{"id":39,"date":"2022-03-11T10:24:00","date_gmt":"2022-03-11T10:24:00","guid":{"rendered":"http:\/\/pb.ee.pw.edu.pl\/pb\/biduelabz\/?post_type=part&p=39"},"modified":"2022-03-28T10:13:18","modified_gmt":"2022-03-28T09:13:18","slug":"przygotowanie-proby-wytrzymalosci-zwarciowej","status":"publish","type":"part","link":"http:\/\/pb.ee.pw.edu.pl\/pb\/biduelabz\/part\/przygotowanie-proby-wytrzymalosci-zwarciowej\/","title":{"raw":"Pomiar i badanie charakterystyk cz\u0119stotliwo\u015bciowych transformator\u00f3w","rendered":"Pomiar i badanie charakterystyk cz\u0119stotliwo\u015bciowych transformator\u00f3w"},"content":{"raw":"1. Cel \u0107wiczenia<\/strong>\r\n\r\nCelem \u0107wiczenia jest prezentacja metody diagnostycznej SFRA (ang. Sweep Frequency Response Analysis<\/em>) dla transformator\u00f3w. W ramach \u0107wiczenia nale\u017cy przeanalizowa\u0107 wyniki pomiar\u00f3w wykonanych na fizycznym modelu transformatora elektroenergetycznego oraz wykonanie aproksymacji przebieg\u00f3w za pomoc\u0105 metody vector fitting<\/em>.\r\n\r\n2. Podstawy teoretyczne<\/strong>\r\n\r\nPodstaw\u0105 diagnostyki i bada\u0144 naukowych jest pomiar. Zgodnie z definicj\u0105 encyklopedyczn\u0105 [1], pomiar rozumiany jest jako zbi\u00f3r okre\u015blonych dzia\u0142a\u0144 i do\u015bwiadcze\u0144, za pomoc\u0105 kt\u00f3rych wyznaczana jest warto\u015b\u0107 mierzonej wielko\u015bci. Poza przygotowaniem teoretycznym i praktycznym oraz realizacj\u0105 techniczn\u0105, poj\u0119cie obejmuje tak\u017ce interpretacj\u0119 wynik\u00f3w. Pomiary charakterystyk cz\u0119stotliwo\u015bciowych wi\u0105\u017c\u0105 si\u0119 \u015bci\u015ble z u\u017cyciem specjalistycznego sprz\u0119tu pomiarowego oraz komputera. Ka\u017cdy pomiar jest obci\u0105\u017cony pewnymi b\u0142\u0119dami, wynikaj\u0105cymi z r\u00f3\u017cnych przyczyn, np. wp\u0142ywem czynnik\u00f3w zewn\u0119trznych na przyrz\u0105d pomiarowy, b\u0142\u0119dy obs\u0142ugi, itp.\r\nKa\u017cda usterka transformatora powoduje straty finansowe dla sp\u00f3\u0142ki energetycznej. Mo\u017ce tak\u017ce powodowa\u0107 przerwy w dostawie energii, przymusowe odstawienie urz\u0105dzenia oraz jego napraw\u0119. Odstawienie urz\u0105dzenia z uwagi na jego awari\u0119 powinno by\u0107 odnotowane ze szczeg\u00f3lnym uwzgl\u0119dnieniem czasu wyst\u0105pienia usterki, przyczyn, danych znamionowych urz\u0105dzenia. Ma to na celu zbudowanie bazy danych, kt\u00f3ra mo\u017ce by\u0107 pomocna w przypadku wyst\u0105pienia kolejnych awarii lub przy podejmowaniu decyzji odno\u015bnie przysz\u0142ej eksploatacji.