Приложение ДА (рекомендуемое). Рекомендации по интерпретации результатов измерений частотных характеристик

Приложение ДА
(рекомендуемое)

Рекомендации
по интерпретации результатов измерений частотных характеристик

ДА.1 Интерпретация результатов с использованием собственных частот колебаний обмоток

ДА.1.1 Общие сведения

Для интерпретации результатов измерений на практике широко используют сравнение измеренных частотных характеристик с помощью корреляционного анализа и коэффициентов парной корреляции (или других коэффициентов, производных от них), показывающих различие частотных характеристик в широком диапазоне частот. Несмотря на свою простоту данный подход, будучи основан на интегральных показателях, не позволяет учесть специфику объекта измерений и интерпретировать тип и местоположение дефекта. Широкое распространение получил подход, в котором сравнение частотных характеристик выполняют отдельно для трех частотных диапазонов (низких, средних и высоких частот). Полагают, что изменения частотной характеристики в первом частотном диапазоне являются индикатором серьезного повреждения обмотки, в то время как соответствующие изменения во втором частотном диапазоне при равном коэффициенте парной корреляции классифицируют как менее серьезные повреждения обмотки. При этом границы частотных диапазонов (от 1 до 100 кГц, от 100 до 600 кГц и от 600 до 1000 кГц) установлены без учета типа обмотки и характерных значений ее собственных частот.

Очевидно, что такое разделение на фиксированные частотные диапазоны является весьма условным, отражает отдельные частные случаи и имеет разную степень применимости в зависимости от типа обмоток. Например, для катушечных обмоток класса напряжения 110 кВ и выше первая собственная частота обычно составляет порядка 10-20 кГц, и в первом частотном диапазоне от 1 до 100 кГц будут расположены первые 5-10 собственных частот. Для винтовых и цилиндрических обмоток классов напряжения от 6 до 20 кВ первая собственная частота может составлять порядка 200-300 кГц, и первые собственные частоты обмоток окажутся во втором частотном диапазоне (от 100 до 600 кГц).

Качественно иным образом интерпретация результатов измерений частотных характеристик может быть выполнена исходя из анализа особенностей конструкции объекта измерения и применяемых в нем типов обмоток на основе анализа собственных частот колебаний этих обмоток.

В частотной характеристике отдельной обмотки, измеренной относительно начала и конца обмотки, содержится набор резонансных и антирезонансных частот, имеющих разную природу. Отдельные резонансные частоты соответствуют собственным частотам колебаний обмоток, которые являются их фундаментальными характеристиками. Эти частоты в первую очередь зависят от электрической длины обмотки, физических параметров продольной изоляции обмотки (например, диэлектрической проницаемости витковой изоляции), расположения и электромагнитной связи отдельных частей обмотки, ограничений на пространственное распределение напряжения внутри обмотки (соединения между частями обмоток, соединение выводов обмоток с землей).

Изменения собственных частот обмоток, как правило, связаны с серьезными повреждениями обмоток и имеют различный графический образ в зависимости от типа повреждения и его местоположения.

ДА.1.2 Определение собственных частот колебаний обмотки

Для идентификации собственных частот может быть использован подход, основанный на сравнении измеренной частотной характеристики и активной проводимости рассматриваемой обмотки при разомкнутой и замкнутой накоротко вторичной обмотке. Суть данного подхода состоит в том, что на первых собственных частотах в пространственном распределении тока рассматриваемой обмотки имеются узлы, в которых ток меняет направление, в результате чего токи в соседних частях обмотки имеют противоположное направление. Электродвижущие силы, наводимые в витках вторичной обмотки, взаимно компенсируются, а магнитной поток, создаваемый первичной обмоткой, проникает в магнитопровод, не встречая реакции со стороны вторичной обмотки. Таким образом, на частоте, соответствующей одной из первых собственных частот колебаний рассматриваемой обмотки, замыкание накоротко вторичной обмотки практически не оказывает влияния на полное входное сопротивление этой первичной обмотки и значения ее собственных частот колебаний. Вместе с тем, состояние вторичной обмотки, ее замыкание и размыкание, на частотах много ниже первой собственной частоты колебаний оказывает влияние на проникновение магнитного потока в магнитопровод и путь, по которому замыкается этот поток. Это приводит к существенному изменению полного входного сопротивления рассматриваемой обмотки и смещению резонансных частот межобмоточного взаимодействия (рисунок ДА.1). Данное правило справедливо как для наружных обмоток ВН, так и для внутренних обмоток НН.

