Jakość oceny stanu mechanicznego uzwojeń transformatorów w aspekcie konfiguracji pomiaru odpowiedzi częstotliwościowej

1. Wprowadzenie

W czasie eksploatacji uzwojenia transformatora narażone są na siły dynamiczne powstałe na skutek zwarć lub przepięć, które mogą zdeformować uzwojenie, poluzować jego prasowanie lub uszkodzić izolację stałą, co może doprowadzić do wyłączenia jednostki z pracy, a w niektórych przypadkach nawet spowodować pożar [1]. Aby tego uniknąć, transformatory poddawane są kompleksowym badaniom diagnostycznym. Metoda FRA (frequency response analysis) jest obecnie podstawowym narzędziem diagnostycznym stanu mechanicznego transformatorów energetycznych. Na odpowiedź częstotliwościową sygnału wpływ mają wszystkie parametry elektryczne części aktywnej transformatora (rezystancja, indukcyjność, pojemność oraz sprzężenia) [2]. Ocena wyników pomiarów FRA polega na porównaniu danych referencyjnych z aktualnie zmierzonymi. Dane wzorcowe, tzw. fingerprint, powinny zostać dostarczone przez producenta transformatora, aby możliwe było wykrycie ewentualnych defektów powstałych w czasie transportu lub montażu jednostki. Ważne jest, aby zminimalizować błędy pomiarowe. W tym celu w 2012 roku Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna opublikowała międzynarodową normę dotyczącą wykonywania pomiarów FRA (IEC 60076-18: Power transformers – Part 18: Measurement of frequency response) [3]. Pomiary wykonuje się w układzie trójprzewodowym, aby w jak największym stopniu wyeliminować wpływ przewodów pomiarowych. Schemat podłączenia urządzenia pomiarowego przedstawiono na rysunku 1. Sygnał niskonapięciowy o zmiennej częstotliwości podawany jest na początek uzwojenia i w tym samym miejscu zostaje zmierzony jako kanał referencyjny, a rejestracja sygnału wyjściowego następuje (zależnie od konfiguracji pomiarowej) na drugim końcu tego uzwojenia lub po stronie przeciwnej [4]. Pomimo uściślenia w normie wielu kwestii dotyczących parametrów mierników oraz wykonywania pomiarów pozostaje pewna dowolność w interpretacji niektórych zagadnień, co wynika z różnych podejść i doświadczeń producentów sprzętu pomiarowego. Jednym z takich aspektów jest liczba punktów pomiarowych w badanym przedziale częstotliwości. Celem artykułu jest określenie jaki wpływ na skuteczność wykrywania deformacji ma prawidłowe dobranie rozdzielczości wykonywanego pomiaru.

2. Przemysłowe rejestratory FRA

Na rynku dostępnych jest kilka urządzeń do pomiarów i analizy wyników. Najczęściej stosowane w przemyśle są rejestratory firm Omicron, Megger, Haefely i Doble przedstawione na rysunku 2.

Jak przedstawiono w tabeli 1, zakresy częstotliwości różnią się nieznacznie między sobą, a domyślny zakres badanego pasma częstotliwości jest w każdym przypadku taki sam. Większe różnice widać w możliwościach ustawień rozdzielczości wykonywanego badania. Pomiary dostarczone przez producenta transformatora jako referencyjne mogą być zrealizowane innym urządzeniem diagnostycznym, niż wykonywane w późniejszym czasie badania eksploatacyjne. Różnice wynikające z domyślnych ustawień aparatury mogą niekorzystnie wpłynąć na interpretację wyników.

