuje w zakresie od 500 Hz do 500 kHz, dlatego można stwierdzić, że rdzeń jest sprawny, ale uzwojenie jest odkształcone. Różnica jest najbardziej oczywista w zakresie od 1 do 10 kHz, podczas gdy część przy niskiej częstotliwości jest prawidłowa. 

Zgodnie z tabelą 3, problemem jest najprawdopodobniej odkształcenie całego uzwojenia.

Rysunek 4 — wyboczenie uzwojenia transformatora [2]

Rysunek 5 — odpowiedzi częstotliwościowe przemiatania transformatora z wyboczeniem uzwojenia

Modelowanie transformatorów

Aby zrozumieć, dlaczego analiza SFRA pozwala wykryć tak wiele usterek mechanicznych, które są trudne do wykrycia innymi metodami, należy przeanalizować model równoważnego obwodu badanego transformatora. Model omówiony w tym artykule dotyczy transformatorów jednofazowych.

Przy niskich częstotliwościach (<1 kHz) model równoważnego obwodu transformatorów pokazano na rysunku 6. Obejmuje idealny transformator oraz impedancję wzbudzenia i impedancje upływu uzwojeń GN i DN. 

Gdy sygnał SFRA jest podawany z uzwojenia GN przy przerwie w uzwojeniu DN, w rzeczywistości mierzona jest impedancja wzbudzenia. Impedancja wzrasta liniowo wraz z częstotliwością probierczą i tworzy w ten sposób linię prostą na skali logarytmicznej.

Wraz ze wzrostem częstotliwości zaczyna pojawiać się efekt pojemnościowy, a indukcyjność rdzenia staje się mniej dominująca. Pierwszym punktem rezonansowym jest rezonans induktora, zależny od uzwojenia i rdzenia oraz kondensatora, generowany przez uzwojenie i uziemienie (rdzeń i zbiornik).

Przy najwyższej częstotliwości rezonans jest wynikiem samoindukcyjności przewodników (nH/m) i kondensatora cewek/zwojów uzwojenia. Obwód równoważny wysokiej częstotliwości przedstawiono na rysunku 7. 

Liczba reprezentuje zwoje uzwojenia. W każdym zwoju występuje samoindukcja, indukcja wzajemna i rezystancja. Oprócz tego dostępne są kondensatory instalowane między zwojami (idealny kondensator i składowa strat) oraz kondensatory instalowane między zwojami i uziemieniem.

Wewnętrzne usterki transformatora mocy mogą powodować zmiany w niektórych obszarach krzywej odpowiedzi częstotliwościowej — te zmiany można wykryć w procesie kontroli wzrokowej.

Rysunek 6 — model transformatora jednofazowego przy niskich częstotliwościach

Rysunek 7 — model transformatora jednofazowego przy 1 MHz [3]

Rysunek 8 — charakterystyka krzywej SFRA

Dobre praktyki przy analizie SFRA

Analiza SFRA to nieniszcząca metoda badania z zastosowaniem niskiego napięcia (10 V). Należy postępować zgodnie z dobrymi praktykami, aby mieć pewność, że uzyskiwane są wysokiej jakości wyniki.

Podać stałe napięcie probiercze

Udowodniono, że odpowiedź częstotliwościowa przy niskiej częstotliwości zależy głównie od właściwości magnetycznych transformatora. 

Przenikalność materiału rdzenia magnetycznego jest zwykle uważana za stałą, ale w praktyce tak nie jest. Występują zmiany zależne od podawanego napięcia. Pasmo przenoszenia jest mierzone przy relatywnie niskim napięciu — tylko około 10 V. 

Przy tym poziomie napięcia dochodzi do szybkiej zmiany przenikalności rdzenia.

Rysunek 9 — krzywa B-H i krzywa μ-H materiału rdzenia transformatora (żelazokrzem B27G130 [4])

Przenikalność rdzenia zmienia się zależnie od podawanego napięcia, w wyniku czego odpowiedzi SFRA przy niskich częstotliwościach zależą od napięcia. Dlatego przy analizie SFRA bardzo ważne jest, aby napięcie było stałe. 

