بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي تغييرات مشخصه آناليز پاسخ فرکانسي در شرايط مختلف تست FRAدرترانسفورماتورهاي قدرت
چکيده :
آناليز پاسخ فرکانسي ويا به عبارت ديگر روش تابع انتقال ازجمله تکنيکهاي قدرتمند در مانيتورينگ ترانسفورماتورهاي قدرت مي باشدکه مي تواندکمک قابل توجهي به افزايش طول عمر ترانسفورماتور وقابليت اطمينان درشبکه سراسري برق نمايد .يکي از چالشهاي مهمي که در اين روش وجود دارد،چگونگي تغييرات تابع انتقال سيم پيچ ترانسفورماتور دراثروقوع خطاهاي مختلف مي باشد.با توجه به اينکه درآناليزپاسخ فرکانسي، روشهاي مدلسازي کارايي چنداني ندارند، لذا تحقيقات ومطالعات دراين زمينه بر روي شبيه سازي خطاهاي مختلف و اندازه گيريهاي متعدد متمرکز شده است .در اين تحقيق ابتدا روش آناليز پاسخ فرکانسي ١ معرفي شده و بررسي روي شرايط مختلف هنگام اجراي تست که در پاسخ تاثير گذار هستند انجام شده است . از اجراي اين روش دو مجموعه پاسخ به دست مي آيد که يکي از آنها مرجع و ديگري اندازه گيري شده است . اين دو مجموعه پاسخ با يکديگر مقايسه مي شوند ،اگر تفاوتي بين آنها وجود داشت ، به اين معني است که ترانسفورماتور دچار عيب شده است .نتايج اين تست نسبت به شرايط سيستمهاي اندازه گيري از قبيل مقدار امپدانس موازي،سيمهاي رابط و غيره حساسيت زيادي نشان مي دهد.در اين تحقيق عوامل تاثيرگذار بر نتايج اين تست بررسي شده اند.
کليد واژه - آناليزپاسخ فرکانسي ، تابع تبديل ، ترانسفورماتور، عيب يابي سيم پيچ
١-مقدمه
ترانسفورماتورهاي قدرت اجزاي گرانقيمتي هستند که بايد شرايط آنها به دقت کنترل شود تا هر زمان که به کوچکترين مشکلي برخوردند، تحت تعمير قرار گيرند . آناليز پاسخ فرکانسي هنگامي که احتمال تغيير شکل و يا جابجايي در سيم پيچ وجود داشته باشد به عنوان يک تکنيک مناسب جهت تشخيص عيب به شمار مي رود. در اين روش امکان تخمين محل خطا مبتني بر مقايسه شکل موجهاي سه فاز اندازه گيري شده از قبل و اندازه گيري شده جديد وجود دارد. در اين تحقيق تأثير اندازه گيري پارامترهايي از قبيل کابلهاي اندازه گيري، بوشينگها ، روغن عايقي و اتصال تپ در مشخصه هاي آناليز پاسخ فرکانسي، بررسي شده است .
٢-اصل آشکار سازي خطا
امپدانس ترانسفورماتوري ترکيبي از مقادير اجزاء سيم پيچ ( مقاومتها، راکتانسهاي نشتي و خازنها) و اجزاء تحريک ( رسانايي، مولفه موهومي ادميتانس و خازن ) مي باشد. اجزاء سلف و خازن (L,C) ايجاد رزونانس مي کنند.فرکانس رزونانس نيز عموما ( fr)رابطه زير به دست مي آيد.[٤]
آناليز پاسخ فرکانسي در طول يک طيف فرکانسي اجرا مي شود و قادر است تعدادي از نقاط رزونانس را آشکار کند.بنابراين امکان تخمين محل هاي دچار نقص شده که از روش هاي معمولي قابل تشخيص نيستند، با اين تکنيک وجود دارد.