1 - обмотки НН1 и НН2 разомкнуты; 2 - обмотка НН1 закорочена; 3 - обмотки НН1 и НН2 закорочены

Рисунок ДА.1 - Частотная характеристика первичной обмотки при разомкнутой и замкнутой частях расщепленной обмотки НН

Алгоритм определения собственных частот колебаний обмотки содержит следующие основные шаги:

а) по измеренным частотным характеристикам обмотки при разомкнутой и замкнутой накоротко вторичной обмотке выполняют приближенную оценку полной проводимости обмотки

,

(ДА.1)

где - согласующее сопротивление канала измерения выходного напряжения;

j - мнимая единица;

- круговая частота источника;

f - частота источника;

- емкость на землю относительно канала измерения выходного напряжения (емкость высоковольтного ввода и отводов, соединяющих конец обмотки с вводом и другими обмотками, а также емкость измерительных кабелей и соединительных проводов);

и - входное и выходное напряжения;

;

;

б) вычисляют активную проводимость обмотки как действительную часть полной проводимости ;

в) определяют резонансные частоты, на которых достигаются локальные максимумы активных проводимостей обмотки при разомкнутой и замкнутой накоротко вторичной обмотке;

г) для определения собственных частот колебаний обмотки выявляют те резонансные частоты, на которых достигается совпадение частотных характеристик обмотки (активных проводимостей) при разомкнутой и замкнутой вторичной обмотке.

Альтернативно активная проводимость обмотки может быть вычислена непосредственно по значениям А и как  = ( - A ²)/(A ² -  + 1)/50. В такой форме записи вычисление может быть наиболее удобным образом добавлено в программное обеспечение для просмотра и анализа частотных характеристик, например, при наличии в нем возможности задания пользователем формул для расширения набора отображаемых величин.

Необходимо отметить, что наличие паразитной емкости C _s приводит к тому, что погрешность определения полной и активной проводимости по измеренным частотным характеристикам увеличивается с ростом частоты. Это проявляется, например, в аномально резком увеличении активной проводимости, полученной из выражения (ДА.1) с увеличением частоты (рисунок ДА.2). Однако как показывает практика, данная погрешность начинает сильно сказываться на частотах ближе к 1 МГц и в целом не мешает определять собственные частоты колебаний обмоток в диапазоне до нескольких сотен кГц.

1 - обмотки НН1 и НН2 разомкнуты; 2 - обмотка НН1 закорочена; 3 - обмотки НН1 и НН2 закорочены

Рисунок ДА.2 - Активная проводимость первичной обмотки при разомкнутой и замкнутой расщепленной обмотке НН

ДА.2 Выявление коротких внутренних замыканий в обмотках

В общем случае, при внутреннем КЗ в обмотке происходит выравнивание потенциалов точек обмотки, затронутых КЗ, изменение пространственного распределения напряжения в обмотке, и, как результат, изменение собственных частот колебаний обмоток.

При этом, если в результате виткового или межкатушечного замыкания в обмотке соединяются точки, имеющие на некоторой собственной частоте примерно равный потенциал, это не приводит к значимому искажению пространственного распределения напряжения U _max (см. рисунок ДА.3) на этой частоте и, как следствие, изменению рассматриваемой собственной частоты. Например, при замыкании в середине обмотки изменение нечетных собственных частот будет незначительным, поскольку на этих частотах в середине обмотки достигается максимум пространственного распределения.

Наоборот, замыкание части обмотки вблизи узлов пространственного распределения напряжения для некоторой собственной частоты приводит к существенному ее изменению. Так, замыкание в начале и конце обмотки приводит к увеличению всех собственных частот, а замыкание в середине высоты обмотки - к увеличению четных собственных частот.

Описанное поведение собственных частот проиллюстрировано на рисунке ДА.4, где показаны отклонения первых пяти собственных частот обмотки при замыкании двух из 52 катушек, полученные по результатам обработки измерений частотных характеристик по приведенному в ДА.1.2 подходу.

Поскольку при внутреннем КЗ в обмотке происходит сокращение ее электрической длины, собственные частоты обмотки, как правило, должны либо увеличиться, либо остаться практически без изменений в случае, когда КЗ имеет место вблизи максимума пространственного распределения напряжения для некоторой собственной частоты. Это важное свойство может быть использовано в качестве одного из основных признаков внутреннего замыкания в обмотке.

