مزایای تنظیمات آزمون خازنی بین‌پیچ در تشخیص عیوب فرکانس پاسخ ترانسفورماتورها

چکیده

ترانسفورماتورها یکی از اجزای اصلی سیستم‌های قدرت محسوب می‌شوند و عملکرد مطمئن آن‌ها نقشی کلیدی در کارایی تأمین انرژی دارد. برای اطمینان از این قابلیت اطمینان، هر ترانسفورماتور باید به صورت دوره‌ای تحت آزمون‌های تشخیصی قرار گیرد. یکی از این روش‌ها، تجزیه و تحلیل پاسخ فرکانسی (FRA) است که به عنوان یک روش تشخیصی غیرمخرب، تغییرات در پیچ‌ها را شناسایی می‌کند. در این مقاله، تأثیر تنظیمات اندازه‌گیری مختلف بر تشخیص مؤثر انواع تغییرات در پیچ‌های ترانسفورماتور بررسی شده و نشان داده می‌شود که تنظیم آزمون خازنی بین‌پیچ از حساسیت بیشتری نسبت به تنظیم استاندارد انتهای به انتها برخوردار است.

مقدمه

پیچ‌های ترانسفورماتورهای قدرت ممکن است تحت تأثیر نیروهای دینامیکی ناشی از اتصال‌های کوتاه خارجی یا اضافه‌ولتاژها قرار گیرند. این نیروها می‌توانند به تغییر شکل‌های شعاعی یا محوری منجر شوند و در نهایت اتصال کوتاه بین نازک‌ها را ایجاد کنند. برگزاری آزمون‌های تشخیصی دوره‌ای می‌تواند عیوب و آسیب‌های قسمت فعال ترانسفورماتور را به موقع شناسایی کند، به طوری که امکان تعویض یا تعمیر واحد قبل از وقوع خرابی کامل فراهم شود.

یکی از روش‌های تشخیصی پرکاربرد، تجزیه و تحلیل پاسخ فرکانسی (FRA) است. در این روش، یک سیگنال سینوسی با ولتاژ پایین و فرکانس متغیر به یک انتهای پیچ اعمال می‌شود و پاسخ آن در انتهای دیگر یا در سمت مخالف ولتاژ ثبت می‌گردد. مقایسه سیگنال‌های فرکانس وسیع به دست آمده، امکان شناسایی حتی کوچک‌ترین تغییرات در پارامترهای الکتریکی قسمت فعال ترانسفورماتور را فراهم می‌کند.

اهمیت ارزیابی وضعیت فنی ترانسفورماتور به اندازه‌ای است که باید نتایج حاصل از آزمون‌ها قابل اعتماد و تفسیرشان به وضوح امکان‌پذیر باشد. این مقاله به مقایسه کارایی چهار تنظیم آزمون مختلف در تشخیص تغییرات گوناگون در پیچ‌ها می‌پردازد.

تنظیمات اندازه‌گیری

روش FRA از چهار پیکربندی اندازه‌گیری اساسی بهره می‌گیرد که در استاندارد IEC ۶۰۰۷۶-۱۸ پیشنهاد شده است. این پیکربندی‌ها عبارتند از: گزینه انتهای به انتهای باز، انتهای به انتهای بسته، بین‌پیچ خازنی و بین‌پیچ القایی. رایج‌ترین تنظیم، پیکربندی انتهای به انتهای باز است. در این آزمون، سیگنال به یک انتهای پیچ فاز تکی اعمال می‌شود و پاسخ در سمت دیگر اندازه‌گیری می‌گردد، در حالی که پیچ ثانویه در حالت باز باقی می‌ماند.

در تنظیم دوم یعنی انتهای به انتهای بسته، تأثیر مدار مغناطیسی حذف می‌شود. این پیکربندی هنگامی به کار می‌رود که به آسیب در هسته مشکوک باشیم یا بخواهیم عدم قطعیت ناشی از مغناطیسزدایی باقی‌مانده هسته را از بین ببریم. روش اندازه‌گیری در اینجا تقریباً مشابه تنظیم باز است، با این تفاوت که پیچ‌های ثانویه بسته می‌شوند. تجربیات عملی نشان داده که این آزمون نمی‌تواند نقص‌های بیشتری را نسبت به آزمون انتهای به انتهای باز شناسایی کند و بنابراین اغلب قابل چشم‌پوشی است.