Tabela 1. Podstawowe parametry rejestratorów FRA

Miernik	Zakres częstotliwości	Liczba punktów pomiarowych (domyślnie)	Rys. 2
FRAX (MEGGER)	0.1 Hz – 25 MHz (20 Hz – 2 MHz)	do 32 000 punktów (1046 punktów)	a)
FRA 5310 (Haefely)	10 Hz – 10MHz	do 2000 punktów	b)
M5400 (DOBLE)	10 Hz – 25 MHz (20 Hz – 2 MHz)	do 1800 punktów (1000 punktów)	c)
FRAnalyzer (Omicron)	10 Hz to 20 MHz (20 Hz – 2 MHz)	do 2400punktów (1000 punktów)	d)

3. Pomiary na transformatorze 15/0,4 kV

W celu określenie wpływu liczby punktów pomiarowych na jakość oceny stanu mechanicznego uzwojeń, przeprowadzono pomiary na części aktywnej transformatora 15/0,4 kV, 800 kVA w warunkach kontrolowanych deformacji. Do badań użyto miernika FRAnalyzer firmy Omicron. W tabeli 2 przedstawiono zakresy pomiarowe częstotliwości, wraz z liczbą punktów na przedział, w których zostały wykonane badania laboratoryjne. Podczas interpretacji wyników pasmo częstotliwości najczęściej dzielone jest na 3 mniejsze zakresy (niskich, średnich i wysokich częstotliwości)[5]. Pasmo niskich częstotliwości od 1Hz do 10kHz dostarcza informacji o obwodzie magnetycznym transformatora. Najważniejsze pod względem stanu mechanicznego uzwojeń jest pasmo średnich częstotliwości od 10kHz do 600kHz. W tym zakresie można zaobserwować wpływ zmian pojemności lub sprzężeń magnetycznych wynikających z przesunięć uzwojeń. Pasmo wysokich częstotliwości od 600kHz do 2MHz obrazuje zmiany w układzie wyprowadzeń i połączeń oraz systemie pomiarowym.

Tabela 2. Rozdzielczość pomiarów w badanych pasmach częstotliwości

Zakres częstotliwości Liczba punktów	10Hz – 100Hz	100Hz – 1kHz	1kHz–10kHz	10kHz–100kHz	100kHz – 1MHz	1MHz –20MHz
300	50	50	50	50	50	50
600	100	100	100	100	100	100
1000 (domyślny)	50 (od 20Hz)	210	210	210	210	110 (do 2MHz)
1800	300	300	300	300	300	300
2400	400	400	400	400	400	400

Przeprowadzone badania zostały wykonane od najmniejszej możliwej liczby punktów na przedział tj. 50 do maksymalnej liczby 400 punktów na przedział. Producent domyślnie przyjął liczbę 210 punktów na przedział, przy czym zakres najniższych i najwyższych częstotliwości został zredukowany w przedziale od 20Hz do 100Hz do 50 punktów i od 1MHz do 2MHz do 110 punktów.To posunięcie ze strony producenta wpływa na zmniejszenie czasu wykonywanego pomiaru bez straty rozdzielczości w istotnym dla diagnosty zakresie średnich częstotliwości.

Na rysunku 3 przedstawiono porównanie krzywych referencyjnych badanego transformatora wykonanych dla różnej rozdzielczości pomiaru. W porównaniu do rejestracji dla 1800 i 2400 punktów zauważyć można duże różnice dla pomiarów przy 300 i 600 punktach. Jest to spodziewane, ale pojawiają się również niewielkie niezgodności także w przypadku krzywej zarejestrowanej dla 1000 punktów, a zakres ten jest według producenta pomiarem domyślnym. Badanie wykonane przy rozdzielczości 300 punktów różni się w minimach o ponad 10dB od pomiarów wykonanych w wysokiej rozdzielczości, a przy 600 punktach o około 5dB.

Na rysunku 4 widać powiększone minimum lokalne przy 339kHz, różnica między pomiarem przy 1000 punktach, a 1800 i 2400 punktów to około 1,5dB. Aby ułatwić i przyspieszyć interpretację wyników opracowano szereg algorytmów do automatycznej oceny stanu technicznego transformatora [6]. Dzięki zastosowaniu automatyzacji metoda FRA może być bardziej dostępna dla mniej doświadczonych diagnostów. Niestety już różnice rzędu 1,5dB przy sumie wszystkich maksimów i minimów w pełnym badanym zakresie częstotliwości mogą niekorzystnie wpłynąć na ogólną ocenę stanu technicznego transformatora, zwłaszcza w przypadku stosowania metod matematycznej analizy wyników. Trzeba także zwrócić uwagę na niewielkie gabaryty użytego do badań transformatora, jednostki dużej mocy mogą wykazywać jeszcze większe różnice w wykonywanych badaniach przy różnych ustawieniach pomiaru.