\r\nKa\u017cde odstawienie jednostki stwarza problemy natury technicznej, poniewa\u017c aby ponownie jednostk\u0119 uruchomi\u0107 trzeba znale\u017a\u0107 przyczyn\u0119 usterki, usun\u0105\u0107 j\u0105 i zabezpieczy\u0107 przed ponownym powstaniem wady. W. H. Bartley w swojej publikacji przedstawi\u0142 11 podstawowych przyczyn powstawania uszkodze\u0144 transformator\u00f3w:\r\n- Usterki izolacji \u2013 g\u0142\u00f3wna i zarazem najdro\u017csza przyczyna. Istniej\u0105 4 podstawowe czynniki wp\u0142ywaj\u0105ce na pogorszenie stanu izolacji: ciep\u0142o, utlenianie, kwasowo\u015b\u0107 i wilgo\u0107.\r\n- Usterki podczas procesu projektowania i zwi\u0105zane z fizycznym wykonaniem urz\u0105dzenia\r\n- Zanieczyszczenia oleju dla transformator\u00f3w olejowych\r\n- Przeci\u0105\u017cenia (d\u0142ugotrwa\u0142e, zwi\u0105zane z niekorzystnymi efektami termicznymi)\r\n- Po\u017car lub eksplozja \u2013 traktowane jako czynnik zewn\u0119trzny nie wynikaj\u0105cy z wewn\u0119trznych usterek, mog\u0105cych powodowa\u0107 po\u017car lub eksplozj\u0119 transformatora\r\n- Przepi\u0119cia \u0142\u0105czeniowe\r\n- Usterki eksploatacyjne i konserwacyjne\r\n- Pow\u00f3d\u017a\r\n- Niew\u0142a\u015bciwie wykonane po\u0142\u0105czenia\r\n- Wy\u0142adowanie atmosferyczne\r\n- Wilgo\u0107.\r\n\r\n3. Model fizyczny transformatora\r\n\r\nZa\u0142o\u017cenia modelu opiera\u0142y si\u0119 na wykorzystaniu transformatora suchego typu TRIHAL o mocy 250 kVA i przek\u0142adni 15\/0,4 kV (dane znamionowe pokazano w tabeli 1). Rdze\u0144 transformatora zosta\u0142 rozpakietowany w celu usuni\u0119cia uzwoje\u0144 wysokiego napi\u0119cia (kt\u00f3re okaza\u0142y si\u0119 by\u0107 po prostu atrap\u0105 \u2013 transformator s\u0142u\u017cy\u0142 do cel\u00f3w pokazowych).\r\n\r\nTabela 1. Dane znamionowe transformatora\r\n\"\"\r\n\r\nNa rysunku 1 pokazano rozpakietowany transformator testowy. Rdze\u0144 zosta\u0142 zdemontowany tylko w zakresie jarzma g\u00f3rnego. Dzi\u0119ki temu by\u0142o mo\u017cna z poszczeg\u00f3lnych kolumn zdj\u0105\u0107 uzwojenia wysokiego napi\u0119cia i zamontowa\u0107 nowe uzwojenia dla cel\u00f3w bada\u0144. Uzwojenia niskiego napi\u0119cia transformatora pozostawiono \u2013 s\u0105 zbudowane z blachy aluminiowej. Transformator po zainstalowaniu nowych uzwoje\u0144 testowych zostanie ponownie z\u0142o\u017cony i obw\u00f3d magnetyczny b\u0119dzie zamkni\u0119ty.\r\n\r\n\"\"\r\n\r\nRys. 1. Transformator testowy typu TRIHAL w trakcie rozpakietowywania rdzenia\r\n\r\nW celu budowy modelu fizycznego wykonano cewki z ta\u015bmy miedzianej o szeroko\u015bci 20 mm i grubo\u015bci 1 mm. Ka\u017cda cewka mia\u0142a po 30 zwoj\u00f3w, a ka\u017cdy zw\u00f3j zosta\u0142 zaizolowany za pomoc\u0105 ta\u015bmy izolacyjnej.