٣-روش اندازه گيري
يک شکل موج طي يک محدوده فرکانسي از 100Hz تا 1Mhz و يا 2Mhz که بهينه ترين بازه براي جلوگيري از تاثير نويزهاي اطراف ترانسفورماتور مي باشد، به ترمينال فشار قوي ترانسفورماتور اعمال مي شود .امپدانس يا ادميتانس ترانسفورماتور ( تابع تبديل ) با حدود ٨٠٠ نقطه نمونه برداري فرکانسي محاسبه شده و رسم مي شود. حداکثر ولتاژ اعمالي نيز١٠ولت مي باشد. امپدانس ورودي ابزار اندازه گيري است و امپدانس مشخصه کابل اندازه گيري هم ...٥٠ است .[٤]
٤-تاثير پارامترهاي اندازه گيري ترانسفورماتور
هدف از اندازه گيري پاسخ فرکانسي اين است که با مشاهده بعضي تفاوت ها در شکل موج مشخصه هاي پاسخ فرکانسي وجود دارد ، عيوب و خرابي ها در ترانسفورماتور تشخيص داده شود. نتايج تست پاسخ فرکانسي فقط به شرايط سيم پيچ ترانسفورماتور بستگي ندارد وازسيستمهاي اندازه گيري نيز به شدت تاثير مي پذيرد .در صورتيکه پارامترهاي اندازه گيري باعث ايجاد تفاوتهايي در پاسخ شوند، عمليات تشخيص عيب نمي تواند با دقت انجام شود . در اين تحقيق تاثير پارامترهاي اندازه گيري نظير مقدار امپدانس موازي،کابل هاي اندازه گيري (طول ونحوه اتصال ) و بوشينگهاي تست ، روغن عايقي و اتصال تپ ها ، روي مشخصه هاي پاسخ فرکانسي بررسي مي شوند.[٤]
٤-١-تاثيرمقدارامپدانس موازي
در اندازه گيريهايFRA براي اندازه گيري جريان پاسخ از يک مقاومت شنت استفاده مي شود .اندازه گيريها دريک طيف فرکانسي انجام مي شود که در آن اندازه گيريهاي مرتبط با جابجايي هاي خيلي کوچک سيم پيچ ،که درفرکانسهاي بالاتر(MHz١<) آشکار مي گردد، اهميت خاصي پيدا مي کند .در فرکانسهاي کمتر امپدانس موازي (معمولا ٥٠ اهم ) درمقايسه با امپدانس ترانسفورماتور چندان مهم نيست .
اما درفرکانسهاي خيلي بالاتر، امپدانس موازي نسبت به امپدانس ترانسفورماتور قابل ملاحظه خواهد بود. معمولا امپدانس موازي مي باشد که امپدانس ورودي طيف دستگاه تحليلگر مي باشد. براي ارزيابي اثر امپدانس شنت روي اندازه گيري هايFRA تحقيقات روي يک ترانسفورماتور توزيع وبا سه مقدارمقاومت موازي ٥٠و ١٠ و ١ اهم انجام شده است .دو مقدار اول ، مقادير معمول براي تستهايFRA مي باشند.
شکل (١) اثر مقاومت شنت روي پاسخ فرکانسي تا MHZ١٠
واضح است که براي جابجايي هاي کوچکتر درسيم پيچ ، منحني هاي تابع ادميتانس با مقاومت موازي کوچکتر، بيشتر تغيير مي کند .البته حساسيت نسبي آشکارسازي به اندازه و نوع ترانسفورماتور نيز بستگي دارد .باتوجه به شکل (١) تابع ادميتانس ورودي در بازه MHz١٠- MHz٢ فرکانسهاي رزونانس مختلفي دارد که اين با برخي ازمدلهاي فرکانس بالاي ترانسفورماتور که بصورت خالص خازني است ، درتعارض مي باشد. دريک اندازه گيري عمليFRA ،تابع انتقال اندازه گيري شده ، نه تنها شامل تابع شبکه ،ترانسفورماتور بلکه شامل مقاومت موازي و امپدانسهاي سيمها نيزمي باشد .به عبارتي مقاومت موازي علاوه براينکه حساسيت اندازه گيري راکاهش مي دهد، رزونانسهاي مداررا نيزفرومي نشاند .اين اثرمي تواند خيلي مهم باشد. بنابراين ، مي توان نتيجه گرفت که حساسيت آشکارسازيFRA ،با افزايش مقاومت موازي بطور قابل ملاحظه اي کاهش مي يابد .البته مقدار بهينه اين امپدانس در اندازه گيري ها همان است که تعادلي بين ميزان حساسيت و جلوگيري از تاثير نويز بر پاسخ ايجاد مي کند.
٤-٢-تأثير بوشينگ فشار قوي
يک ترانسفورماتور توزيع ،که بوشينگ اصلي آن با يک بوشينگ از نوع کاغذ روغني27KV جايگزين شده است براي مطالعه اثربوشينگ روي نتايج تستهايFRA بکارگرفته شده است .اندازه گيري در بالاي بوشينگ به مفهوم اندازه گيريهاي FRA در ترمينال ورودي بوشينگ مي باشد ، در اندازه گيري پايين اندازه گيريهاي FRA مستقيما در سرسيم پيچ فشارقوي درون ترانسفورماتور انجام مي شود .در هر دوحالت پالس ورودي به بالاي بوشينگ فشارقوي اعمال مي شود.
جريان کوپل شده به سيم پيچ ثانويه نيزبوسيله يک مقاومت شنت اندازه گيري مي شود .تنها تفاوت در نقطه اندازه گيري ولتاژ است که يکي دربالاي بوشينگ وديگري درپايين بوشينگ انجام مي شود .تابع تبديل ادميتانس در دو حالت در شکل (٢) آمده است .