تنظیم بین‌پیچ خازنی بر مبنای اعمال سیگنال به یک انتهای پیچ HV و اندازه‌گیری در انتهای پیچ LV از همان فاز است، در حالی که دیگر انتهای پیچ‌ها باز می‌مانند. نتایج این آزمون تأثیر ساختار هر پیچ و تعامل متقابل آن‌ها را منعکس می‌کند. از آنجا که تمام نقص‌های قسمت فعال به تغییرات خازنی مرتبط هستند، این تغییرات به سادگی در این تنظیم قابل تشخیص می‌باشند.

چهارمین تنظیم، آزمون بین‌پیچ القایی است که مشابه آزمون بین‌پیچ خازنی است، با این تفاوت که انتهای پیچ‌های مورد آزمایش کوتاه و زمین می‌شوند. این تنظیم همبستگی القایی بین پیچ‌ها را نشان می‌دهد، اما در بسیاری از موارد تغییرات ایجاد شده باعث تغییر در القای پیچ‌ها نمی‌شوند. حتی اگر تغییرات محلی در مقادیر اندوکتانس رخ دهد، اغلب آنقدر کوچک هستند که نمی‌توانند تفاوت‌های قابل تشخیصی ایجاد کنند.

شکل ۱. تنظیمات اندازه‌گیری FRA: الف) انتهای به انتهای باز، ب) انتهای به انتهای بسته، ج) بین‌پیچ خازنی، د) بین‌پیچ القایی

آزمون‌ها با تغییرات کنترل شده در پیچ‌ها

برای مقایسه تنظیمات اندازه‌گیری، تحقیقاتی روی یک ترانسفورماتور واقعی با مشخصات ۱۵/۰.۴ kV و ۸۰۰ kVA انجام شد. در این تحقیقات، تغییرات کنترل شده‌ای به پیچ‌ها اعمال گردید. نخستین تغییر شامل گسترش محوری صفحات به اندازه‌های ۶ میلیمتر و ۱۲ میلیمتر بود که از کویل اول شروع شده و در کویل پنجم پایان یافت. در این حالت، فاصله فقط بین یک جفت صفحه به تدریج افزایش می‌یافت. تغییر دوم مشابه حالت قبلی بود، با این تفاوت که فاصله بین صفحات برای چندین صفحه به طور همزمان افزایش داده می‌شد؛ به عبارت دیگر، پیچ بین صفحات از اول تا چهارمین صفحه به مقدار ۶ میلیمتر گسترده شد. سومین تغییر بر اساس حذف جداکننده‌های اصلی بین صفحات و پایین آوردن آن‌ها به ترتیب از بالا تا پنجمین صفحه صورت گرفت. تغییر چهارم شبیه‌سازی اتصال‌های کوتاه بین نازک‌ها بود: ابتدا دو نازک مجاور در اولین کویل کوتاه شدند، سپس کل صفحه کوتاه گردید و در نهایت دو صفحه مجاور کوتاه شدند.

شکل ۲. انواع تغییرات معرفی‌شده: الف، ب) گسترش محوری، ج) پایین آوردن محوری، د) اتصال کوتاه

مقایسه کارایی تنظیمات آزمون

برای حذف هرچه بیشتر تغییرات ناخواسته ناشی از ورود عیوب به پیچش‌ها، بعد از هر تغییر و سری آزمایش‌ها، پیچش‌ها به حالت اصلی خود بازگردانده شدند تا اندازه‌گیری مرجع جدیدی انجام شود. مقایسه اندازه‌گیری‌های مرجع ثبت‌شده بین تغییرات متوالی تنها تفاوت‌های جزئی را نشان داد.