\r\nDla okre\u015blenia warunk\u00f3w pomiaru zosta\u0142y wykonane testy uk\u0142adu. Badano wp\u0142yw obecno\u015bci ekranu na pomiar (dla wyr\u00f3wnania pola elektromagnetycznego wewn\u0105trz cewek) oraz wp\u0142yw sposobu przy\u0142\u0105czenia ekranu do cewki (odczepy uzwojenia cewki by\u0142y wewn\u0105trz i na zewn\u0105trz cewki). Uk\u0142ad pomiarowy pokazano na rysunku 2.\r\n\r\n\"\"\r\nRys. 2. Schemat uk\u0142adu pomiarowego do weryfikacji zbudowanych cewek: 1 \u2013 kable pomiarowe; 2 \u2013 bocznik pomiarowy\r\n\r\nAnalizator impedancji HP4196A mierzy\u0142 charakterystyk\u0119 cz\u0119stotliwo\u015bciow\u0105 cewki wzorcowej w okre\u015blonym zakresie 10 \u2013 107 Hz \u2013 skala logarytmiczna (1):\r\n\"\"\r\n\r\n(1)\r\n\r\n \r\n\r\ngdzie: Z \u2013 impedancja cewki wzorcowej, R \u2013 rezystancja bocznika pomiarowego.\r\n\r\n4. Metoda SFRA<\/strong>\r\n\r\nMetoda odpowiedzi cz\u0119stotliwo\u015bciowej (ang. Frequency Response Analysis<\/em> \u2013 FRA) powsta\u0142a w 1978 r. [2]. Standardowa FRA bazuje na graficznej interpretacji pomiaru impedancji uzwoje\u0144 transformatora w szerokim spektrum cz\u0119stotliwo\u015bci. Funkcja wymierna, opisuj\u0105ca okre\u015blony przebieg impedancyjny, jest por\u00f3wnywana z funkcj\u0105 referencyjn\u0105, tj. zdj\u0119t\u0105 np. z tego samego transformatora w momencie instalacji lub z jednostki identycznej (tzw. odcisk palca \u2013 ang. fingerprint<\/em>). Zmiany w kszta\u0142cie funkcji i cz\u0119stotliwo\u015bciach rezonansowych s\u0105 g\u0142\u00f3wnymi wska\u017anikami odpowiednich zmian uzwojenia lub rdzenia. Zgodnie z [3], za pomoc\u0105 metody FRA mo\u017cna wykry\u0107 nast\u0119puj\u0105ce usterki:\r\n- Zwarcia zwojowe i w przewodach r\u00f3wnoleg\u0142ych\r\n- Uszkodzenia i nieprawid\u0142owo\u015bci w obwodzie magnetycznym (uziemienie rdzenia, ekran\u00f3w, itp.)\r\n- Niespr\u0119\u017cyste deformacje geometryczne uzwoje\u0144 (osiowe i promieniowe)\r\n- Przesuni\u0119cie uzwoje\u0144 na kolumnach rdzenia\r\n- Uszkodzenia izolator\u00f3w przepustowych\r\n- Uszkodzenia w obr\u0119bie prze\u0142\u0105cznika zaczep\u00f3w pod obci\u0105\u017ceniem\r\n- Uszkodzenia mechaniczne powsta\u0142e wskutek transportu transformatora.