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1 A0/ Pag.1/32 Cliente: Ricerca di Sistema Oggetto: Sperimentazione di metodi per la diagnosi di deformazioni geometriche degli avvolgimenti di trasformatori di potenza, confronto con diverse metodologie e verifica sensibilità del metodo FRA (Frequency Response Analisys) Ordine: Contratto CESI n. 23/00013 Note: DIAGCOMP/CP06/04 senza l'autorizzazione scritta del CESI questo documento può essere riprodotto solo integralmente N. pagine: 32 Data: Elaborato: CESI/PeC Renzo Passaglia, Massimo Saottini Verificato: CESI/PEC Renzo Passaglia Approvato: CESI/PEC Michele de Nigris CESI Via R. Rubattino 54 Capitale sociale 17,1 miliardi Sezione Ordinaria Centro Elettrotecnico Milano - Italia interamente versato Tribunale Milano Sperimentale Italiano Telefono CCIAA di Milano n P.I. IT Giacinto Motta spa Fax Registro delle Imprese C.F di Milano n

2 A0/ Pag.2/32 Indice SOMMARIO 3 1 PREMESSA MOTIVAZIONE DELLE METODOLOGIE DI VERIFICA METODOLOGIE DI VERIFICA ALTERNATIVE ALLE MISURE CON METODI A PONTE CARATTERISTICHE DEL NETWORK/SPECTRUM ANALYSER CARATTERISTICHE HARDWARE DELLO STRUMENTO Network Analyser Cavi di collegamento, connettori, cavi di terra SOFWARE DI GESTIONE DELLO STRUMENTO PROCEDURE DI PROVA VERIFICA DEL SISTEMA DI MISURA PREPARAZIONE PER LA PROVA DESCRIZIONE DELLA PROVA BANDE DI FREQUENZA UTILIZZATE PER LE PROVE PRESENTAZIONE DEI RISULTATI DI PROVA TIPO DI CONNESSIONE PER I TRASFORMATORI IN PROVA VERIFICHE SPERIMENTALI SU TRASFORMATORI DISPONIBILI PRESSO I LABORATORI CESI VERIFICHE SPERIMENTALI SU UN TRASFORMATORE MT/BT SOTTOPOSTO AD UNA SERIE DI PROVE DI CORTO CIRCUITO Particolare dei rilievi nella banda di frequenza 8kHz-12kHz Particolare dei rilievi nella banda di frequenza 45kHz-75kHz Particolare dei rilievi nella banda di frequenza 500kHz-850kHz Risultati della misura di induttanza di corto circuito con il metodo a ponte VERIFICHE SPERIMENTALI SU ALCUNI TRASFORMATORI MT/BT E AT/MT SOTTOPOSTI ALLA PROVA DI CORTO CIRCUITO PRESSO IL LABORATORIO CESI Risultati sperimentali rilevati nel corso di prove su trasformatori MT/BT Risultati sperimentali rilevati nel corso di prove su trasformatori AT/MT VERIFICHE SPERIMENTALI SU TRASFORMATORI AT IN IMPIANTO CONFRONTI TRA I TRE TRASFORMATORI ANALISI DELLE MISURE ESEGUITE ANALISI DEI RISULTATI DELLA RICERCA SPERIMENTALE DOCUMENTI DI RIFERIMENTO...32 Copyright 2000 by CESI. All rights reserved - Activity code 25885N Keywords: 12035F, 22610U, 33036X, 42020B, 51050V, 60401Q

3 A0/ Pag.3/32 SOMMARIO Questo rapporto riporta in particolare la fase di sperimentazione effettuata con la metodologia FRA (Frequence Response Analysis) su trasformatori di potenza per la messa a punto di una metodologia di prova che consenta di ottenere informazioni sullo stato della macchina per quanto riguarda la presenza di eventuali deformazioni meccaniche degli avvolgimenti. Ci sono due metodi di prova FRA e precisamente quello denominato sweep frequency method, che consente di ottenere una funzione di trasferimento iniettando segnali in bassa tensione di forma d onda sinusoidale in un range di frequenza fra 10 Hz e alcuni MHz (2-10 MHz), e il metodo degli impulsi in bassa tensione. Il metodo sperimentato è quello individuato come sweep frequency method. Tale metodo di verifica, normalmente applicato a macchine di grande potenza, permette di rilevare spostamenti fra avvolgimenti e nucleo, deformazioni meccaniche degli avvolgimenti e difetti elettrici come cortocircuiti di spira negli avvolgimenti stessi. Questi fenomeni sono generalmente dovuti a forze elettromagnetiche dovute a forti correnti (cortocircuiti) o a sollecitazioni anomale durante il trasporto. La sperimentazione è stato finalizzata a verificare le misure effettuate con il suddetto metodo su macchine sottoposte a prove di corto circuito, con forti sollecitazioni elettromagnetiche, confrontando i risultati con le informazioni rilevate dalla misura di induttanza. La sperimentazione è stata suddivisa in due fasi: la prima fase è stata effettuata presso i laboratori CESI su un trasformatore reso disponibile su cui si sono effettuate una serie di prove di corto circuito intervallate da misure sistematiche con il metodo tradizionale della misura dell induttanza e con i rilievi sperimentali di FRA; la seconda fase è stata programmata inserendo la misura di FRA su alcune macchine sottoposte alla prova di corto circuito nell ambito dell attività di prove nei laboratori CESI. Si sono inoltre effettuate verifiche anche presso alcuni costruttori di trasformatori su macchine nuove. I dati raccolti sono serviti sia per la messa a punto e l automazione del metodo di misura che per verificare la sensibilità del metodo di misura stesso con l obiettivo di arrivare a quantizzare le deformazioni in funzione dei segnali rilevati.