Рисунок ДА.3 - Спектральные распределения напряжений а), в) и распределения напряжений на первых пяти собственных частотах (f ₁, f ₂, f ₃, f ₄ и f ₅ соответственно) обмотки б), г) в катушечной обмотке без замыканий а), б) и при замыкании катушек в середине высоты в), г)

1-5 - отклонения по первой, второй, третьей, четвертой и пятой собственной частоте соответственно

Рисунок ДА.4 - Отклонения собственных частот обмотки при замыкании двух катушек в зависимости от местоположения замыкания L относительно начала обмотки

Другим признаком внутреннего замыкания применительно к обмотке, размещенной на стержне магнитопровода, может являться значительное увеличение в частотной характеристике, соответствующей разомкнутым вторичным обмоткам, частоты первого антирезонанса, которая при отсутствии замыканий, как правило, составляет несколько сотен Гц - единицы кГц, а в случае замыканий может увеличиваться в разы в зависимости от масштаба замыкания. Необходимо отметить, что увеличение частоты первого антирезонанса не является признаком наличия КЗ в измеряемой обмотке, поскольку ее увеличение происходит в частотных характеристиках и других обмоток, расположенных на том же стержне и не затронутых внутренним повреждением. В качестве примера на рисунке ДА.5 приведены результаты измерений частотных характеристик двухобмоточного трансформатора с расщепленной обмоткой НН, показывающие изменение частотных характеристик обмоток ВН и НН1 при замыкании НН2.

1 и 3 - обмотка НН2 не закорочена; 2 и 4 - обмотка НН2 закорочена

Рисунок ДА.5 - Частотные характеристики обмоток ВН (1 и 2) и НН1 (3 и 4) трансформатора

Таким образом, признаками внутреннего КЗ являются:

а) увеличение частоты первого антирезонанса в несколько раз (необходимое, но не достаточное условие);

б) увеличение первых собственных частот колебаний обмотки (достаточное условие).

ДА.3 Выявление разземления электростатических экранов и магнитопровода

В общем случае, частотные характеристики отдельно взятой обмотки и той же обмотки, но размещенной на стержне магнитопровода рядом с другими обмотками, отличаются друг от друга. Большое значение имеет то, находится ли обмотка первой от стержня магнитопровода или нет.

Частотные характеристики обмоток НН и ВН силовых трансформаторов, как правило, имеют следующие качественные отличия:

- частотные характеристики обмоток НН, как правило, идут выше, что особенно проявляется на низких и средних частотах, что связано с меньшим по сравнению с обмотками ВН числом витков и индуктивностью, а также меньшей электрической длиной обмотки НН;

- обмотки ВН обычно располагаются дальше от стержня магнитопровода, в то время как удаленность от заземленного стержня определяет принципиальные отличия в частотных характеристиках внутренних и наружных обмоток: наружные обмотки зачастую имеют явно выраженную V-образную частотную характеристику, характеризующуюся спадающим трендом в области десятков - сотен Гц и восходящим трендом в области десятков - сотен кГц.

Качественные отличия частотных характеристик наружных обмоток ВН связаны с тем, что при измерениях одной из обмоток вторая обмотка остается изолированной (под плавающим потенциалом). При измерении наружной обмотки ВН ток, протекающий через входное сопротивление канала измерения выходного напряжения, помимо составляющей, связанной с протеканием высокочастотного тока через обмотку ВН, также содержит дополнительную емкостную составляющую, вызванную протеканием на землю тока с обмотки НН. Эта емкостная составляющая определяет рост частотной характеристики обмотки ВН на средних и высоких частотах.

Появление вблизи обмоток других металлических частей с плавающим потенциалом, например, при разземлении магнитопровода или электростатических экранов (стержня или ярем), приводит к увеличению емкостной составляющей тока через измерительный импеданс. В общем случае разземление экрана или магнитопровода приводит к сдвигу частотной характеристики обмотки ВН вверх. При этом возможны некоторые изменения резонансных частот, соответствующих межобмоточному взаимодействию, а собственные частоты обмотки ВН останутся практически без изменений.

