SFRA ТЕСТ ЗА МЕХАНИЧКА ПРОЦЕНКА НА АКТИВНИОТ ДЕЛ КАЈ ЕНЕРГЕТСКИ ТРАНСФОРМАТОРИ

Transcript

1 6. СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 4-6 октомври 2009 Жан Кипаризоски Howard Industries, Laurel, MS, USA SFRA ТЕСТ ЗА МЕХАНИЧКА ПРОЦЕНКА НА АКТИВНИОТ ДЕЛ КАЈ ЕНЕРГЕТСКИ ТРАНСФОРМАТОРИ КУСА СОДРЖИНА SFRA (sweep frequency response analysis) тест методот е многу корисна алатка за верификација на механичкиот интегритет на електричните машини, посебно на енергетските трансформатори. SFRA тестот е во суштина мерење на одзивот на намотките на доведен напон со мала амплитуда и различни фреквенции. Како еден трансформатор ќе реагира на овие сигнали е во тесна зависност од неговата импеданса и сите други капацитивни и индуктивни елементи поврзани со самите намотки и се дел од трансформаторот. Енергетските трансформатори се предвидени да издржат и опстојат на однапред определени механички стресови, било тоа да се стресови при експлоатација (куси врски, пренапони,...) или при транспорт и манипулација. Доколку трнсформаторот е оштетен (било при транспорт или nastani во експлоатација), издржливоста на куси врски на тој трансформатор е значително намалена. Еден од начините за одредување на степенот на оштетување покрај скапите отворања на трансформаторот и негов визуелен преглед на активниот дел, е да се употреби SFRA тест методот. Директната врска помеѓу геометријата на трансформаторот и RLC мрежата која ја претставуваат јадрото, намотките и другите електрични елементи (изолатори, преклопки, одводници), може да се претстави со регистрирање на одзивот на активниот дел како функција од влезниот сигнал. Самата промена на геометријата на трансформаторот ќе доведе до промена на карактеристиките на RLC колото што воедно ќе предизика и промена на одзивот на тоа коло. Промената на одзивот регистриран со SFRA тест методот може да идентификува широк опсег на грешки во трансформаторот. Клучни зборови: SFRA, фреквенција, RLC мрежа, трансформатор, оштетување 1. ВОВЕД: Ниското ниво на напонот кој се користи при SFRA тестот резултира во тест кој не ги оштетува виталните делови на трансформаторот и кој во исто време овозможува висок степен на повторливост на тестот. Ова го прави SFRA да биде мошне доверлив при детекција на механички поместувања во активниот дел на трансформаторот. Овај труд понатака ќе покаже некои од основните принципи на кој што се заснива SFRA тестот, како и конкретен пример на мерени резултати на трансформатор пред и после тест на куса врска. 2. ТЕОРИЈА НА SFRA Одзивот на еден систем составен од дискретни елементи може да се престави на два начина: во временски или во фреквентен домен. Доколку напонот и струјата се рагледуваат низ даден временски период резултатите од таа анализа се претставуваат како сигнал наспроти A2-6R 1/10

