Frekans Yanıtı Karakteristiğinin Temeli

 

Giriş

Frekans tepkisi analizi, güç transformatörlerinin mekanik ve elektriksel bütünlüğünü kontrol etmek için kullanılan güçlü bir araçtır. Güç sistemindeki kısa devre arızaları veya taşıma sırasında oluşan potansiyel olarak yüksek hızlanma, güçlü elektrodinamik kuvvet nedeniyle transformatör sargılarında ve mekanik yapıda ciddi deformasyonlara neden olabilir. Kurulum, sismik olaylar veya ani akım sırasında da benzer sorunlar ortaya çıkabilir. Güç transformatörlerinin kabul testi, devreye alınması, yeniden konumlandırılması, arıza sonrası ve üretim testi için faydalı bir araçtır.Güç transformatörlerinin eşdeğer devresi, direnç, endüktans ve kapasitansların yanı sıra dönüşler arasında, sargı ile tank ve çekirdek arasında oluşur. FRA, fiziksel geometri ile ilgili RLC ağının bir fonksiyonudur ve her transformatörün benzersiz bir özelliğini sunar. Transformatörün mekanik yapısındaki herhangi bir deformasyon, RLC yapısında bir değişikliğe neden olacak ve bu da frekans tepkisini etkileyecektir. Frekans tepkisinin geniş bir frekans aralığında ölçülmesi, güç transformatörlerinin sargılarındaki ve manyetik çekirdeğindeki kusurların tespit edilmesini sağlayacaktır. Bir transformatörün mekanik veya elektriksel değişiklikleri, frekans tepki ölçüm parmak izleri karşılaştırılarak tespit edilir. Bu karşılaştırma, aşağıdaki gibi güç trafosu sorunlarını tespit etmek için kullanılabilir:

  • Kısa dönüşler veya açık sargılar
  • Sargı yer değiştirmesi veya deformasyonları
  • Bobin deformasyonu – eksenel ve radyal
  • Çekirdek hareketleri / deformasyon
  • Hatalı temel gerekçeler
  • Sargı bağlantı sorunları
  • Mıknatıslanmış çekirdek
  • Kırık kenetleme yapıları

Frekans Tepkisi Ölçüm Devresi

Bir frekans tepkisi ölçümü yapmak için, tanka göre test nesnesinin bir terminaline bir düşük voltaj sinyali uygulanır. Bu giriş terminalinde ölçülen voltaj referans sinyali olarak kullanılır ve ikinci bir voltaj sinyali (yanıt sinyali) tanka göre ikinci bir terminalde ölçülür. Frekans yanıt genliği, frekansın bir fonksiyonu olarak yanıt sinyali ( V çıkışı) ile referans voltajı ( V inç) (dB olarak sunulur) arasındaki skaler orandır . Frekans cevabının fazı, V girişi ve V çıkışı arasındaki faz farkıdır (derece olarak sunulur). Tepki voltajı ölçümü 50 Ω’luk bir empedansta yapılır. Test nesnesi terminali ile voltaj ölçüm cihazı arasına bağlanan herhangi bir koaksiyel uç, eşleşen bir empedansa sahip olacaktır. Doğru bir oran ölçümü yapmak için, ölçü aletinin referans ve yanıt kanallarının teknik parametreleri ve herhangi bir ölçüm ucu aynı olacaktır. Koaksiyel ölçüm uçlarının karakteristik empedansı, sinyal yansımalarını en aza indirmek ve koaksiyel kurşunun ölçüm üzerindeki etkisini, ölçüm frekansı dahilinde ölçüm üzerinde çok az veya hiç pratik etkisinin olmadığı noktaya kadar azaltmak için ölçüm kanalı giriş empedansına uyacak şekilde seçilir. Eşleştirilmiş bir empedans kablosuyla, ölçüm empedansı test nesnesi terminalinde etkin bir şekilde uygulanır. Koaksiyel ölçüm uçlarını kullanan ölçüm yönteminin genel yerleşiminin bir örneği aşağıdaki şekilde gösterilmektedir:

Frekans tepkisi ölçüm devresinin şeması

Frekans Tepki Karakteristiğini Anlama

Gerilim oranının hem genliği hem de fazı, frekans tepkisi ölçümleri sırasında kaydedilmesine rağmen, genellikle yalnızca genlik bilgisi sunulur ve sonuçların görsel yorumlanması için kullanılır. Frekans tepkisi, Şekil 2 de gösterildiği gibi, logaritmik veya doğrusal bir ölçekte görüntülenebilir. Her yöntemin avantajları vardır, ancak genel olarak, bir logaritmik ölçek grafiği, kolay genel yanıt eğilim analizi sunarken, doğrusal ölçek grafiği bakmak için yararlıdır.