نتايج نشان مي دهد که ادميتانس اندازه گيري شده در سرسيم پيچ فشار قوي کوچکتر از اندازه گيري در ترمينال بالاي بوشينگ است . درفرکانسهاي بالاترازMHz٣ اندوکتانس سيم بوشينگ ، ولتاژخازن معادل سيم پيچ را کاهش مي دهد .
بنابراين ادميتانس اندازه گيري شده در بالاي بوشينگ بزرگتر مي شود.
شکل (٢).اندازه گيري هاي FRA در بالا و پايين بوشينگ
ادميتانس هاي اندازه گيري شده تا فرکانس MHz٣ ، تقريبا يکسان هستند. براي بالاتر ازMHz٣ اندازه گيريهاي بالا و پايين بوشينگ بطور قابل ملاحظه اي تفاوت مي يابند .نکته بسيار مهم اينجاست که همه اين اندازه گيريها با سيمهاي رابط خيلي کوتاه انجام شده اند .درحاليکه دريک اندازه گيري درون سايت مخصوصا در ترانسفورماتورهاي قدرت بزرگ ، ابعاد فيزيکي مساله سازمي گردد .براي يک بوشينگ فشار قوي که ٥ متر طول دارد سيگنالهاي اعمالي بايد اين طول سيم را طي کرده تا به بوشينگ و سپس به سيم پيچ اعمال شوند .مولفه هاي فرکانس بالاي سيگنال منبع بوسيله خازنهاي بوشينگ زمين مي شوند . همچنين اندوکتانسهاي سيم وبوشينگ درمقايسه با امپدانس ترانسفورماتور در فرکانسهاي بالا قابل ملاحظه مي گردند .اين بدان معناست که امپدانس سيم پيچ و بوشينگ مي تواند تغييرات مورد انتظار درامپدانس ترانسفورماتور را بپوشاند.
بنابراين مي توان نتيجه گرفت که اندازه گيريهايFRA تا حدود فرکانس Mhz٣ تحت تاثيربوشينگ فشار قوي وسيم رابط نيست اما در فرکانسهاي بالاتر از Mhz٣ اين امپدانسها
۳ - ۴ - تاثیر اتصال نقطه خنثی سیم پیچ فشار قوی
چگونگی اتصال نقطه خنثی ترانسفورماتور فشار قوی می تواند روی نتایج اندازه گیریهای FRA تاثیر بگذارد . نتیجه تست انجام شده روی یک ترانسفورماتور توزیع در دو حالت در شکل (۴) نشان داده شده است . در یک حالت نقطه خنثی سیم پیچ فشار قوی معلق می باشد. در حالت دیگر نیز نقطه خنثی به مخزن ترانسفورماتور متصل شده است. (زمین شده است) ولتاژ ورودی به یک سر بوشینگ اعمال شده و جریان کوپل شده از طریق یک مقاومت شنت که بین سیم پیچ فشار ضعیف و تانک قرار دارد، اندازه گیری شده است. با توجه به شکل (۴) می توان گفت که نتایج از نوع اتصال نوترال تاثیر پذیر است. برای فرکانسهای کمتر Mhz
1.5 این تاثیر اصلا مهم نیست و نتایج در دو حالت کاملا یکسان است. اما در فرکانسهای بالاتر از ۲Mhz، مقداری تفاوت وجود دارد . بنابراین در تست برای آشکارسازی تغییرات کوچک در سیم پیچ این نکته حائز اهمیت است که در مقایسه منحنی های تابع انتقال ، شرایط اتصال زمین باید کاملا یکسان باشد.
4-٤-تاثيرسيم هاي رابط اندازه گيري
اثرات سيمهاي رابط فشارقوي وزمين با استفاده ازدوسري از کابلهاي کواکسيال مختلف بررسي مي گردد. يکي سيمهاي رابط استاندارد با طولهاي مناسب که براي اندازه گيريهاي FRA درترانسفورماتورهاي قدرت مي باشد و ديگري سيمهاي رابط خيلي کوتاه که در مورد ترانسفورماتورهاي توزيع به کار مي رود .درشکل (٥) تابع انتقال ادميتانس يک ترانسفورماتور توزيع براي دو نوع سيم رابط کوتاه واستاندارد نشان داده است .اين سيمها شامل سيمهاي زمين پروب وسيگنال ژنراتور و سيمهاي رابط بين بوشينگ و وسيله اندازه گيري بوده اند .اين نکته قابل توجه است که دوتابع ادميتانس در بازه فرکانسي400KHz-0 تقريبا يکسان هستند. بين 400KHz تا 2MHz ادميتانسهاکمي اختلاف دارند ولي براي فرکانسهاي بالايMHz ٢ ميزان اختلاف افزايش مي يابد .اين امر بيانگر آن است که پيکربندي با سيمهاي کوتاه ، درمقايسه با سيمهاي استاندارد امپدانس خيلي کوچکتري ( درفرکانسهاي بالاتر از 2MHz) از خود نشان مي دهد .بنابراين پيکربندي با سيمهاي کوتاه ،حساسيت خيلي بيشتري نسبت به تغييرات فرکانس بالاي سيم پيچي ترانسفورماتور ازخودنشان مي دهد.