2 MAKO CIGRE 2009 A2-6R 2/10 време или во временски домен. Од друга страна пак, секој сигнал кој може да се претстави како сума од хармонично поврзани синусоиди со различни аплитуди и фреквенции, резултатот е прикажан и презентиран во фреквентен домен. Различни алатки и техники можат да се применат во двата случаи за анализа на одзивот. Временскиот домен и фреквентиот домен на една функција се тесно поврзани и таа поврзаност може да се прикаже со следнава релација: jωt 1 jωt F( jω) = e f ( t) dt f ( t) = e F( jω) dω 2π (1) Каде што F ( jω) е Фуриева трансформација од f (t) и f (t) е инверзна Фуриева трансформација од F ( jω). Многу често е тешко да се анализира одзивот на еден систем во временски домен, додека анализата на истиот систем може да биде доста поедноставена доколку се разгледува во фреквентен домен. Идентификацијата на доминантните карактеристики на еден систем, како на пример резонанцијата при одредени фреквенции, може доста поедноставно да се прикаже во фреквентен домен. Функцијата на трансфер на една RLC мрежа може да се представи како однос помеѓу излезната и влезната функција при нулти почетни услови. Двете битни карактеристики како амплитудата и фазната релација може да се изразат со помош на т.н преносна функција. Преносната фукнција обично се прикажува во фреквентен домен со помош на Фуриевата варијабла H ( jω), каде што ( jω) означува присуство на функција во фреквентен домен и ω = 2πf. Откако преносната функцијата ќе се редуцира до нејзина наједноставна форма, како резултат ќе се добие однос од два полиноми. Вака редуцираната Фуриева релација за излезновлезната преносна фунција може да се прикаже со следнава релација. Voutput ( jω) H ( jω) = (2) Vinput ( jω) Цел на SFRA тестот е да ја измери импедансата на дадениот трансформатор. При мерење на преносната функција H ( jω), саканата вредност на Z ( jω) не е комплетно одредена. По дефиниција, саканата импеданса Z ( jω) е импедансата на RLC мрежата која е поставена помеѓу врските на инструментот и не содржи никакви дополнителни импеданси генерирани од самиот мерен инструмент. Важно е да се напомене дека кога се користи релација меѓу напоните, H ( jω) не е секогаш директно поврзана со Z ( jω). За Z ( jω) да биде директно поврзана со H ( jω) излезниот напон треба да се замени со струја и да се примени Омовиот Закон. Бидејќи SFRA тестот користи споредба со мерен систем кој има 50 Омска импеданса, важно е оваа вредност да се вметне во функцијата на трансфер H ( jω). Следнава релација ја дава дава оваа зависност: Voutput 50 H ( jω) = = (3) Vinput Z( jω) + 50 Примарно за SFRA е да ја одреди импедансата на објектот при однапред определен опсег од доведени сигнали со различни фреквенции. Компонентите се пасивни и може да се претстават како отпорници, индуктивности и капацитивности. Реактивните карактеристики на дадениот објект се во тесна зависност од промените на фреквенциите. Резултат од ова е функција која е карактеристична за дадениот објект (RLC мрежа) во фреквентен домен. Анализата на фреквентниот одзив генерално е врз комплексната мрежа од пасивни елементи. Од практични причини елементите се разгледуваат како идеални и во основа се разликуваат единаесет основни форми од збирни мрежи претставени во табела 1.

3 MAKO CIGRE 2009 A2-6R 3/10 Табела 1 Елемент Сериска врска Паралелна врска R RL RL L RC RC C LC LC RLC RLC Со зголемување на комплексноста на моделот овие елементи може да се комбинираат во сериска или паралелна врска за да се креира саканиот модел. Повеќето трансформатори произведуваат мошне препознатлива резонанција во овај фреквентен опсег. Како пример може да послужи релативно едноставно RLC коло на Сл.1. Фреквентниот одзив на ова коло на сигнали со фреквенции во однапред определен опсег е претставен на Сл.2. Сл.1 Сл.2 Вообичаен начин на презентација на резултатите е со помош на Бодеов диаграм каде што зависноста меѓу амплитудата и фазата е прикажана како: A ( db) = 20log10( H( jω)) (4) 1 A( θ ) = tan ( H ( jω)) (5) Од практични причини Бодеовиот диаграм обично се прикажува во логаритамска скала. Ова овозможува да се одржува иста резолуција во целиот опсег. Кривите во опсег од 10 Hz па се до 10 MHz може да се прикажат на еден дијаграм доколку тие се прикажат во логаритамска скала. Од друга страна пак, доколку се сака да се зумира дел од кривата, приказот во линеарна скала може да биде од поголема помош со цел да се прикаже самата зависност при еднакви фреквентни интервали. Следните криви даваат приказ за логаритамско и линеарно прикажување на фреквентната зависност на една иста трансфер функција.

4 MAKO CIGRE 2009 A2-6R 4/10 Сл.3 Логаритамска скала Сл.4 Линеарна скала 3. SFRA ТЕСТ ПРОЦЕДУРА Како и со секој друг електричен тест, при SFRA тестот, мерењето треба да се спроведе во контролирана околина. Препорачливо е при SFRA тестот, испитуваниот трансформатор да е во целост комплетиран со сите уреди и опрема, исто како кога би бил инсталиран. SFRA тестот обично се врши непосредно пред трансформаторот да биде испорачан и откако ќе пристигне на местото пред да биде инсталиран. Со споредба на резултатите може да се оцени евентуалното оштетување и поместување на активниот дел Поврзување на мерниот уред со трансформаторот Поврзувањето на SFRA уредот со испитуваниот трансформатор вообичаено се врши преку 3 кабли: Возбуда source ; Влез на објектот reference ; Излез од објектот measure. Идеално, овие три кабли треба да се со иста должина, а доколку тоа не е можно, барем два од каблите (reference и measure) треба да се со иста должина. Вообичаено, трансформаторот треба да биде поврзан со мерниот уред за SFRA, слично како на Сл. 5 што претставува типична поставеност на инструментите и врските. Сл.5