4 A0/ Pag.4/32 1 PREMESSA Nell ambito della diagnostica sui trasformatori di potenza, è stata avviata una attività sperimentale volta a valutare le alterazioni geometriche degli avvolgimenti conseguenti alle sollecitazioni elettrodinamiche delle correnti di corto circuito delle macchine basata sulla misura della risposta in frequenza degli avvolgimenti (FRA: Frequency Response Analysis). Tale metodologia dovrebbe permettere di raggiungere un maggior grado di sensibilità, nei confronti delle deformazioni degli avvolgimenti, rispetto alla misura della reattanza di dispersione eseguita con i tradizionali metodi a ponte (usualmente ponte di Shering modificato Maxwell). Poichè la maggiore esperienza fino ad ora acquisita in questo campo si basa quasi esclusivamente sulle misure di reattanza di dispersione ottenute con i sopracitati metodi a ponte, si è ritenuto opportuno che l attuale fase di sperimentazione di questa nuova metodologia (FRA) venga inizialmente utilizzata integrandola con le consolidate misure convenzionali. 2 MOTIVAZIONE DELLE METODOLOGIE DI VERIFICA Le sollecitazioni elettrodinamiche delle correnti di corto circuito sono suscettibili di creare deformazioni meccaniche negli avvolgimenti dei trasformatori e danneggiamenti agli isolamenti interni. Difetti incipienti di questa natura portano in genere, per evoluzione successiva, alla distruzione della macchina per collasso strutturale in occasione di nuove sollecitazioni elettrodinamiche o per scariche interne dovute a progressivo deterioramento degli isolamenti solidi (attività di scariche parziali). Di qui nasce l esigenza di controllare con misure opportune che gli avvolgimenti non siano affetti da deformazioni meccaniche incipienti; cosa che viene verificata con cadenza periodica e, soprattutto, dopo eventi di corto circuito con correnti elevate. A tale scopo, come accennato precedentemente, il mezzo di controllo più idoneo e classico è quello di eseguire misure dell induttanza di dispersione avvolgimento primario/avvolgimento secondario con ponte di Schering modificato Maxwell ad alta precisione. Come noto è necessario avere valori misurati a macchina nuova al momento dell attivazione, poichè i dati che verranno ottenuti dalle misure ripetute in tempi successivi devono essere confrontati con i riferimenti originali. Lo scarto percentuale fra valori misurati in tempi successivi è significativo di deformazioni geometriche, intervenute nel frattempo a carico degli avvolgimenti. In queste condizioni si considera che una variazione di induttanza del 2% rappresenti un indice certo di deformazione/danneggiamento degli avvolgimenti. La revisione attualmente in corso delle Norme IEC 76 - Parte V - abbasserà questa soglia a 1,0 1,5%, intendendo che già per tale valore sia fondato il sospetto di deformazioni meccaniche potenzialmente pericolose. L esperienza ha dimostrato che le deformazioni radiali degli avvolgimenti (cedimenti a stella di mare o per instabilità di forma buckling ) comportano variazioni di induttanza sensibili,

5 A0/ Pag.5/32 mentre deformazioni per forze assiali localizzate solo sulle testate avvolgimenti risultano molto più difficili da individuare. Proprio per questo sono state sperimentate tecniche di misura alternative con l obiettivo di migliorare la capacità di individuare e discriminare le deformazioni e, soprattutto, quei difetti che comportano variazioni di induttanza piuttosto modesti. 2.1 Metodologie di verifica alternative alle misure con metodi a ponte Con le motivazioni sovraesposte e con l obiettivo di valutare le eventuali deformazioni meccaniche degli avvolgimenti dei trasformatori, si è fatto ricorso in passato alla prova degli impulsi applicati in bassa tensione. Tale prova consiste nell applicare, con apposito generatore, impulsi in bassa tensione ai terminali primari del trasformatore, registrando la risposta trasferita ai terminali secondari; per risposta si intende il transitorio della grandezza elettrica tensione o corrente come indicato in Fig. 1. Figura 1: Schemi impiegati per la prova con impulsi in bassa tensione: a) segnale trasferito: tensione lato BT, b) segnale trasferito: corrente lato BT Tale risposta dipende dalla rete equivalente interna della macchina, determinata dagli accoppiamenti capacitivi/induttivi dei due avvolgimenti AT e BT, nonché, all interno di ciascun

6 A0/ Pag.6/32 avvolgimento, dalla rete equivalente capacitiva/induttiva che rappresenta l insieme delle spire, gallette, strati che formano l avvolgimento stesso. Tutti questi parametri dipendono dalla geometria e dallo stato degli avvolgimenti; pertanto la correlazione impulso applicato /risposta trasferita rappresenta una impronta che caratterizza l assetto e lo stato delle parti attive. Le registrazioni di queste impronte ripetute a distanza di tempo e confrontate fra loro possono essere usate come indicatore diagnostico per evidenziare deformazioni e danneggiamenti intervenuti nel frattempo. In passato le prove con impulsi in bassa tensione venivano effettuate con strumenti di acquisizione analogici (normali oscilloscopi) che registravano il transitorio nel tempo di due segnali: quello applicato e quello trasferito. Successivamente l impiego di strumentazione digitale evoluta e corredata di software di elaborazione ha semplificato molti problemi. Il risultato di una prova con impulsi in bassa tensione è sintetizzato da un grafico che rappresenta la funzione di trasferimento ingresso/uscita nel dominio della frequenza (vedi Fig. 2). a) b) Figura 2: Acquisizione con strumentazione digitale e software di elaborazione: a) registrazione nel dominio del tempo, b) registrazione nel dominio della frequenza

