Analys av svepfrekvenssvar

Grunden är mätning av transformatorers elektriska överföringsfunktioner över ett brett frekvensområde. Målet med SFRA är att testa om fysiska förskjutningar i den aktiva delen av transformatorn har uppstått på grund av åldrande eller efter en viss händelse, t.ex. kortslutningsfel och transport. 

Testresultaten jämförs med referensen så att ett brett spektrum av feltyper kan upptäckas, inklusive:

• Kärnrörelse
• Felaktig kärnjord
• Lindningsdeformation
• Lindningsförskjutning
• Partiell lindningskollaps
• Ringdeformation
• Trasiga klämstrukturer
• Kortslutna varv och öppna lindningar

Bild 1 – SFRA-testinställning och schematiskt diagram över testinstrumentet

Uppmätta parametrar och resultattolkningar

SFRA-metoden innebär att man injicerar en signal på en transformatorterminal och mäter den resulterande signalen på en annan terminal, vilket visas i bild 1. 

De uppmätta parametrarna är den applicerade terminalspänningen och den resulterande spänningen vid en annan terminal. Resultatet visas i magnitud (dB) och fasvinkel (°) som uttrycks som:

Spänningen är spänningen över ett motstånd på 50 ohm, vilket är proportionellt mot strömmen som flödar genom transformatorns lindning. Därför representerar magnituden transformatorns admittans. 

Testresultaten visas vanligen som magnituden plottad mot frekvensen på en logaritmisk skala. Tre faser mäts och jämförs sedan med varandra såsom visas i bild 2. 

Tre identiska kurvor indikerar gott skick, medan stora avvikelser kan innebära att det finns ett problem, till exempel deformation.

a)

(b)

(c)
Bild 2 – transformatorn (a) i gott skick (b) med kortslutna varv i en fas (c) i mycket dåligt skick

För en trefastransformator med två lindningar bör minst nio tester utföras, enligt bild 3.

• Mät trefassvaren från högspänningssidan med kortslutning på lågspänningssidan
• Mät trefassvaren från högspänningssidan med öppen krets på lågspänningssidan
• Mät trefassvaren från lågspänningssidan med öppen krets på högspänningssidan

Bild 3 – typiskt SFRA-resultat för en trefastransformator

Mätning med ”öppen” mäter transformatorns exciteringsimpedans medan mätning med ”kortslutning” mäter transformatorns kortslutningsimpedans. 

Det är viktigt att påpeka att för mätningar med ”öppen” avviker fas B-kurvan ofta från fas A- och C-kurvorna vid låga frekvenser på grund av kärnstrukturen. 

Det ska inte behandlas som ett fel. När frekvensen ökar börjar induktansen som tillförs av kärnan att minska och försvinner sedan. Mätningar med ”öppen” och ”kortslutning” ger samma resultat vid höga frekvenser.

Förutom att jämföra faser finns det ytterligare två jämförelsemetoder:

• Tidsbaserad jämförelse: SFRA-resultat jämförs med tidigare resultat för samma enhet. Detta är den enklaste och effektivaste metoden för att urskilja ett problem.
• Typbaserad jämförelse: SFRA för en transformator jämförs med en liknande typ av transformator. En systertransformator är en som har samma namnplåtsuppgifter och vanligtvis samma tillverkare.

Olika fel kan identifieras med SFRA-kurvans ändringar inom vissa frekvensområden. Lågfrekvenskurvans form avgörs av transformatorns magnetiska krets. Så kärnproblem, kortslutna varv och avbrutna trådar ändrar den här formen. 

Bulklindningskapaciteten är runt några nanofarad och börjar påverka SFRA-kurvan från några kHz. Lindningskapacitansen är ganska liten och börjar ha betydelse i det högsta frekvensområdet. 

Tabell 1 kan hjälpa testingenjörer att identifiera det specifika problemet baserat på kurvskillnaderna inom vissa frekvensområden.

Efter att en transformator tömts gav den deformation som visas i bild 4 det frekvenssvar som visas i bild 5. 

Som synes ändrar fas B-kurvan sitt mönster efter felet. Avvikelsen är mellan 500 Hz och 500 kHz och slutsatsen är att kärnan är okej, men lindningen är deformerad. Skillnaden är mest uppenbar från 1 till 10 kHz medan lågfrekvensdelen är okej. 

Enligt tabell 3 är problemet troligen bulklindningsdeformation.

Bild 4 – bucklingsfel på transformatorns lindning [2]

Bild 5 – svepfrekvenssvar för den transformator som har lindningsbucklingsfel

Transformatormodellering

För att förstå varför SFRA-testning kan upptäcka så många mekaniska fel som är svåra att upptäcka med andra metoder måste motsvarande kretsmodell för den transformator som testas analyseras. Den modell som beskrivs i den här artikeln gäller för enfastransformatorer.

Vid låga frekvenser (< 1 kHz) visas den motsvarande kretsmodellen för transformatorer i bild 6. Den består av en önskvärd transformator, plus exciteringsimpedans och läckageimpedans för hög- och lågspänningslindningar. 