5 MAKO CIGRE 2009 A2-6R 5/10 SFRA тестот кај двонамотајни тренсформатори генерално може да се подели на следниве типови на мерење: Отворено коло: Мерење на отворено коло се врши на краевите на намотката и при тоа сите останати изолатори се оставаат отворени. Овај тест може да се примени како на монофазни така и на трифазни трансформатори. Карактеристично за овај тест е што најголем ефект врз обликот на преносната функција има карактеристиката на јадрото околу основната фреквенција. Од тие причини овај тест со отворено коло примарно се употребува за детекција на евентуални проблеми со магнетното јадро. Кусо врзано коло: Овај тип на мерење се врши на краевите на намотката додека сите други намотки се кусо врзани. При тоа важно е да се напомене дека неутралните точки треба да се остават отворени и да не се кусо врзуваат. Тестот на кусо врзано коло ја изолира импедансата на намотките од ефектот на јадрото околу основната фреквенција. Овај тест би требало да резултира со информации слични како и при стандарниот тест на куса врска за определување на импедансата и загубите под товар на трансформаторот. Следниве диаграми даваат преглед на неколку основни изгледи на криви при горе споменатите типови на мерења: Изглед на кривите на Висок напон на трансформатор поврзан во триаголник при тест со отворено коло (10/20 MVA, ONAN/ONAF, 69/12.7 kv, OLTC) Сл.6 Од диаграмот на Сл.6 може да се види дека намотките од фазите А (црвена) и С (зелена) кои се надворешни фази се поклопуваат доста добро една со друга додека средната намотка од фазата В покажува поголема импеданса и е поместена надолу. Ова е типично за намотки поврзани во триаголник при тест со отворено коло Изглед на кривите на Висок напон на трансформатор поврзан во звезда при тест со отворено коло (27/36/45 MVA, ONAN/ONAF/ONAF, 115/12.47 kv) Типичен изглед на криват при овај тип на мерење е прикажан на сл. 7. При овај тип на тест, слично како при отворено коло, средната B (црвена) фаза на транфсорматорот покажува малку поинаков одзив одколку другите две фази. Двете крајни фази (А и C) покажуваат резонанции при две фреквенции додека средната фаза покажува резонанција при една фреквенција.

6 MAKO CIGRE 2009 A2-6R 6/10 Сл Изглед на кривите на Висок напон на трансформатор поврзан во звезда при тест со затворено коло.(27/36/45 MVA, ONAN/ONAF/ONAF, 115/12.47 kv) Типичен изглед на кривата добиена при овај тип на мерење е прикажан на Сл.8. При овај тип на тест се елиминира ефектот на јадрото при ниски фреквенции. Бидејки сите три намотки имаат слични електрични карактеристики нивниот одзив исто така ќе биде мошне сличен. Сл Интерпретација на резултатите. Базирајќи се врз информации добиени при SFRA, споредба на SFRA мерењата со други тестови, како и врз основа на искуствени податоци, варијациите на кривите при определени фреквенции можат да се поврзат со конкретни проблеми во трансформаторот. Битно е да се напомене дека не постои цврсто и единствено правило, бидејќи обликот на кривите исто така зависи од производителот, дизајнот на трансформаторот, неговата моќност, номиналните напони и слично. Генерално, различни неусогласености на кривите низ (при) различни фреквенции би можеле да бидат индикација за следниве проблеми:

7 MAKO CIGRE 2009 A2-6R 7/10 Табела 2. Фреквенција Локација на проблемот 20 Hz 2 khz Деформација на јадрото, отворена врска, кусо врзана навивка и ремаментен магнетизам 2 khz 20 khz Пridvi`uvawe на намотките во радијален правец, проблеми со системот на стегање на намотките 20 khz 200 khz Деформации во намотките, претежно во намотките со изводи за регулација 200 khz 2 MHz Деформација и pridvi`uvawe на изводите и каблите во транаформаторот. Имајќи ја во предвид горната табела, важно е да се напомене дека варијација во кривите, покрај проблеми во самиот трансформатор, може да се појави и поради: a) варијација во поставеноста на тестот (позиција на преклопка, употреба на различни кабли, заземјен или незаземјен трансформатор и сл.), b) Употреба на различни инструменти при мерењата. 4. ПРИМЕР Следниов пример ќе ги прикаже мерењата извршени на енергетски трансформатор со номинална моќност од 25/40 МВА пред и после тест на издржливост на куса врска. Трансформаторот изработен во Howard Industries, по барање на купувачот, беше подвргнат на тест на куса врска во лабораторијата на КЕМА. Покрај стандардното испитување на импедансата за проценка на евентуални pridvi`uvawa во намотките, беше извршено и комплетно SFRA испитување со употреба на DOBLE опрема.трансформаторот успешно го помина тестот и дел од резултатите од SFRA тестот се прикажани на следниве диаграми: Карактеристики на трансформаторот: Моќност: 27/36/45 MVA; ONAN/ONAF/ONAF; Напони: 115/12.47 kv; Група: Yyn0; Регулација: ±2 х 2.5% на висок напон; ± 10% во ±16 чекори на низок напон 4.1. SFRA тест при куса врска Од графиците на сликите 9, 10 и 11 може да се заклучи дека во регионот на фреквенции од 2 khz до 20 khz што представува индикација на евентуално померување на намотките, кривите снимени пред и после тестот на куса врска се идентични и потполно се поклопуваат. Со ова се потврдува дека намоките не препрпеле никакви оштетувања при тестот на куса врска а исто така и дека се довoлно цврсто вградени и не претрпeле никакво pridvi`uvawe во текот на транспортот и манипулацијата.

8 MAKO CIGRE 2009 A2-6R 8/10 Сл.9 Сл.10 Сл SFRA тест при отворено коло Резултатите добиени при тест со отворено коло можат да се видат на сликите 12, 13, 14 и 15. Од добиените резултати може да се констатира дека постои izmestuvawe не кривите во регионот од 20 Hz до 2 khz што представува одзив каде што магнетното коло има најголема улога. Во овај случај izmestuvaweto на кривите е релативно мало (помало од 5 db) и е многу битно што е констатно преку целиот фреквентен опсег (од 20 Hz до 2 khz) што може да се види од зумираниот дел на Сл.15. Ваквоto izmestuvawe na krivite е типично за трансформатори кои што имаат заостанат магнетизам во јадрото и обично не е индикација на евентуални проблеми или оштетувања. Доколку би postoel реален проблем разиката помеѓу кривите би била многу поизразена.

9 MAKO CIGRE 2009 A2-6R 9/10 Сл.12 Сл.13 Сл.14 Сл.15 Истите SFRA тестови на отворено и затворено може да се направат и за нисконпонската намотка со што ќе се добие една комплетна анализа на трансорматорот за неговата состојба пред и после деструктивни електрични тестови, како и потврда дека трансформаторот не е оштетен при транспорт и манипулација. 5. ЗАКЛУЧОК SFRA тестот, како тест за дијагностицирање на дефекти кај трансформаторите, иако има определни недостатоци, представува мошне значајна алатка за навремено откривање на можни проблеми. Не треба да се заборави дека би било добро резултатите добиени од SFRA тестот да се потврдат со помош на други тестови, со цел да се одбегнат погрешни заклучоци. Една од добрите страни на SFRA тестот е тоа што е повторлив и не-деструктивен, што овозможува да се применува врз подолг временски период. Во ANSI и IEEE стандардите, овај тест сеуште е деклариран како како специјален тест, но голем дел од дистрибуциите како и приватните koristnici инсистираат на овај тест и го вметнуваат како барање во нивните спецификации,. 6. ЛИТЕРАТУРА [1] Doble Engineering Sweep Frequency Response Analysis Transformer Applications [2] Doble Engineering Field and Laboratory Experiences using SFRA in Power Transformers [3] SFRA presentation IEEE conference, April 2009 [4] IEEE Transormer FRA task force IEEE C (draft version)

10 [5] Doble Engineering M5200 SFRA User Guide MAKO CIGRE 2009 A2-6R 10/10