شکل ۳. مقایسه نتایج به‌دست‌آمده برای تغییرات انتخاب‌شده در تنظیمات: الف) بین‌پیچ القایی، ب) کوتاه شده انتها به انتها

مقایسه کارایی تنظیمات آزمایش

تحلیل نتایج در چهار آزمایش نشان داد که تنها دو مورد از آنها اطلاعات مفیدی در مورد وضعیت پیچش فراهم می‌کند. اولین مورد، باز بودن انتها به انتها (E2E) است که به‌عنوان استاندارد و تنها تنظیم توسط استاندارد IEC توصیه می‌شود [۳، ۴]. مورد دوم، بین‌پیچ خازنی (IntCap) است که به‌وضوح تغییراتی را که در هندسه پیچش رخ می‌دهد نشان می‌دهد و معمولاً به‌طور متفاوت و در دامنه‌های فرکانسی وسیع‌تری نسبت به باز بودن انتها به انتها تغییرات را نشان می‌دهد. شکل ۳ نتایج دو پیکربندی آزمایشی را که تغییرات قابل توجهی در منحنی‌های FRA بعد از وارد کردن تغییرات نمی‌دهند، ارائه می‌دهد: کوتاه شده انتها به انتها و بین‌پیچ القایی. در بقیه مقاله دیگر به این دو اشاره نخواهد شد. تنظیم آزمایش کوتاه شده انتها به انتها دامنه فرکانس پایین را حذف کرده در حالی که باقی طیف فرکانسی مشابه باز بودن انتها به انتها است، در حالی که بین‌پیچ القایی تغییرات بسیار کوچکتری نسبت به آزمون خازنی نشان می‌دهد.

نمودارهای زیر اثر چهار تغییرات وارد شده به پیچش‌ها را در شکل منحنی FRA نشان می‌دهند. فقط دامنه‌های زوم شده در نمودارها و نتایج انتخابی برای هر تغییر ارائه شده تا ارائه واضح باقی بماند. اولین جفت نمودارها (شکل ۴) نشان‌دهنده تأثیر نخستین تغییر (که در شکل ۲ الف نمایش داده شده) است.

شکل ۴. اثر تغییر ۱-۴ بر منحنی‌های FRA برای: الف) تنظیمات E2E، ب) تنظیمات IntCap

مشاهده می‌شود که هر دو تنظیم آزمایش نتایج واضحی می‌دهند، تأثیر دیسک‌های جابجا شده واضح است و در دامنه فرکانسی انتظار می‌رود برای چنین حجم آزمایش شده‌ای خاص باشد. با این حال، ماهیت تغییرات کاملاً متفاوت است. در مورد نتایج E2E، تمام تغییرات در دامنه فرکانس باریک‌تری قرار دارند و عمدتاً جابه‌جایی‌های میرایی را نشان می‌دهند. برای نتایج IntCap تغییرات در دامنه فرکانسی وسیع‌تری قابل مشاهده است و همچنین جابجایی‌های فرکانسی رزونانس‌ها را نشان می‌دهد. به‌ویژه جالب توجه است تأثیر خازنی تغییر در فرکانس‌های پایین‌تر (زیر ۱۰۴ هرتز) که نتیجه فاصله کوتاه‌تر بین پیچش و هسته است. در این حالت، تنظیم آزمایش IntCap حساسیت بیشتری به تغییرات دارد.

تغییر دوم نیز بر اساس کشش پیچش بود، اما برای چندین دیسک به‌صورت همزمان (شبیه فنر) انجام شد.

نتایج در شکل ۵ نشان داده شده است.

شکل ۵. اثر تغییر ۲-۴ بر منحنی‌های FRA برای: الف) تنظیمات E2E، ب) تنظیمات IntCap

شکل ۶. اثر تغییر ۳-۵ بر منحنی‌های FRA برای: الف) تنظیمات E2E، ب) تنظیمات IntCap

مشاهده می‌شود که هر دو تنظیم آزمایش تغییرات در دامنه‌های فرکانسی مشابهی را ارائه می‌دهند. منحنی E2E به‌طور محلی در طول مقیاس میرایی جابجا شده است، در حالی که IntCap دارای تغییرات واضح میرایی در تمام دامنه فرکانسی ارائه‌شده است. حداکثر جابه‌جایی میرایی مشابه است – تقریباً ۳-۵ دسی‌بل – اما در مورد تنظیم آزمایش IntCap قابل توجه‌تر است.