Oczywistym jest, że w trakcie wykonywania przemysłowej diagnostyki transformatora liczy się czas wykonywania pomiaru, a czym więcej punktów pomiarowych tym dłuższy jest wymagany czas. W tabeli 3 przedstawiono czasy trwania pomiarów przy różnych rozdzielczościach.

Tabela 3. Czasy wykonywania pomiarów w odniesieniu do liczby punktów pomiarowych

Liczba punktów	300	600	1000	1800	2400
Czas wykonywania pomiaru	1min 05s	1min 55s	3min 15s	6min 05s	8min 35s

Jak można zauważyć w tabeli 3, funkcja czasu wykonywanego badania od liczby punktów jest prawie prostoliniowa. W badaniu analizy odpowiedzi częstotliwościowej potrzebne jest wykonanie dużej liczby pomiarów, zalecane jest, aby na każdej fazie przeprowadzić pomiar ze strony wysokiego jak i niskiego napięcia, ze strony wysokiego napięcia przynajmniej w skrajnych położeniach przełącznika zaczepów co daje łącznie 9 pomiarów. Niemniej jednak w przypadku dużych jednostek większą część czasu zajmuje przełączanie przewodów, więc dłuższy czas konieczny na wykonanie rejestracji nie stanowi dużego problemu. Według autora, pomiary powinny być wykonywane w rozdzielczości co najmniej 300 punktów na rząd wielkościw zakresie średnich częstotliwości, a w przedziałach niskich i wysokich częstotliwości zakres ten może zostać ograniczony do 200.

4. Podsumowanie

W metodach porównawczych, takich jak omawiana analiza odpowiedzi częstotliwościowej ważna jest dokładność, ponieważ błędy pomiarowe badania referencyjnego oraz aktualnie wykonywanego sumują się na etapie analizy wyników. Ocena porównywanych przebiegów przez eksperta może być bardziej elastyczna, różnice w ilościach punktów pomiarowych mogą zostać wzięte pod uwagę i uwzględnione, natomiast w większości komercyjnych urządzeń, w ich oprogramowaniu zaimplementowane są algorytmy do automatycznej oceny stanu technicznego transformatora. Metody interpolacyjne wykorzystane do automatycznego porównania badań o różnej rozdzielczości mogą jeszcze bardziej wpłynąć na zwiększenie błędu. Autor zaleca, by stosować większą rozdzielczość pomiaru niż przyjęta przez producenta za domyślną. Jednocześnie nie jest wskazane zmniejszenie liczby punktów, poniżej zakresu domyślnego, chociaż może to zależeć od danego urządzenia pomiarowego. Jedyne uzasadnione zmniejszenie rozdzielczości pomiaru, aby zaoszczędzić czas może wystąpić w zakresie niskich i wysokich częstotliwości. Ważne jest również, aby badania wykonywane były za każdym razem przy tej samej rozdzielczości pomiaru, co ułatwia porównanie wyników i precyzyjne określenie stanu technicznego części aktywnej transformatora.

Wojciech Szoka
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Wydział Elektryczny,
Katedra Elektrotechnologii i Diagnostyki
e-mail: wojciech.szoka@zut.edu.pl

Literatura

[1] Subocz J. praca zbiorowa: Transformatory w eksploatacji, Wydawnictwo
Energo-Complex, Piekary Śląskie, 2007
[2] Banaszak S. Ocena stanu mechanicznego części aktywnej transformatorów metodą analizy odpowiedzi częstotliwościowej, Wydawnictwo uczelniane Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, Szczecin, 2016
[3] IEC 60076-18: Power transformers – Part 18: Measurement of frequency response, IEC standard 2012,
[4] Omicron Franalyzer, sweep frequency response analyzer for Power transformer winding diagnosis, User Manual, OMICRON electronics, 2009.
[5] IEEE Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil-Immersed Transformers, IEEE Std C57.149-2012, pp. 1-72, 2013
[6] Samimi M.H., Tenbohlen S., FRA interpretation using numerical indices: State- of-the-art, Electrical Power and Energy Systems 89: 115–125, 2017.