همچنين هنگام استفاده ازسيمهاي بلند براي فرکانسهاي بالاتر ازKHz٥٠٠ ادميتانس اندازه گيري شده قابل مقايسه با ادميتانس سيم رابط است .لذا حساسيت نسبت به تغييرات در سيم پيچ ترانسفورماتور به شدت کاهش مي يابد .بنابراين در يک دسته بندي مي توان گفت که اندازه گيريهاي با سيمهاي بلند تا فرکانس KHz٥٠٠ واندازه گيريهاي با سيمهاي استاندارد تا فرکانس MHz٢٣ تا حدود زيادي معتبر مي باشند [١] .
البته در مرجع [٣] تأثير کابلهاي اندازه گيري روي مشخصه FRA توسط اندازه گيري امپدانسي و همچنين با شبيه سازي توسط نرم افزار ATP-EMTP بررسي شده است که نتايج نشان مي دهد که تا مرز KHZ١٠ اثري ندارد ولي ازفرکانس KHZ١٠ به بالا اثر خود را که زياد هم هست به خوبي نشان مي دهد . در واقع از اولين فرکانس رزونانس به بالا طول کابل اندازه گيري روي مشخصه تأثير گذار است .و اين تأثير هم به دليل خاصيت خازني کابل اندازه گيري نسبت به زمين است .
البته نتايج شبيه سازي و اندازه گيري تقريبا مشابه هستند ، فقط کمي اختلاف در شکل (٦) مشاهده مي شود و به دليل زمين شدن غلاف کابل اندازه گيري در عمل است که باعث کوچکتر شدن ميزان خاصيت خازني به زمين در طول اندازه گيري نسبت به حالت شبيه سازي شده است .لازم به ذکر است که مشخصات کابل مورد استفاده در اين آزمايش در طولهاي مختلف ، کابلي است با امپدانس مشخصه ٥٠ اهم ، امپدانس کاپاسيتانس
عوامل متعدد ديگري مانند موقعيت تپ چنجر،دما، الگوريتم نرم افزاري بکارگرفته شده ، پيري عايق و ... روي نتايج اثرگذارند .
توضيحات بيشتر در اين زمينه درمرجع [٢] آمده است . البته در مرجع [٤] نيز دو عامل عايق روغني و موقعيت اتصال تپ نيز به طور مجزا توسط تحليل نمودار امپدانس بر حسب فرکانس در شرايط مختلف بررسي شده است که در ذيل به آن پرداخته شده است .
٤-٥-تاثير حضور يا عدم حضور عايق روغني [٤]
در اکثر موارد اندازه گيري FRA با حضور روغن انجام مي شود در بعضي از موارد به دليل محدوديت هاي زماني ، در فرآيند عمليات مونتاژ ، تست و دمونتاژ ، امکان مقايسه نتايج در دو حالت با و بدون حضور روغن وجود ندارد و در اينجا با لحاظ کردن چنين مواردي اندازه گيري FRA و شبيه سازي آن در حالت با روغن و بدون روغن عايقي روي ترانس قدرت سه فاز (40MVAو 132KV)اجرا شده است البته عايق هاي جامد هم در بين عايق روغن غوطه ور است با توجه به شکل (٧-الف ) نوسان مشخصه امپدانس در فرکانس رزونانس و محدوده فرکانسي بالاتر در هر دو حالت با و بدون روغن مشهود است البته مشخصه بدون روغن شبيه حالت با روغن است ، فقط به طور افقي گسترش يافته است .
نتايج شبيه سازي توسط ATP-EMTP هم مشابه نتايج اندازه گيري شده است . شکل (٧-ب ) . تفاوت بين دو نمودار در اولين فرکانس رزونانس و در محدوده فرکانسي بالاتر از آن به علت اختلاف در ثابت هاي دي الکتريک بين عايق هاي هوا و روغن که عدد مربوط به عايق روغني بزرگتر است از عايق هوا ، بنابراين طبق رابطه (١) فرکانس رزونانس در حالت بدون عايق روغن بالاتراز حالت با عايق روغن است
البته ساختار عايقي اطراف سيم پيچ فشار قوي که ولتاژ به آن اعمال مي شود ،منحصرا ،يک ساختار عايقي روغن . هوا نيست (شکل (٨))، بلکه يک ساختار ترکيبي از عايق هاي جامد و عايق بندي روغن . هوا است