\r\nOdpowied\u017a cz\u0119stotliwo\u015bciow\u0105 mo\u017cna otrzyma\u0107 za pomoc\u0105 dw\u00f3ch metod pomiarowych: LVI i SFRA (ang. Sweep Frequency Response Analysis<\/em>). Pomiar metod\u0105 SFRA polega na przy\u0142o\u017ceniu do uzwoje\u0144 transformatora sygna\u0142u sinusoidalnego o cz\u0119stotliwo\u015bci zmienianej w szerokim zakresie i rejestracji odpowiedzi urz\u0105dzenia w funkcji cz\u0119stotliwo\u015bci. Zakres cz\u0119stotliwo\u015bci sygna\u0142u wymuszaj\u0105cego zosta\u0142 podany w tabeli 2 [4], gdzie w trzeciej kolumnie oznaczono, czy pomiar dotyczy\u0142 impedancji (Z), transmitancji (H) opisanych poni\u017cszymi wzorami (1). Skok cz\u0119stotliwo\u015bci nale\u017cy dobra\u0107 w ten spos\u00f3b, aby by\u0142 poni\u017cej 2% warto\u015bci poprzedniej cz\u0119stotliwo\u015bci.\r\n\"\"\r\n\r\n(2)\r\n\r\n \r\n\r\n \r\n\r\n \r\n

Tabela 2. Zakresy pomiarowe cz\u0119stotliwo\u015bci sygna\u0142u wymuszaj\u0105cego [4]<\/p>\r\n\"\"\r\n\r\nPomiary wykonuje si\u0119 w dw\u00f3ch uk\u0142adach przedstawionych na rysunku 3, przy czym obydwa uk\u0142ady mog\u0105 mierzy\u0107 zar\u00f3wno impedancj\u0119 jak i transmitancj\u0119.\r\n\r\n\"\"\r\nRys. 3. Schemat blokowy uk\u0142adu pomiarowego technik\u0105 SFRA [4]: a) zaciski pomiarowe wpi\u0119te w obw\u00f3d tej samej strony napi\u0119cia b) zaciski pomiarowe wpi\u0119te w obwody o r\u00f3\u017cnych stronach napi\u0119cia\r\n\r\nWarto zwr\u00f3ci\u0107 uwag\u0119, i\u017c pomiar wykonany metod\u0105 SFRA na jednostce uszkodzonej mo\u017ce jedynie potwierdzi\u0107 wyst\u0105pienie uszkodzenia wraz z ujawnieniem jego skali i lokalizacji. Diagnostyka SFRA ma istotne znaczenie przy prowadzeniu diagnostyki okresowej, kiedy mo\u017cliwe jest \u015bledzenie stanu technicznego transformatora. Ma to zastosowanie w odpowiednio wczesnym formu\u0142owaniu zalece\u0144 i wniosk\u00f3w odno\u015bnie dalszej eksploatacji, przy planowaniu proces\u00f3w remontowych itp., co wi\u0105\u017ce si\u0119 z polepszeniem niezawodno\u015bci systemu elektroenergetycznego.\r\nBadanie metod\u0105 SFRA jest relatywnie d\u0142u\u017csze ni\u017c w przypadku LVI. Dodatkowo, powstaje problem odno\u015bnie interpretacji wynik\u00f3w. Zak\u0142ada si\u0119 wi\u0119c dwa podej\u015bcia [4]:\r\na) Analiza por\u00f3wnawcza wynik\u00f3w, przy za\u0142o\u017ceniu posiadania pomiar\u00f3w na nieuszkodzonej, tej samej jednostce.\r\nb) Analiza por\u00f3wnawcza wynik\u00f3w przy u\u017cyciu pomiar\u00f3w:\r\n- wykonanych na r\u00f3\u017cnych fazach tego samego transformatora\r\n- wykonanych na jednostce \u201ebli\u017aniaczej\u201d.