7 A0/ Pag.7/32 Il criterio di rilievo delle eventuali deformazioni meccaniche è ancora basato sul principio che alterazioni delle distanze geometriche degli avvolgimenti comportano alterazioni della rete capacitiva della macchina e quindi una modifica della funzione di trasferimento. Per il rilievo sperimentale di tale funzione si inietta un segnale sinusoidale a frequenza variabile nel campo da 10 Hz a 5 MHz ad un terminale dell avvolgimento (ad esempio il neutro), registrando sia il segnale di tensione applicato che quello trasferito all altro terminale (ad esempio quello di linea). Il rapporto dei due segnali, nel dominio della frequenza, rappresenta la funzione di trasferimento cercata. Sembra opportuno sottolineare che questa metodologia, basata sull analisi di segnali perfettamente sinusoidali (denominata a livello internazionale come sweep frequency method ) presenta qualche vantaggio rispetto alla metodologia di applicare segnali impulsivi, secondo quanto evidenziato nella precedente Figura 2, in quanto risulta praticamente più semplice gestire una misura in regime sinusoidale che in regime impulsivo. L attuale disponibilità di strumentazione digitale commerciale, capace di svolgere automaticamente ed in tempi rapidi l acquisizione e l analisi della funzione di trasferimento nel dominio della frequenza di un avvolgimento, ha reso più semplice la misura e più interessante questo tipo di indagine che si appresta ad essere codificata a livello internazionale. Al fine di investigare le concrete applicazioni di questa metodologia innovativa ( sweep frequency method ) è stato acquisito uno strumento Network/Spectrum Analyzer di produzione Hewlett & Packard già impiegato per questo scopo in ambito internazionale. Si tratta dello strumento Tipo HP 4395A che rappresenta la versione moderna dei precedenti strumenti (HP 4195A) descritti nella letteratura tecnica internazionale. 3 CARATTERISTICHE DEL NETWORK/SPECTRUM ANALYSER Al fine di valutare le problematiche connesse sia con l esecuzione pratica della misura che con l analisi dei risultati si è deciso di eseguire una serie di prove sia in laboratorio che in campo, presso costruttori e/o presso impianti in media/alta tensione. Lo strumento utilizzato per l attività in questione è un Network/Spectrum Analyzer della HP e precisamente quello individuato dalla sigla HP 4395A riportato in figura 3. Figure 3: Vista dello strumento HP 4395A utilizzato per l analisi in frequenza sui trasformatori

8 A0/ Pag.8/ Caratteristiche Hardware dello Strumento La parte hardware necessaria per l esecuzione di prove di analisi in frequenza consiste nei seguenti componenti essenziali: Generatore di segnale e congegno di misura (Network Analyser) Cavi di collegamento (3), connettori and cavi di terra. Computer Portatile con interfaccia per il Network Analyser Network Analyser Nella figura 4 viene rappresentato lo schema del circuito di misura del Network Analyser che dovrà avere le seguenti caratteristiche: Range di Frequenza da 10 Hz a 2 10 MHz; Un canale di output (RF) che inietta il segnale sinusoidale in bassa tensione, nel range di frequenza stabilito, nell avvolgimento del trasformatore in prova; Due canali di misura (R, A) in grado di misurare segnali di ampiezza fino a 85 db con una precisione di ± 1 db e una impedenza di ingresso costante pari a 50 Ω; La possibilità di interfaccia con un Computer per la gestione dei dati di misura; La scelta è stata indirizzata sullo strumento HP4395A prodotto dalla Hewlett Packard che, come si può verificare dalle indicazioni riportate nel Manuale Operativo, ha le caratteristiche richieste per l esecuzione ottimale delle prove in questione. Fig. 4 Diagramma del circuito del Network Analyser

9 A0/ Pag.9/ Cavi di collegamento, connettori, cavi di terra I cavi di collegamento per il rilievo dei segnali ai capi dell avvolgimento in prova devono essere con caratteristiche tali da non introdurre e/o captare disturbi che possano inficiare la prova, tenendo conto che i valori del segnale di tensione, correlati al tipo di attenuazione impostato, sono molto bassi come indicato nella tabella che segue. Vengono quindi indicate alcune caratteristiche dei cavi e dei connettori utilizzati per le misure sui trasformatori. Tutti i cavi di misura e i connettori devono avere la stessa impedenza di ingresso del network analyser, cioè pari a 50Ω; I cavi di misura sono stati costruiti utilizzando cavi coassiali schermati del tipo RG58C/U i cui dati caratteristici sono riportati nella tabella seguente con la schermatura disponibile per la messa a terra ai due capi del cavo, un altro tipo di cavo utilizzabile, di sezione superiore, denominato RG213/U permette di avere una minore attenuazione. La nostra scelta è stata dettata dal fatto di avere già disponibile a magazzino il cavo utilizzato. Tipo - RG58C/U PARAMETRI COSTRUTTIVI Guaina Schermo Conduttore Copertura Dielettrico Treccia interno treccia Ø mm % Ø mm Ø mm Ø mm 5,0 93 3,45 2,95 19x0,18 Impedenza PVC - CuSn PE CuSn Velocita' di propagazione PARAMETRI ELETTRICI Capacita' MHz Perdite cumulative riflessione (S.R.L.) MHz MHz interno Resistenza conduttore esterno Ohm % pf/m db Ohm/Km ,8 13,8 MHz 100 MHz 200 Attenuazione a 20 C MHz 400 MHz 600 MHz 800 MHz 1000 db/100m 14,9 22,2 33,1 41,7 52,0 59,1