Zaleca się używanie przyrządu pomiarowego obsługującego zmienne napięcie wyjściowe, aby można było wykonać pomiar przy tym samym napięciu, przy którym wygenerowano krzywą odniesienia.

Rysunek 10 — wyniki analizy SFRA przy podawaniu różnych napięć

Należy zwracać uwagę na położenie przełącznika odczepów

Ustawienia przełącznika odczepów muszą być takie same, jak przy pomiarach odniesienia, w przeciwnym razie odpowiedzi częstotliwościowe będą się różnić i nie mogą być porównywane. 

Po wybraniu ustawienia maksymalnego odczepu pomiar obejmuje cały przełącznik odczepów. Dotyczy to zarówno pracy bez obciążenia (DETC), jak i pracy pod obciążeniem (OLTC). Zazwyczaj pomiar wykonuje się przy ustawieniu pełnego uzwojenia i przy ustawieniu neutralnym.

Po pierwsze odmagnesowanie

Strumień resztkowy ma wpływ na wyniki analizy SFRA. Po wykonaniu pomiaru rezystancji uzwojenia punkt początkowy przechodzi z punktu 0 do punktu 1 lub punktu 2 na krzywej histerezy — patrz rysunek 11. 

Ponieważ strumień resztkowy znacząco zmienia indukcyjność rdzenia, zaleca się, aby wykonać pomiar SFRA przed wszelkimi innymi pomiarami lub bezpośrednio po demagnetyzacji, dzięki czemu punkt początkowy powróci do punktu 0.

Rysunek 11 — odpowiedzi SFRA uzyskane przed i po rozmagnesowaniu

Należy przestrzegać zasad prawidłowego uziemienia

Część odpowiedzi częstotliwościowej o wysokiej częstotliwości jest bardzo wrażliwa na zakłócenia elektromagnetyczne, dlatego system pomiarowy powinien być odporny na zakłócenia. 

Jednym z powszechnie stosowanych rozwiązań jest zastosowanie kabla koncentrycznego. Rdzeń kabla podłącza się do zacisku transformatora, a ekran do obudowy przyrządu, która powinna być uziemiona. 

Ta praktyka zapobiega zbieraniu zakłóceń przez rdzeń kabla.

Rysunek 12 — dwa układy uziemienia

Często przyrząd nie jest połączony bezpośrednio z uziemieniem transformatora (podstacji), ale z innym uziemieniem. 

W takich przypadkach prądy i napięcia między uziemieniem transformatora i uziemieniem przyrządu mogą negatywnie wpływać na wynik pomiaru. 

Aby uzyskać lepszą powtarzalność, konieczne jest połączenie uziemienia kabla (ekranu) i uziemienia transformatora przy użyciu możliwie jak najkrótszych taśm plecionych, jak pokazano na rysunku 1.

Rysunek 13 — wyniki uzyskane przy różnych metodach uziemienia

Podsumowanie

Analiza SFRA to bezcenna technika pomiarowa, pozwalająca precyzyjnie wykrywać problemy, które w przeciwnym razie byłyby trudne do wykrycia bez demontażu transformatora, co zawsze wiąże się ze znacznymi kosztami i dużymi nakładami pracy. 

Aby uzyskiwać możliwie jak najlepsze wyniki, należy używać wysokiej jakości systemu pomiarowego o sprawdzonej wydajności, postępować zgodnie z dobrymi praktykami podczas badania i precyzyjnie interpretować wyniki zgodnie z wytycznymi podanymi w niniejszym artykule.

Poznaj ofertę analizatorów odpowiedzi częstotliwościowej przemiatania firmy Megger.

Odniesienia

• [1] J.C. Gonzales i E.E. Mombello: „Diagnosis of Power Transformers through Frequency Response Analysis by Poles and Zeros Shifts Identification”, dystrybucja: Latin America Conference and Exposition (T&D-LA), 2012 Sixth IEEE/PES
• [2] M. Bagheri, M. S. Naderi, T. Blackburn i T. Phung: „FRA vs. Short Circuit Impedance Measurement in Detection of Mechanical Defects within Large Power Transformer”, zapis konferencji 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, wol. 23, nr 4, 2008
• [4] Technical Manual of Baosteel GO silicon Steel Products, 2008