Tarama frekansı yanıt analizi

Bu yöntemin temeli, geniş bir frekans aralığında trafoların elektriksel aktarım fonksiyonlarının ölçülmesidir. SFRA'nın amacı, trafonun aktif kısmında eskime nedeniyle veya kısa devre arızası ve nakliye gibi belirli bir olayın ardından fiziksel yer değiştirmeler meydana gelip gelmediğini test etmektir. 

Test sonuçları referans ile karşılaştırılır, böylece aşağıdakiler de dahil olmak üzere çok çeşitli arıza tipleri tespit edilebilir:

• Çekirdek hareketleri
• Hatalı çekirdek topraklamaları
• Sargı deformasyonları
• Sargı yer değiştirmeleri
• Kısmi sargı çökmesi
• Kasnak bükülmesi
• Kırık klamplama yapıları
• Kısa devre yapmış dönüşler ve açık sargılar

Şekil 1 – SFRA test kurulumu ve test cihazının şematik gösterimi

Ölçülen parametreler ve sonuç açıklamaları

SFRA yöntemi, trafonun bir terminaline sinyal enjekte etmeyi ve ortaya çıkan sinyali Şekil 1'de gösterildiği gibi başka bir terminalde ölçmeyi içerir. 

Ölçülen parametreler, uygulanan terminal gerilimi ve başka bir terminalde elde edilen sonuçtur. Sonuç, aşağıdaki şekilde ifade edilen büyüklük (dB) ve faz açısı (°) cinsinden gösterilir:

Gerilim, trafo sargısından geçen akımla orantılı olan 50 Ohm'luk bir dirençteki gerilimdir. Bu nedenle, büyüklük trafonun kabul bilgisini temsil eder. 

Test sonuçları genellikle logaritmik ölçekte frekansa karşı çizilen büyüklük olarak gösterilir. Sırasıyla üç faz ölçülür ve ardından Şekil 2'de gösterildiği gibi birbirleriyle karşılaştırılır. 

Üç özdeş iz iyi durumu gösterirken büyük sapmalar deformasyon gibi bir sorunun varlığı anlamına gelebilir.

a)

(b)

(c)
Şekil 2 – Trafo (a) iyi durumda (b) bir fazda kısa devre yapmış dönüşler (c) çok kötü durumda

İki sargıyla üç fazlı bir trafo için Şekil 3'te gösterildiği gibi önerilen minimum dokuz test gerçekleştirilir.

• AG tarafında kısa devre ile YG tarafından gelen üç fazlı yanıtları ölçün
• AG tarafında açık devre ile YG tarafından gelen üç fazlı yanıtları ölçün
• YG tarafında açık devre ile AG tarafından gelen üç fazlı yanıtları ölçün

Şekil 3 – üç fazlı bir trafonun tipik SFRA sonucu

"Açık", trafonun uyarma empedansını ölçerken "kısa", trafonun kısa devre empedansını ölçer. 

"Açık" ölçümler için faz B izinin genellikle çekirdek yapısı nedeniyle düşük frekanslarda faz A ve C izlerinden saptığını belirtmek önemlidir. 

Bu bir kusur olarak ele alınmamalıdır. Frekans arttıkça çekirdek tarafından sağlanan endüktans azalmaya başlar ve ardından kaybolur. "Açık" ve "kısa" ölçümler yüksek frekanslarda aynı sonuçları verir.

Fazlar arasındaki karşılaştırmaya ek olarak iki karşılaştırma yöntemi daha vardır:

• Zamana dayalı karşılaştırma: SFRA sonuçları aynı birim için önceki sonuçlarla karşılaştırılır. Bu, bir sorunun tespit edilmesi için en kolay ve en etkili yöntemdir.
• Türe dayalı karşılaştırma: Bir trafonun SFRA'sı, benzer türdeki bir trafo ile karşılaştırılır. Bir trafonun "kardeş" trafo olarak kabul edilmesi için aynı teknik özelliklere ve genellikle aynı üreticiye sahip olması gerekir.