10 A0/ Pag.10/ Sofware di gestione dello strumento Il software messo a punto nell ambito dell attività sperimentale per la valutazione e l ottimizzazione del sistema di misura, si compone di due diversi programmi: Interfacciamento: Emula sullo schermo del PC (portatile) il pannello frontale dello strumento, comunica con lo stesso tramite l interfaccia IEEE488 ed un apposito driver sviluppato in ambiente LabView. Quasi tutte le funzionalità sono comandabili dal PC, oltre alla rappresentazione a video dei dati possono essere salvati su file in formato ASCII standard. Analisi e confronto: Rilegge i file in formato ASCII standard dello strumento, li riporta in grafico dando la possibilità di confronto tra due o più curve, calcola la differenza tra la prima e l ultima. Inoltre si ha la possibilità di stampare il grafico e salvarlo per inserirlo in pubblicazioni Internet, relazioni, ecc. E in fase di completamento una versione più aggiornata del software che prevede la possibilità di personalizzare le configurazioni di misura (setup) completare l implementazione dei comandi remoti, migliorare la confrontabilità tra macchine diverse ed ottimizzare la banca dati per poter accogliere un consistente numero di test. 4 PROCEDURE DI PROVA 4.1 Verifica del sistema di misura Prima di iniziare le misure è necessario procedere alla calibrazione del sistema di misura. Il metodo di calibrazione consiste nel collegare insieme i punti di misura e il punto di iniezione del segnale (Rf, R e A connessi assieme), avendo cura di tenere scollegato il componente in prova, e procedere quindi al rilievo della risposta in frequenza. La risposta in frequenza rilevata nel corso della suddetta verifica deve risultare lineare con un valore pari a 0 db e con una tolleranza di ±1dB fino alla frequenza di 1 MHz. 4.2 Preparazione per la prova Il trasformatore da sottoporre a verifica deve essere scollegato dal sistema elettrico (terminali AT e MT (o BT), compresi i terminali di neutro) e messo in sicurezza prima di iniziare le prove. La condizione ottimale di prova è da considerarsi quella con il nucleo completamente deenergizzato (privo di magnetizzazione residua). Gli avvolgimenti, con i terminali accessibili, che non sono interessati dalla prova possono essere collegati in una configurazione predeterminata che deve essere memorizzata insieme ai dati di prova. Dove risulta possibile è conveniente separare le fasi degli avvolgimenti, in particolare per i collegamenti a triangolo, togliendo eventuali connessioni esterne per ottenere una migliore discriminazione fra le varie fasi.

11 A0/ Pag.11/ Descrizione della prova La prova viene eseguita applicando una spazzolata in frequenza con un segnale sinusoidale su uno dei terminali della macchina (o sul neutro nel caso di macchine con collegamento a stella con neutro accessibile) e misurando il segnale rilevato sull altro terminale della fase in prova. I segnali sono applicati e misurati con riferimento a terra, le ampiezze e le fasi dei due segnali sono misurati per determinare lo scostamento relativo di ampiezza e di fase (funzione di trasferimento). Le misure devono essere effettuate su ognuno degli avvolgimenti del trasformatore in prova, sia primario che secondario. Lo scopo della misura è quello di determinare l attenuazione e lo spostamento di fase del segnale dopo aver percorso l avvolgimento in prova (passaggio del segnale iniettato attraverso l avvolgimento dal terminale di ingresso al terminale di uscita). Con questo metodo di prova si può anche determinare la tensione trasferita tra avvolgimenti, ad esempio applicando un segnale ad un avvolgimento di un trasformatore e misurando la risposta su un altro avvolgimento determinando la variazione di ampiezza (attenuazione) e lo spostamento di fase del segnale trasferito da un avvolgimento all altro. 4.4 Bande di frequenza utilizzate per le prove Facendo riferimento a pubblicazioni tecniche [1, 2] nelle prime esperienze maturate nel corso della sperimentazione si sono impostate per le verifiche suddette le seguenti bande di frequenza con distribuzione del tipo logaritmica delle frequenze di misura corrispondente a 201 punti per ognuna delle bande di frequenza: 10Hz 20kHz 500Hz 200kHz 5kHz 2MHz Una valutazione dei risultati emersi da queste prime verifiche effettuate con le suddette bande di frequenza confrontati con una nuova modalità di misura che prevede di effettuare la spazzolata in frequenza con una sola banda che va da 10 Hz a 5 MHz sempre con distribuzione di tipo logaritmico utilizzando 801 righe ha confermato che la nuova modalità di prova consente di ottenere una risoluzione sufficiente ad evidenziare anche piccole anomalie. Potrebbe essere di interesse valutare la risoluzione con problematiche legate a fenomeni che si evidenziano alle alte frequenze, in quanto nel caso in questione essendo la scala scelta di tipo logaritmico si riduce la risoluzione nella parte terminale di acquisizione. Per valutare la precisione delle modalità di misura sono state effettuate prove in laboratorio su una bobinetta verificando la distribuzione dei punti nei vari range di frequenza e si è constatato che il miglior compromesso tempo di prova e precisione di misura risulta essere quello effettuato impostando un unico range di misura da 10Hz a 5MHz con un numero di punti pari ad 801 e con risoluzione di tipo logaritmica. Questa soluzione ci permette di avere, sicuramente, una migliore precisione alle frequenze medio-basse (fino a circa 10 khz), mentre alle alte frequenze risulta comparabile a quella ottenuta con misure effettuate a diversi range di frequenza.