När SFRA-signalen förs in från högspänningslindningen med öppen lågspänningslindning mäts exciteringsimpedansen. Impedansen ökar linjärt med testfrekvensen och bildar därmed en rak linje på en logaritmisk skala.

När frekvensen ökar börjar den kapacitiva effekten visas och kärninduktansen blir mindre dominant. Den första resonanspunkten är resonansen från induktorn, som fastställs av lindning och kärna, och kondensatorn, som är konstruerad av lindning och jord (kärna och tank).

Vid den högsta frekvensen beror resonansen på självinduktansen hos ledare (nH/m) och lindningskondensatorn för skivor/varv. Kretsen som motsvarar den höga frekvensen visas i bild 7. 

Siffran representerar lindningsvarv. Varje varv består av självinduktans, ömsesidig induktans och motstånd. Dessutom finns det varv-till-varv-kondensatorer (en önskvärd kondensator och förlustkomponenten) och varv-till-jord-kondensatorer.

Interna fel i strömtransformatorn kan orsaka förändringar i vissa områden av frekvenssvarskurvan. Dessa förändringar kan identifieras genom visuell inspektion.

Bild 6 – enfastransformatormodell vid låga frekvenser

Bild 7 – enfastransformatormodell vid 1 MHz [3]

Bild 8 – egenskaper för en SFRA-kurva

God praxis vid SFRA-testning

SFRA är en icke-destruktiv testmetod med låg spänning (10 V). God praxis måste följas för att garantera resultatens kvalitet.

Tillämpa konsekvent testspänning

Det har visat sig att lågfrekvenssvar huvudsakligen avgörs av transformatorns magnetiska egenskaper. 

Det magnetiska kärnmaterialets permeabilitet antas vanligtvis vara konstant, men är inte det i praktiken. Det varierar med den applicerade spänningen. Frekvenssvaret mäts vid ganska låg spänning – endast runt 10 V. 

Permeabiliteten hos kärnan ändras snabbt vid den här spänningsnivån.

Bild 9 – B-H-kurva och μ-H-kurva för transformatorns kärnmaterial (B27G130 silikon-järn [4])

Kärnpermeabiliteten varierar med den applicerade spänningen, vilket gör SFRA-svar vid låga frekvenser spänningsberoende. Konsekvent spänning är därför mycket viktig för SFRA-testning. 

Ett testinstrument med variabel utgångsspänning rekommenderas så att testet kan utföras vid samma spänning som referenskurvan.

Bild 10 – SFRA-resultat med olika applicerade spänningar

Håll ett öga på lindningskopplarens position

Lindningskopplarens positioner måste vara desamma som används för referenstesterna, annars skiljer sig frekvenssvaren åt och kanske inte kan jämföras. 

Om du väljer maximal lindning undersöks hela lindningskopplaren med testet. Detta gäller både DETC och OLTC. Vanligtvis utförs testet med maximal lindning och i neutralläge.

Avmagnetisering först

Kvarvarande flöde påverkar SFRA-resultaten. Efter testet av lindningsmotstånd går startpunkten från punkt 0 till punkt 1 eller punkt 2 på hystereskurvan – se bild 11. 

Eftersom det kvarvarande flödet ändrar kärninduktansen avsevärt rekommenderar vi att du utför SFRA-testet före andra tester eller omedelbart efter avmagnetisering, vilket gör att startpunkten går tillbaka till punkt 0.

Bild 11 – SFRA-svar före och efter avmagnetisering

Följ god jordningspraxis

Den högfrekventa delen av svaret är mycket känslig för elektromagnetiska störningar, så testsystemet bör vara brusresistent. 

En allmänt använd metod är att använda koaxialkabeln. Kabelns mittledare ansluts till transformatorterminalen medan den yttre ledaren ansluts till instrumentchassit, som ska vara jordat. 

Den här metoden förhindrar att mittledaren fångar upp brus.

Bild 12 – två jordsystem

Det är ganska vanligt att transformatorns jord (ställverkets jord) inte är samma jord som instrumentets jord. 

I sådana fall kan ström och spänning mellan transformatorns jord och instrumentets jord negativt påverka testresultatet. 

För att förbättra repeterbarheten är det nödvändigt att koppla ihop kabelns jord (skärm) och transformatorns jord med kortast möjliga flätat band som visas i bild 1.

Bild 13 – resultat med olika metoder för jordning

Slutsats

SFRA är en ovärderlig testteknik som är känslig för problem som annars skulle vara svåra att upptäcka utan att demontera transformatorn – ett dyrt och väldigt opraktiskt arbete. 

För att erhålla de mest representativa resultaten måste dock en testsats av beprövad kvalitet användas, god praxis måste följas under testning och resultaten måste tolkas med försiktighet enligt riktlinjerna i den här artikeln.

Utforska Meggers urval av analysatorer av svepfrekvenssvar.

Referenser

• [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] Teknisk manual för Baosteel GO silicon Steel Products, 2008