مثال سوم تغییر در شکل ۶ نشان داده شده و نمایانگر براکت‌های گمشده بین دیسک‌ها (کاهش حجم پیچش) است. به‌طور مشابه با مورد قبلی، هر دو سیستم آزمایش نتایجی با تغییرات قابل مقایسه بعد از کاهش حجم پیچش ارائه می‌دهند. در اندازه‌گیری‌های E2E می‌توان تغییر بسیار زیادی در میرایی رزونانس‌ها (۱۰-۱۵ دسی‌بل) مشاهده کرد، در حالی که برای نتایج IntCap تغییرات مجدداً در تمام دامنه فرکانسی ارائه‌شده به‌وضوح قابل مشاهده است.

آخرین عیب وارد شده به پیچش آزمایش شده، اتصال کوتاه از ابعاد مختلف است. مثال‌هایی از پاسخ‌های فرکانسی ثبت‌شده در شکل ۷ ارائه شده است.

شکل ۷. پاسخ فرکانسی در پیکربندی الف) باز بودن انتها به انتها، ب) آزمون خازنی بین‌پیچ در تغییر چهارم

اتصال‌های کوتاه در هر دو تنظیم آزمایش به‌راحتی قابل شناسایی هستند. پیکربندی باز بودن انتها به انتها ویژگی‌های شناسایی بسیار خوبی برای اتصال‌های کوتاه بین پیچش‌ها در دامنه فرکانس پایین دارد. آزمایش‌های انجام شده در آزمون خازنی بین‌پیچ جابجایی رزونانس‌های مربوط به مدار مغناطیسی (۱۰۳-۱۰۴ هرتز) را در دامنه فرکانسی نشان می‌دهد و تغییرات در تابع انتقال به‌همراه افزایش آسیب‌دیدگی پیچش مشاهده می‌شود. تأثیر اتصال‌های کوتاه در هر دو مورد قابل مشاهده است و در دامنه وسیعی از فرکانس‌ها وجود دارد.

نتایج‌گیری

تحقیقات نشان داد که تأثیر سیستم اندازه‌گیری بر شناسایی و تفسیر تغییرات وارد شده به پیچش‌ها وجود دارد. متداول‌ترین پیکربندی، باز بودن انتها به انتها است که تمامی تغییرات وارد شده به‌راحتی قابل شناسایی و در دامنه وسیعی از فرکانس‌ها قابل مشاهده هستند. این پیکربندی مبنای آزمون FRA است و باید در هر مورد استفاده شود، همچنین توسط استاندارد IEC توصیه شده است.

آزمون‌های خازنی بین‌پیچ کارایی خوبی را در شناسایی در یک دامنه وسیع فرکانسی نشان می‌دهند. در نتایج ارائه شده، حتی حساسیت بهتری نسبت به تنظیم آزمایش E2E نشان داده است. تغییرات در منحنی‌های FRA بیشتر و در دامنه فرکانسی وسیع‌تری قابل مشاهده است. اندازه‌گیری‌های انجام شده در این پیکربندی باید به همراه آزمون‌های باز بودن انتها به انتها صورت گیرد.

تنظیمات آزمایش کوتاه شده انتها به انتها و بین‌پیچ القایی عملکرد ضعیفی در شناسایی تغییرات نشان داده‌اند. تنظیم آزمایش بین‌پیچ القایی تأثیر عیوب وارد شده را در یک باند فرکانسی بسیار باریک نشان می‌دهد که مشاهده و تشخیص آن را دشوار می‌سازد. حذف پاسخ هسته در تنظیم کوتاه شده انتها به انتها بر اثر بخشی تشخیص عیب و تفسیر تأثیر می‌گذارد و داده‌های دریافتی در مورد شرایط فنی ترانسفورماتور ناقص است.