12 A0/ Pag.12/32 Questa modalità di acquisizione ci permette di ottenere anche una rappresentazione grafica di tipo lineare particolarmente risoluta, soprattutto alle basse frequenze, per discriminare poter valutare anche difetti contenuti. Considerazioni dedotte sulla base di letteratura tecnica disponibile e supportata dalle prime esperienze maturate, suggeriscono che anomalie di tipo diverso sono evidenziate in specifiche bande di frequenza: Fenomeni dovuti a guasti di spira o dovuti a magnetismo residuo, si evidenziano alle basse frequenze, per cui la banda di frequenza utile risulta compresa fra 10Hz e 2kHz; occorre precisare che l effetto dovuto al magnetismo residuo si evidenzia solamente con la configurazione circuitale a terminali liberi. Fenomeni dovuti a movimenti consistenti fra diversi avvolgimenti (ad esempio bobina di AT contro BT, ecc.) vengono evidenziati da scostamenti del segnale nella banda di frequenza fra 2kHz e 20kHz. Fenomeni relativi a deformazioni specifiche di un avvolgimento (deformazione geometrica di una bobina di At o di BT) sono evidenziati nella banda di frequenza fra 200kHz e 2MHz. 4.5 Presentazione dei risultati di prova I risultati di prova possono essere memorizzati sia come immagine che come file-dati gestibili in fogli elettronici (excel, ecc.). Per ogni valore di frequenza è possibile procedere ad elaborare i dati rilevati in modo da ottenere un data-base con i dati di riferimento quali: Frequenza (Hz), Attenuazione (db) e Scostamento di fase (Gradi ). I risultati di prova possono quindi essere utilizzati per ottenere le seguenti indicazioni: confronto fra segnali rilevati in tempi successivi su una stessa macchina per valutarne il comportamento nel tempo; confronto fra segnali rilevati su fasi differenti di una stessa macchina per valutare l omogeneità e quindi la presenza di eventuali anomalie sulla macchina in prova non avendo a disposizione dati di riferimento precedenti; confronto fra segnali rilevati su trasformatori dello stesso tipo, cioè costruiti anche in tempi diversi ma con lo stesso progetto e la stessa tecnologia costruttiva. Può fornire utili informazioni per una valutazione della ripetibilità del processo di produzione.

13 A0/ Pag.13/ Tipo di connessione per i trasformatori in prova I trasformatori da provare possono avere differenti configurazioni dal punto di vista del tipo costruttivo, infatti possono essere di tipo monofase o trifase, a due o più avvolgimenti, con o senza commutatore sottocarico, con vari tipi di collegamenti (stella-stella, con o senza neutro accessibile; stella-triangolo; ecc.). Per ognuna delle tipologie si rende necessario impostare una metodologia di prova che tenga conto delle condizioni di esercizio della macchina onde poter ripetere le prove nelle stesse condizioni per poter procedere ad un confronto più significativo. U V W U V W N X Y Z X Y Z Prendendo in considerazione i due tipi di collegamento più frequenti le modalità di misura risultano le seguenti: a) Collegamento a Stella con Neutro Con questa configurazione le condizioni di prova sono ottimali in quanto si può analizzare separatamente ogni fase dell avvolgimento, infatti si collegano i cavetti del circuito di prova in modo da alimentare e misurare il segnale di ingresso (punti RF e R dello strumento) sul terminale di neutro e di prelevare il segnale di uscita sul terminale della fase in prova (punto A dello strumento) b) Collegamento a Triangolo Con questa configurazione è possibile fare una misura fase per fase solamente se si può aprire il triangolo, altrimenti la misura effettuata tiene conto dell influenza anche delle altre fasi della macchina. Infatti si deve iniettare e misurare il segnale di ingresso (punti RF e R dello strumento) su una delle fasi e prelevare il segnale in uscita sull altro terminale a cui è collegata la fase in prova (se prendiamo come esempio lo schema precedente se si alimenta la fase U il segnale in uscita viene misurato sulla fase W a cui galvanicamente collegato il terminale X della fase in prova).

14 A0/ Pag.14/32 5 VERIFICHE SPERIMENTALI SU TRASFORMATORI DISPONIBILI PRESSO I LABORATORI CESI 5.1 verifiche sperimentali su un trasformatore MT/BT sottoposto ad una serie di prove di corto circuito La sperimentazione del metodo di misura in questione è stata avviata con verifiche sistematiche su un trasformatore da distribuzione da 400 kva MT/BT mediante prove di corto circuito atte a sollecitare meccanicamente gli avvolgimenti della macchina. Dopo ogni prova si è proceduto ad effettuare le verifiche per valutare la presenza di eventuali anomalie utilizzando il metodo in questione confrontando i risultati con le misure di induttanza effettuate con il metodo a ponte. Le prove di corto circuito sono state effettuate presso i laboratori CESI in fasi successive per poter valutare di volta in volta i risultati, sottoporli a confronto ed eventualmente considerare la possibilità di un esame visivo per una analisi completa dello stato degli avvolgimenti. In questa prima fase sono stati effettuati rilievi, con il sistema FRA, impostando per ognuna delle configurazioni circuitali del trasformatore tre range di frequenza e precisamente: range 10Hz 5000Hz, impostando la misura con un numero di punti pari a 201 e con modalità logaritmica; range 500Hz 200kHz, impostando la misura con un numero di punti pari a 201 e con modalità logaritmica; range 5kHZ 2MHz, impostando la misura con un numero di punti pari a 201 e con modalità logaritmica; 5,0 0,0-5,0-10,0-15,0-20,0 Ampiezza (db) -25,0-30,0-35,0-40,0-45,0-50,0-55,0-60,0-65, Frequenza (Hz) 00-1VU3 00-1VU1 00-1VU2 00-2NU3 00-2NU1 00-2NU2