Görsel 2: Logaritmik ölçek /Doğrusal ölçek – Genlik

Bir güç transformatörünün sargılarının Frekans Tepkisi, frekansa göre azalan ve artan büyüklükten (dB cinsinden) oluşur. Çeşitli rezonanslar (maksimumlar) ve anti-rezonanslar (minimumlar), transformatör sargısının elektriksel özellikleri tarafından belirlenir. Frekans yanıtı sinyali, analiz için ilgi duyulan dört bölgeye, çekirdeğin baskın olduğu düşük frekans bölgesine, sargılar arasındaki etkileşimlerin hakim olduğu ikinci bölgeye, bireysel sargı yapısı tarafından kontrol edilen üçüncü bölgeye ve dördüncü bölgeye bölünebilir. Dahili bağlantılar, musluklar ve ölçüm bağlantı uçları tarafından kontrol edilir. Bu bölgeler, Şekil 3 te örnek olarak güç transformatörünün HV tarafındaki üç fazın bir frekans tepkisi (uçtan uca açık devre testi) kullanılarak gösterilmektedir.

Bölge 1 – Temel Etki

Çekirdek etki bölgesinde (yaklaşık 2 kHz’e kadar), tepkiye çekirdek mıknatıslama endüktansları ve transformatörün toplu kapasitansları (sargılar ve toprak arasındaki kapasite) hakimdir ve uçtan uca FRA tepkisi düşen bir büyüklüğü izler. Daha yüksek voltaj ve daha büyük güç oranına sahip güç transformatörleri, genellikle düşük frekanslarda daha büyük olumsuz yanıt büyüklüklerine sahiptir. Frekans cevabını etkileyen etkili iki endüktans bileşeni; biri çekirdek mıknatıslama endüktansıdır (~ 100 Hz’ye kadar düşük frekans bölgesinde FRA yanıtını etkiler) ve diğeri, sargının sızıntı endüktansıdır (daha yüksek frekanslarda FRA yanıtını etkiler). Üç fazlı çekirdek biçimli güç transformatörleri için orta faz, çekirdeğin orta fazı tarafından diğer iki fazdan görülen simetrik manyetik relüktans yolları nedeniyle bu frekans bölgesinde tek bir anti-rezonansa sahip olacaktır. Dış fazlar, biri en yakın (orta) fazdan ve diğeri en uzak fazdan (diğer dış faz) olmak üzere iki farklı manyetik isteksizlik yolu deneyimledikleri için genellikle iki anti-rezonansa sahiptir.

Bölge 2 – Sargılar Arasındaki Etkileşim

Ara frekans bölgesindeki yanıt (2 kHz ile 20 kHz arasında) çoğunlukla sargılar arasındaki etkileşimden etkilenir, bu önemli ölçüde sargıların düzenine ve bağlantılarına bağlıdır, örneğin delta bağlantısı, otomatik trafo sargı bağlantısı, tek -faz veya üç fazlı transformatör konfigürasyonları ve nötrlerin nasıl bağlandığı.

Bölge 3 – Sargı Yapısının Etkisi

Sargı yapısının etki (yüksek frekans) bölgesinde (20 kHz ile 1 MHz arasında) yanıt, sargı serileri ve toprak kapasitansları ile birlikte sargı kaçak endüktansları tarafından belirlenir. Bu bölgede, seri kapasitans, yanıtın şeklini belirlemede en etkili faktördür. Tipik olarak, yüksek sargı serisi kapasitanslı büyük güç transformatörlerinin YG sargısının tepkisi, Şekil 3’te gösterildiği gibi birkaç rezonans ve anti-rezonans ile genel bir yükselen genlik eğilimi gösterir. Öte yandan, genellikle düşük seri kapasitanslı LV sargısı düz bir genlik eğilimi gösterir ve bir dizi anti-rezonans ve rezonans ile üst üste bindirilir. Yüksek frekanslarda, bir transformatör sargısı kapasitif bir eleman gibi davranır ve uçtan uca FRA yanıtı, on yılda yaklaşık 20 dB’lik doğrusal olarak artan bir eğimle frekans aralığı boyunca yükselen bir büyüklük eğilimini izler. Daha yüksek bir kapasitans, büyüklüğün artmasına neden olur. Hem daha yüksek voltaj hem de daha büyük güç oranına sahip güç transformatörleri, genellikle yüksek frekanslarda daha küçük olumsuz yanıt büyüklüklerine sahiptir. Paralel olarak endüktans ve kapasitans, belirli bir frekansta sinyali bloke ederek paralel anti-rezonans üretecektir. Bu sonuç olarak, özellikle frekanstaki büyüklük yanıtında yerel bir anti-rezonans üretir.

Bölge 4 -Topraklama Uçlarının Etkisi

1 MHz üzerindeki en yüksek frekanslarda, yanıt daha az tekrarlanabilirdir ve ölçüm kurulumundan, kademe uçlarından, özellikle geçit izolatörünün uzunluğuna etkin bir şekilde dayanan topraklama bağlantılarından etkilenir.