در عمل صنعتی معمولاً دو تنظیم آزمایش اندازه‌گیری می‌شود: باز بودن انتها به انتها و کوتاه شده انتها به انتها. به‌خوبی می‌دانیم و در این مقاله ثابت شده که مورد دوم هیچ فایده‌ای ندارد. در عوض، باید از تنظیم آزمایش خازنی بین‌پیچ استفاده شود که پاسخ کاملاً متفاوتی را بر اساس تعامل خازنی بین دو پیچش ارائه می‌دهد.

دو تنظیم آزمون پیشنهادی

تنظیمات آزمون خازنی بین‌پیچ (Interwinding Capacitive) و آزمون انتها به انتها (End-to-End) در کنار هم مجموعه‌ای غنی از داده‌ها را برای بررسی‌های دقیق‌تر فراهم می‌کنند. نکته‌ی مهم این است که اطلاعات مربوط به هندسه‌ی سیم‌پیچ تنها از طریق تنظیم آزمون IntCap قابل استخراج است.

نتایج تحلیل پاسخ فرکانسی (FRA)

تفسیر نتایج FRA همچنان چالش‌برانگیز است، به‌ویژه وقتی داده‌های اندازه‌گیری قبلی در دسترس نباشند. بهره‌گیری هم‌زمان از تنظیمات آزمون E2E و IntCap در تحلیل، دقت تشخیص را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد. نویسندگان در حال توسعه‌ی روشی برای تفسیر هم‌زمان نتایج این دو تنظیم آزمون هستند.

مراجع

1. Banaszak S., Ocena stanu mechanicznego części aktywnej transformatorów metodą analizy odpowiedzi częstotliwościowej, Wydawnictwo Uczelniane ZUT w Szczecinie, 2016
2. Fairouz M., Yousof M., Ekanayake C., Frequency response analysis to investigate deformation of transformer winding, IEEE Transactions of Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 22 (2015), no. 4, pp. 2359–2367
3. IEC 60076-18:2012, Power transformers – Part 18: Measurement of frequency response, International standard.
4. Banaszak S., Analiza odpowiedzi częstotliwościowej uzwojeń transformatorów w świetle zaleceń projektu normy IEC 60076-18, Pomiary Automatyka Kontrola, 57 (2011), nr 4, s. 413-416
5. IEEE Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response Analysis for Oil-Immersed Transformers, IEEE Std C57.149-2012, (2013), pp. 1-72.

نویسندگان

M.Sc. Wojciech Szoka، دانشگاه تکنولوژی غرب پومرانی، دپارتمان الکتروتکنولوژی و تشخیص، آدرس: al. Piastów ۱۷, ۷۰-۳۱۰ Szczecin, Poland، پست الکترونیک: wojciech.szoka@zut.edu.pl

D.Sc. Szymon Banaszak، دانشگاه تکنولوژی غرب پومرانی، دپارتمان الکتروتکنولوژی و تشخیص، آدرس: al. Piastów ۱۷, ۷۰-۳۱۰ Szczecin, Poland

prof. Konstanty M. Gawrylczyk، دانشگاه تکنولوژی غرب پومرانی، دپارتمان الکتروتکنولوژی و تشخیص، آدرس: al. Piastów ۱۷, ۷۰-۳۱۰ Szczecin, Poland

منبع و شناسه ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، R. ۹۴ NR ۷/۲۰۱۸. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۱۸.۰۷.۱۰

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

آزمون FRA چیست؟

آزمون FRA یک روش غیرمخرب برای تشخیص تغییرات در پیچ‌ها و عیوب ترانسفورماتور است.

چگونه می‌توان عیوب ترانسفورماتور را شناسایی کرد؟

از طریق آزمون‌های تشخیصی مانند FRA که انواع تغییرات و عیوب را در پیچ‌ها تشخیص می‌دهد.

مزایای آزمایش خازنی بین‌پیچ چیست؟

آزمون خازنی بین‌پیچ دقت بالاتری در تشخیص عیوب نسبت به تنظیمات استاندارد دارد.

منبع: powerquality.blog