15 A0/ Pag.15/32 Nel grafico della figura precedente si riportano le acquisizioni effettuate in una specifica configurazione circuitale, nei tre range di frequenza, con le modalità illustrate da cui si nota la perfetta sovrapponibilità delle tre funzioni nei tratti comuni. Nel seguito vengono riportati alcuni fra i grafici più significativi dei rilievi effettuati. In particolare si riportano i grafici rilevati nei primi due range di frequenza 10Hz-20kHz e 500Hz-2MHz della fase VW, misurati alimentando il terminale V e prelevando il segnale di uscita sul terminale W. I grafici delle prime due figure rappresentano le serie complete di misure effettuate nelle due condizioni indicate, mentre nel seguito si riportano i particolari dei grafici riferiti alla zona interessata dal picco di risonanza riscontrato sulla funzione di trasferimento. Misure effettuate fra 10Hz e 20kHz Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1VW1 00-1WU1 00-1VU1 06-1VU1 06-1VW1 06-1WU1 Misure fra 500Hz e 200kHz Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1VU2 00-1VW2 00-1WU2 06-1VU2 06-1VW2 06-1WU2

16 A0/ Pag.16/32 Misure fra 5000Hz e 2MHz Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1VU3 00-1VW3 00-1WU3 06-1VU3 06-1VW3 06-1WU3 Dall esame dei due grafici riferiti a misure effettuate sul primario lato triangolo e con il secondario libero, si possono individuare i campi di frequenza da analizzare in modo più approfondito per valutare gli scostamenti fra misure effettuate prima e dopo una serie di sollecitazioni elettrodinamiche. Le bande di frequenze prese in considerazione per una valutazione particolareggiata, riferita ad ognuna delle misure effettuate fra una prova di corto circuito e la successiva, sono quelle relative ai punti di risonanza e precisamente 8kHz-12kHz, 45kHz-75kHz e 500kHz-800kHz. In queste bande di frequenza infatti si sono rilevate le variazioni più consistenti in corrispondenza dei punti di risonanza. Nel seguito sono riportati i grafici relativi alle suddette bande di frequenza.

17 A0/ Pag.17/ Particolare dei rilievi nella banda di frequenza 8kHz-12kHz I tre grafici sopra riportati rappresentano l andamento delle curve rilevate sulle tre fasi (WU- VW-VU), riferiti al primo punto di risonanza a frequenza medio-bassa, dopo ogni prova di corto circuito eseguite sul trasformatore Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1WU1 01-1WU1 02-1WU1 03-1WU1 04-1WU1 05-1WU1 06-1WU Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1VW1 01-1VW1 02-1VW1 03-1VW1 04-1VW1 05-1VW1 06-1VW1

18 A0/ Pag.18/ Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1VU1 01-1VU1 02-1VU1 03-1VU1 04-1VU1 05-1VU1 06-1VU Particolare dei rilievi nella banda di frequenza 45kHz-75kHz I tre grafici sopra riportati rappresentano l andamento delle curve rilevate sulle tre fasi (WU- VW-VU), riferiti al secondo punto di risonanza a frequenza medio-alta, dopo ogni prova di corto circuito eseguite sul trasformatore Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1VW2 01-1VW2 02-1VW2 03-1VW2 04-1VW2 05-1VW2 06-1VW2

19 A0/ Pag.19/ Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1VU2 01-1VU2 02-1VU2 03-1VU2 04-1VU2 05-1VU2 06-1VU Particolare dei rilievi nella banda di frequenza 500kHz-850kHz I tre grafici sopra riportati rappresentano l andamento delle curve rilevate sulle tre fasi (WU- VW-VU), riferiti al secondo punto di risonanza a frequenza alta, dopo ogni prova di corto circuito eseguite sul trasformatore Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1WU3 01-1WU3 02-1WU3 03-1WU3 04-1WU3 05-1WU3 06-1WU3

20 A0/ Pag.20/ Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1VW3 01-1VW3 02-1VW3 03-1VW3 04-1VW3 05-1VW3 06-1VW Ampiezza (db) Frequenza (Hz) 00-1VU3 01-1VU3 02-1VU3 03-1VU3 04-1VU3 05-1VU3 06-1VU3