Belirli frekans aralıklarındaki SFRA eğrisindeki değişikliklerden farklı arızalar tespit edilebilir. Düşük frekanslı eğri şekli, trafonun manyetik devresi tarafından belirlenir. Bu nedenle çekirdek problemleri, kısa devre yapmış sargılar ve tel kopuklukları bu şekli değiştirir. 

Toplam sargı kapasitesi birkaç nanofarad civarındadır ve birkaç kHz'den itibaren SFRA eğrisini etkilemeye başlar. Sargı diski kapasitansı oldukça küçüktür ve en yüksek frekans aralığında etkili olmaya başlar. 

Tablo 1, test mühendislerinin belirli frekans aralıklarındaki eğri farklılıklarına dayanarak spesifik sorunu tespit etmelerine yardımcı olabilir.

Trafo tankını boşalttıktan sonra Şekil 4 ile gösterilen deformasyon, Şekil 5 ile gösterilen frekans yanıtını vermiştir. 

Faz B eğrisinin arızadan sonra şeklini değiştirdiği görülebilir. Sapma 500 Hz ile 500 kHz arasındadır ve çekirdekte sorun olmadığı ancak sargının deforme olduğu sonucuna varılabilir. Fark en çok 1 ile 10 kHz arasında belirgindir ve düşük frekanslı parçada sorun yoktur. 

Tablo 3'e göre sorun büyük olasılıkla toplu sargı deformasyonudur.

Şekil 4 – Trafo sargısı bükülme arızası [2]

Şekil 5 – Sargı bükülme arızası olan trafonun Tarama Frekansı Yanıtları

Trafo Modellemesi

SFRA testinin diğer yöntemlerle tespit edilmesi zor olan bu kadar çok mekanik arızayı neden tespit edebildiğini anlamak için test edilen trafonun eşdeğer devre modelinin analiz edilmesi gerekir. Bu makalede ele alınan model, tek fazlı trafolar için geçerlidir.

Düşük frekanslarda (<1 kHz), trafoların eşdeğer devre modeli Şekil 6'da gösterilmiştir. İdeal bir trafo ile YG ve AG sargılarının uyarma empedansından ve kaçak empedansından oluşur. 

AG sargısı açıkken YG sargıdan SFRA sinyali enjekte edildiğinde aslında uyarma empedansı ölçülmektedir. Empedans, test frekansıyla doğrusal olarak artar ve böylece logaritma ölçeğinde düz bir çizgi oluşturur.

Frekans arttıkça kapasitif etki ortaya çıkmaya başlar ve çekirdek endüktans daha az baskın hale gelir. İlk rezonans noktası, sargı ve çekirdek ile belirlenen endüktör rezonansı ve sargı ve topraklama (çekirdek ve tank) ile oluşturulan kapasitördür.

En yüksek frekansta rezonans, iletkenlerin kendiliğinden endüktansı (nH/m) ve sargı disklerinin/dönüşlerinin kapasitörü nedeniyle meydana gelir. Yüksek frekanslı eşdeğer devre Şekil 7'de gösterilmiştir. 

Sayı, sargı dönüşlerini temsil eder. Her dönüş, kendiliğinden endüktans, karşılıklı endüktans ve dirençten oluşur. Buna ek olarak, dönüşler arası kapasitörler (ideal kapasitör ve kayıp bileşeni) ve dönüşten toprağa kapasitörler de vardır.

Güç trafolarındaki dahili arızalar, frekans tepki eğrisinin bazı bölgelerinde kaymalara neden olabilir ve bu kaymalar gözle inceleme yoluyla tespit edilebilir.

Şekil 6 – Düşük frekanslarda tek fazlı trafo modeli

Şekil 7 – 1 MHz'de tek fazlı trafo modeli [3]

Şekil 8 – SFRA eğrisinin özellikleri

SFRA testinde iyi uygulamalar

SFRA, alçak gerilimli (10 V), tahribatsız bir test yöntemidir. Sonuçların kalitesini garanti etmek için iyi uygulamalara uyulmalıdır.

Tutarlı test gerilimi uygulayın

Düşük frekans tepkisinin esas olarak trafonun manyetik özellikleri tarafından belirlendiği kanıtlanmıştır. 