На рисунке ДА.6 приведены измеренные частотные характеристики обмотки ВН двухобмоточного трансформатора с бронестержневым магнитопроводом, на боковых ярмах которого установлены экраны. Как видно из рисунка ДА.6а) разземление магнитопровода и экранов привело к сдвигу частотной характеристики обмотки ВН вверх примерно на 6 дБ, кроме того произошло смещение первого антирезонанса в область более низких частот и появился новый резонансный пик на частоте около 400 кГц. При этом собственные частоты обмотки ВН остались практически без изменений [см. рисунок ДА.6б)].

Рисунок ДА.6 - Частотные характеристики обмотки ВН а) и активные проводимости b) обмотки ВН при незакороченной (1 и 2) и закороченной (3) обмотках НН, заземленных (1) и разземленных (2 и 3) магнитопроводе и экранах

С учетом изложенного выше можно отметить следующие признаки наличия разземленных экранов или магнитопровода:

а) сдвиг частотной характеристики наружной обмотки в области частот порядка десятка - сотен кГц вверх на десятые - единицы дБ (меньшие значения соответствуют разземлению экранов, большие значения - разземлению магнитопровода);

б) практически полное отсутствие изменения собственных частот колебаний наружной обмотки при разземлении экранов или магнитопровода.

Для выявления разземленных экранов или магнитопровода целесообразно выполнять измерения частотной характеристики наружной обмотки по сквозной схеме без закороток при подаче напряжения источника на линейный вывод и измерении выходного напряжения с нейтрали обмотки. Остальные обмотки при этом должны быть изолированы от земли и не закорочены.

Использование методик интерпретации, основанных на сравнении частотных характеристик с помощью коэффициентов парной корреляции, в случае наличия разземленных экранов или магнитопровода может приводить к ошибочной оценке состояния измеряемых обмоток. Для исключения ошибочной оценки состояния обмоток и ложноположительной отбраковки трансформатора в целом рекомендуется выполнять сравнение собственных частот колебаний обмоток до и после предполагаемого повреждения. Отсутствие изменений собственных частот колебаний обмоток является признаком отсутствия значимых повреждений в обмотках.

ДА.4 Рекомендации по схемам измерений частотных характеристик

Описанный в ДА.1.2 подход к определению собственных частот основан на сравнении частотных характеристик измеряемой обмотки при разомкнутой и закороченной другой обмотке. Необходимо отметить, что для соединенных в звезду вторичных обмоток, не имеющих вывода нейтрали, описываемый подход не применим в явном виде, однако с учетом того, что на практике в силовых трансформаторах наиболее распространены соединения обмоток в треугольник и звезду с выведенной нейтралью, данный подход покрывает значительную часть наиболее востребованных случаев.

Применительно к сквозной схеме с закороченной можно сделать следующие важные замечания:

а) для вторичных обмоток, соединенных в звезду с выведенной нейтралью, объединить вместе выводы А, В и С недостаточно, нужно также соединить с ними вывод нейтрали N. Измерения частотных характеристик при разомкнутой и замкнутой накоротко обмотке НН (СН) широко применяют для обмоток ВН (СН). При этом распространена практика, когда для закорачивания обмотки НН (СН), соединенной в звезду с выведенной нейтралью, соединяют вместе выводы фаз a, b и с без соединения с выводом нейтрали n (при его наличии), также как это обычно делают при измерениях сопротивлений КЗ трансформаторов. Такая практика вполне справедлива для обмоток, соединенных в треугольник, для которых соединение между собой выводов трех фаз действительно приводит к закорачиванию каждой из фаз данной обмотки. Однако применительно к обмоткам, соединенным в звезду, данная практика является не совсем корректной, поскольку вместо соединения выводов начала и конца каждой из фаз обмотки выполняется объединение одноименных выводов нескольких фаз. На высоких частотах обмотки имеют, как правило, емкостное входное сопротивление, а потому такое соединение представляет собой емкостную нагрузку обмотки НН измеряемой фазы на две другие фазы, не задействованные в измерениях, и не имеет ничего общего с КЗ каждой из фаз вторичной обмотки. Таким образом, для идентификации собственных частот обмоток при наличии вторичных обмоток, соединенных в звезду с выведенной нейтралью, КЗ должно быть выполнено путем соединения вместе четырех выводов а, b, с и n либо путем пофазного замыкания линейных выводов и вывода нейтрали n (последнее является более предпочтительным);

б) для большей информативности целесообразно применение этой схемы также и для внутренних обмоток, то есть измерение внутренней обмотки при закороченной наружной для возможности идентификации собственных частот колебаний внутренних обмоток.