21 A0/ Pag.21/ Risultati della misura di induttanza di corto circuito con il metodo a ponte Si riportano i risultati delle misure di induttanza effettuate dopo le prove di corto circuito sul trasformatore utilizzato per l attività sperimentale. misura effettuata prima delle prove (rif 00) dopo la prova n.1 (rif 01) dopo la prova n.3 (rif 02) dopo la prova n.6 (rif 03) dopo la prova n.9 (rif 04) dopo la prova n.11 (rif 05) dopo la prova n.14 (rif 06) induttanza di cortocircuito variazione [mh] [%] misurata ai terminali riferita alla misura iniziale U-V U-W V-W U-V U-W V-W Verifiche sperimentali su alcuni trasformatori MT/BT e AT/MT sottoposti alla prova di corto circuito presso il laboratorio CESI Nell ambito della certificazione di trasformatori MT/BT e AT/MT si sono eseguite prove di tenuta al corto circuito in base alla normativa IEC Nel corso di tali prove è previsto di effettuare la misura di induttanza di corto circuito per valutare l esito della prova. Nell ambito di questa attività si è introdotto il controllo della macchina prima e dopo la serie completa di prove di corto circuito per valutare la sensibilità del metodo di verifica in fase di sperimentazione Risultati sperimentali rilevati nel corso di prove su trasformatori MT/BT Vengono riportati i risultati di prove effettuate su una macchina sottoposta a verifica con il metodo della risposta in frequenza. Trasformatore da 1000 kva Tipo: Trifase Potenza nominale: 1000 kva Frequenza nominale: 50 Hz Tensioni nominali: 11 kv ±2x2.5% 433 V Correnti nominali: 52.5 / 1333 A Tensione di cortocircuito: 4.75 % Simbolo di collegamento: Dyn11 Tipo di funzionamento: Continuo Sistema di raffreddamento: ONAN

22 A0/ Pag.22/32 I grafici riportati nel seguito si riferiscono al confronto prima e dopo la prova di corto circuito. Rilievi effettuati nella banda di frequenza 10Hz-2MHz In base alle esperienze maturate nel corso della sperimentazione, si sono effettuati i rilievi generando uno sweep di frequenza logaritmico su 801 punti con limite inferiore di 10 Hz e limite superiore di 5 MHz, in queste configurazione la durata totale dello sweep è di circa 5 minuti. 1. rilievi lato triangolo

23 A0/ Pag.23/32 Il trasformatore al termine della prova di corto circuito ha evidenziato un problema legato ad un guasto fra spira della fase W. L esame dei grafici rilevati nel corso della prova con il sistema FRA evidenzia elevati scostamenti molto diversi fra prove interessanti fasi diverse il che conferma un fenomeno che è da ricondursi ad guasto fra spire in quanto la sola presenza di magnetizzazione residua dovrebbe dare variazioni abbastanza allineate fra le diverse fasi. Inoltre gli scostamenti maggiori si hanno sulle prove in cui c è la presenza della fase W, il che fa pensare che la fase interessata dal guasto sia proprio la W (ciò verrà poi confermato da un supplemento di indagine sulla macchina in questione). 2. rilievi lato stella con neutro

24 A0/ Pag.24/32 L esame dei tre grafici effettuati dal lato stella hanno permesso di confermare l analisi effettuata sui grafici rilevati dal lato triangolo. Si nota, infatti, che la fase W presenta una discordanza fra prima e dopo il corto circuito molto pronunciata, molto diversa dalla fase U che dovrebbe risultare analoga se il fenomeno fosse dovuto solo a magnetizzazione residua.

25 A0/ Pag.25/ Risultati sperimentali rilevati nel corso di prove su trasformatori AT/MT Vengono riportati i risultati di prove effettuate su una macchina sottoposta a verifica con il metodo della risposta in frequenza durante le prove di tenuta al corto circuito. Trasformatore da 26.7 / 33.4 MVA Potenza nominale: ONAN 27.6 MVA ONAF MVA Frequenza nominale: 50 Hz Tensioni nominali: AT 150 kv ±9x1.5% MT 21.3 kv Correnti nominali: AT ONAN A ONAF A MT ONAN 724 A ONAF 905 A Tensione di cortocircuito: Max (posizione +9) % Principale (posizione 0) % Min (posizione -9) % Simbolo di collegamento: YNyn0 Tipo di funzionamento: Continuo Sistema di raffreddamento: ONAN-ONAF Commutatore sotto carico: 3 commutatori monofase a 19 posizioni (0 nominale) I grafici riportati nel seguito si riferiscono al confronto prima e dopo la prova di corto circuito. Rilievi effettuati nella banda di frequenza 10Hz-20kHz 3. rilievi lato triangolo

26 A0/ Pag.26/32 4. rilievi lato stella con neutro Rilievi effettuati nella banda di frequenza 500Hz-200kHz 1. rilievi lato triangolo

27 A0/ Pag.27/32 2. rilievi lato stella con neutro

28 A0/ Pag.28/32 Rilievi effettuati nella banda di frequenza 5kHz-2MHz 1. rilievi lato triangolo 2. rilievi lato stella con neutro