\r\n\r\nSamej analizie podlegaj\u0105 zmiany w kszta\u0142cie otrzymanych krzywych w dziedzinie cz\u0119stotliwo\u015bci, pojawienie si\u0119 nowych punkt\u00f3w rezonansowych lub zanik rezonans\u00f3w wyst\u0119puj\u0105cych przy jednostce sprawnej oraz znaczne przesuni\u0119cia w cz\u0119stotliwo\u015bciach rezonansowych. W celu ilo\u015bciowego okre\u015blenia r\u00f3\u017cnic w pomiarach zosta\u0142y zdefiniowane parametry:\r\n- Wsp\u00f3\u0142czynnik korelacji (ang. Correlation Coefficient<\/em> \u2013 CC) definiowany poni\u017cszym r\u00f3wnaniem\r\n\"\"\r\n\r\n \r\n\r\n(3)\r\n\r\n \r\n\r\n \r\n\r\n\"\"\r\n\r\n \r\n\r\n \r\n\r\n \r\n\r\n- Odchylenie standardowe (ang. Standard Deviation<\/em> \u2013 SD)\r\n- Maksymalna bezwzgl\u0119dna r\u00f3\u017cnica (ang. Maximum Absolute Difference<\/em> \u2013 DABS) definiowana poni\u017cszym r\u00f3wnaniem\r\n\"\"\r\n\r\n \r\n\r\n(4)\r\n\r\n \r\n\r\n\"\"\r\n\r\n \r\n\r\n \r\n\r\n- B\u0142\u0105d sumy kwadrat\u00f3w (ang. Sum of Squares Error<\/em> \u2013 SSE)\r\n- Wsp\u00f3\u0142czynnik b\u0142\u0119du sumy kwadrat\u00f3w (ang. Sum Squared Ratio Error<\/em> \u2013 SSRE)\r\n- B\u0142\u0105d max-min sumy kwadrat\u00f3w (ang. Sum Square Max-Min Error<\/em> \u2013 SSMMRE)\r\n- B\u0142\u0105d bezwzgl\u0119dnej sumy logarytm\u00f3w (ang. Absolute Sum of Logarythmic Error \u2013 ASLE) definiowany poni\u017cszym r\u00f3wnaniem\r\n\r\n\"\"\r\n\r\n \r\n\r\n(5)\r\n\r\n\"\"\r\n\r\n \r\n\r\n \r\n\r\n \r\n\r\nZ rozwa\u017ca\u0144 i bada\u0144 nad powy\u017cszymi parametrami wynika, i\u017c CC jest u\u017cyteczny statystycznie, natomiast SD jest parametrem ma\u0142o wiarygodnym por\u00f3wnawczo. Wsp\u00f3\u0142czynnik CC jest ma\u0142o wra\u017cliwy na detekcj\u0119 zmian w odpowiedzi cz\u0119stotliwo\u015bciowej podobnych krzywych ze sta\u0142\u0105 r\u00f3\u017cnic\u0105 w amplitudzie. W zasadzie wi\u0119kszo\u015b\u0107 z powy\u017cszych parametr\u00f3w, poza ASLE, posiada niepo\u017c\u0105dane wady numeryczne, jednak dla wszystkich nadal brakuje wyznaczonego normalnego zakresu zmienno\u015bci [5].\r\nW zwi\u0105zku z powy\u017cszymi trudno\u015bciami zosta\u0142y zaproponowane inne sposoby, w celu zapewnienia skutecznej interpretacji wynik\u00f3w pomiar\u00f3w. Poni\u017cej w tabeli 3 okre\u015blono je, wraz z ich zaletami i wadami.\r\n

Tabela 3. Propozycje skutecznej interpretacji wynik\u00f3w pomiar\u00f3w metod\u0105 SFRA\r\n\"\"<\/p>\r\nJak wida\u0107 z tabeli 3, istnieje kilka sposob\u00f3w do interpretacji wynik\u00f3w pomiar\u00f3w metod\u0105 SFRA, jednak nale\u017cy zauwa\u017cy\u0107, i\u017c w praktyce istnieje wiele \u017ar\u00f3de\u0142 niepewno\u015bci i\u00a0niedok\u0142adno\u015bci wynik\u00f3w pomiar\u00f3w. Odpowiedzi\u0105 cz\u0119stotliwo\u015bciow\u0105 uk\u0142adu liniowego na wymuszenie sinusoidalne o zmiennej cz\u0119stotliwo\u015bci jest tak\u017ce sinusoida z r\u00f3\u017cn\u0105 amplitud\u0105 i\u00a0faz\u0105. Wymusza to wzi\u0119cie pod uwag\u0119 podczas analizy metody dw\u00f3ch czynnik\u00f3w [4]:\r\n