Manyetik çekirdek malzemesinin geçirgenliği genellikle sabit olduğu varsayılır, ancak pratikte durum böyle değildir. Bu değer, uygulanan gerilime göre değişir. Frekans tepkisi oldukça düşük bir gerilimde, sadece yaklaşık 10 V'de ölçülür. 

Çekirdeğin geçirgenliği bu gerilim seviyesinde hızla değişir.

Şekil 9 – Trafo çekirdek malzemesinin B-H eğrisi ve μ-H eğrisi (B27G130 silikon-demir [4])

Çekirdek geçirgenliği uygulanan gerilime göre değişir; bu da düşük frekanslardaki SFRA tepkilerinin gerilime bağlı olmasını sağlar. Bu nedenle, SFRA testleri için sabit bir gerilim çok önemlidir. 

Testin referans eğrisiyle aynı gerilimde gerçekleştirilebilmesi için, çıkış gerilimi ayarlanabilir bir test cihazı kullanılması önerilir.

Şekil 10 – farklı uygulanan gerilimlere sahip SFRA sonuçları

Kademe değiştirici konumunu kontrol edin

Kademe değiştiricinin konumları, karşılaştırma testlerinde kullanılanlarla aynı olmalıdır; aksi takdirde frekans tepkileri farklılık gösterecek ve karşılaştırılamayacaktır. 

Maksimum kademe seçilirse kademe değiştiricinin tamamı test ile incelenir. Bu durum hem DETC hem de OLTC için geçerlidir. Test genellikle tam sargı konumunda ve nötr olarak gerçekleştirilir.

Önce demanyetizasyon

Artık akı, SFRA sonuçlarına etki eder. Sargı direnci testinden sonra başlangıç noktası histerezis eğrisinde 0 noktasından 1 noktasına veya 2 noktasına gider; bkz. Şekil 11. 

Artık akı çekirdek endüktansını önemli ölçüde değiştirdiğinden SFRA testinin, diğer testlerden önce veya demanyetizasyondan hemen sonra yapılması önerilir; bu da başlangıç noktasının 0 noktasına geri dönmesini sağlar.

Şekil 11 – Manyetiklik giderme işleminden önce ve sonra elde edilen SFRA tepkileri

İyi topraklama uygulamalarına uyun

Yanıtın yüksek frekanslı parçası elektromanyetik parazite karşı çok hassastır; bu nedenle test sistemi gürültüye karşı dirençli olmalıdır. 

Yaygın olarak kullanılan bir yöntem, koaksiyel kablonun kullanılmasıdır. Dış iletken topraklanmış cihaz şasisine bağlıyken kablonun merkez iletkeni trafo terminaline bağlıdır. 

Bu uygulama, merkez iletkenin gürültüyü çekmesini engeller.

Şekil 12 – İki topraklama sistemi

Trafo topraklaması (trafo merkezi topraklaması) ile cihaz topraklamasının aynı topraklama olmaması oldukça yaygın bir durumdur. 

Bu tür durumlarda, trafo topraklaması ile cihaz topraklaması arasındaki akım ve gerilim, test sonucunu olumsuz etkileyebilir. 

Tekrarlanabilirliği artırmak için kablo topraklamasını (blendaj) ve trafo topraklamasını mümkün olan en kısa düz örgülerle birlikte bağlamak gerekir (Şekil 1'de gösterildiği gibi).

Şekil 13 – Farklı topraklama yöntemleriyle elde edilen sonuçlar

Sonuç

SFRA, trafoyu sökmeden tespit edilmesi zor olan sorunlara karşı hassas ve paha biçilemez bir test tekniğidir; trafonun sökülmesi pahalıya mal olan ve çok elverişsiz bir uygulamadır. 

Ancak temsil gücü en yüksek sonuçları elde etmek için performansı kanıtlanmış, yüksek kaliteli bir test seti kullanılmalıdır, test sırasında iyi uygulamalar izlenmelidir ve sonuçlar, bu makalede verilen yönergelere uygun olarak dikkatli bir şekilde yorumlanmalıdır.

Megger'in tarama frekansı yanıt analizörleri seçimini keşfedin.

Referanslar

• [1] J.C. Gonzales ve 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] Baosteel GO Silikonlu Çelik Ürünleri Teknik Kılavuzu, 2008