29 A0/ Pag.29/32 L analisi dei confronti fra i rilievi prima e dopo la prova di corto circuito evidenziano differenze solo sulle basse frequenze e precisamente dal lato stella con neutro dove il confronto è fra le singole fasi indipendenti. Le differenze alle basse frequenze sono legate anche alla presenza di magnetizzazione residua che può risultare differente nelle due condizioni di prova. Se analizziamo i rilievi effettuati a frequenze più elevate possiamo constatare che non si notano scostamenti sostanziali fra prima e dopo il corto circuito. 6 VERIFICHE SPERIMENTALI SU TRASFORMATORI AT IN IMPIANTO Si è proceduto ad effettuare una campagna di prove su trasformatori monofasi di una stazione di interconnessione di un impianto di conversione HVDC. Nel seguito si riportano alcune informazioni emerse dalle prove effettuate con il sistema FRA. 6.1 Confronti tra i tre trasformatori L attività è finalizzata all esame dello stato della macchina dal punto di vista delle deformazioni geometriche degli avvolgimenti, dovuti a sollecitazioni meccaniche, quali trasporto, sollecitazioni elettrodinamiche. La valutazione dello stato attuale dei trasformatori è stato fatto per confronto fra i risultati dei rilievi, effettuati in condizioni circuitali analoghe mediante l analisi in frequenza e la determinazione della funzione di trasferimento, ottenuti applicando sollecitazioni di onde sinusoidali a frequenza variabile. I grafici di confronto tra le tre macchine, atte a valutare l'omogeneità costruttiva, sono riportati nel seguito. Il confronto è stato focalizzato sul rapporto di trasformazione nominale (posizione 19 del commutatore sotto carico) individuando i trasformatori in questione con le sigle AS, B e C.

30 A0/ Pag.30/ E E E E E E E E E E+01 B-19_2C3C C-19_2C3C AS-19_2C3C B-19_2A3A C-19_2A3A AS-19_2A3A -1.00E E E E E E E+06 Confronto tra le tre macchine sul lato primario con il commutatore sotto carico sulla posizione 19 (nominale) con gli avvolgimenti secondari nella condizione sia di corto circuito che aperti Confronto _19_1A3A 0.00E E E E E E E+01 Dati-trafo_SW-A 'Dati-trafo-C' 'Dati-trafo-B' -7.00E E E E E E E+06 Confronto tra le tre macchine lato secondario con il commutatore sotto carico sulla posizione 19 (nominale) con gli altri avvolgimenti aperti.

31 A0/ Pag.31/32 Confronto _19_1A2A 0.00E E E E E E E E E+01 Dati-trafo_SW-A 'Dati-trafo-C' 'Dati-trafo-B' -9.00E E E E E E+06 Figura 20 - Confronto tra le tre macchine lato terziario con il commutatore sotto carico sulla posizione 19 (nominale) con gli altri avvolgimenti aperti. 6.2 Analisi delle misure eseguite L attività è stata eseguita su macchine prima della messa in servizio. A tale proposito è stato effettuato un check nelle varie configurazioni circuitali (avvolgimenti secondari aperti e in corto circuito) creando una banca dati per ogni macchina. L esame dello stato della macchina è stato eseguita mediante l analisi in frequenza e la determinazione della funzione di trasferimento ottenuta applicando sollecitazioni di onde sinusoidali a frequenza variabile (metodo FRA). I risultati delle misure hanno evidenziato una buona correlazione fra le misure effettuate sulle tre unità costruite sulla base di uno stesso progetto. 7 ANALISI DEI RISULTATI DELLA RICERCA SPERIMENTALE L attività è stata rivolta a sperimentate tecniche di misura alternative con l obiettivo di migliorare la capacità di individuare e discriminare le deformazioni e, soprattutto, quei difetti che comportano variazioni di induttanza piuttosto modesti. Il criterio di rilievo delle eventuali deformazioni meccaniche è ancora basato sul principio che alterazioni delle distanze geometriche degli avvolgimenti comportano alterazioni della rete capacitiva della macchina e quindi una modifica della funzione di trasferimento. Per il rilievo sperimentale di tale funzione si inietta un segnale sinusoidale a frequenza variabile nel campo da 10 Hz a 5 MHz ad un terminale dell avvolgimento (ad esempio il neutro), registrando sia il segnale di tensione applicato che quello trasferito all altro terminale (ad

32 A0/ Pag.32/32 esempio quello di linea). Il rapporto dei due segnali, nel dominio della frequenza, rappresenta la funzione di trasferimento cercata. Sembra opportuno sottolineare che questa metodologia, basata sull analisi di segnali perfettamente sinusoidali (denominata a livello internazionale come sweep frequency method ) presenta qualche vantaggio rispetto alla metodologia di applicare segnali impulsivi in quanto risulta praticamente più semplice gestire una misura in regime sinusoidale che in regime impulsivo. La campagna sperimentale di prova ha permesso di mettere a punto una metodologia di prova che verrà successivamente applicata in modo sistematico durante il proseguo dell attività. Si sono effettuati confronti fra rilievi ottenuti con il sistema FRA e misure tradizionali con il metodo a ponte per verificare l attendibilità dei dati rilevati. Si è constatato che il metodo permette di verificare diversi fenomeni che si possono riscontrare sulla macchina, infatti l analisi della funzione di trasferimento in diverse bande di frequenza fornisce indicazioni su magnetismo residuo, guasti di spira e deformazioni dell avvolgimento. Si prevede di proseguire nell attività sperimentale cercando di determinare uno standard di misura che permetta di evidenziare i suddetti fenomeni e di arrivare ad una correlazione fra entità degli scostamenti ed entità delle deformazioni riscontrate. 8 DOCUMENTI DI RIFERIMENTO [1] John A. Lapworth, Tony J. McGrail Transformer winding movement detection by frequency response analysis (FRA) Sixty-Sixth Annual International Conference of Doble Clients April 12 16, 1999 Boston - USA. [2] John A. Lapworth, Timothy J. Noonan Mechanical condition assessement of Power Transformers using frequency response analysis Proceedings of the Sixty-Second Annual International Conference of Doble Clients March [3] Tim Noonam Power Trasformer on-site condition assessment testing CIGRE 2000