Simulacijska ocena uporabnosti analize frekvenčnega odziva kot diagnostičnega orodja za deformacije navitij v močnostnih transformatorjih

In this master’s thesis, we have established a model of a transformer winding. This model is based on the multi transmission line theory that allows us to model each turn of the winding separately. By using that approach, it was possible to calculate the frequency response of a winding in the required frequency range from 20 Hz to 2 MHz. The purpose of this simulation was to evaluate the frequency response analysis as a diagnostic tool for deformations of windings in power transformers. An evaluation was performed using sensitivity analysis of several parameters that indicate winding deformations. Finally, axial bending deformation was simulated and successfully diagnosed by applying the frequency response analysis.Transformatorji spadajo med najpomembnejše in najdražje elemente sistemov za prenos in distribucijo električne energije. Zaradi konstantnega naraščanja porabe električne energije, povečevanja deleža obnovljivih virov in zahtev po cenejši električni energiji je zmanjševanje stroškov obratovanja in vzdrževanja zelo pomembno. Podaljšanje življenske dobe in večja zanesljivost delovanja opreme lahko smatramo kot učinkovito uporabo opreme. Eden izmed pristopov, da podaljšamo življenjsko dobo elementov in naprav na zanesljiv način, je sprememba diagnostične strategije iz časovno določenega vzdrževanja na pogojno vzdrževanje. Ključni elementi slednjega pristopa so diagnostične metode, od katerih se zahteva, da so enostavne, zanesljive in uporabne na lokaciji transformatorja. V tem magistrskem delu smo izvedli simulacijsko analizo uporabnosti metode Analize Frekvenčnega Odziva (angl. Frequency Response Analysis - FRA), ki se lahko uporablja za diagnosticiranje stanja močnostnih transformatorjev. Življenjska doba transformatorja je omejena predvsem z življenjsko dobo izolacijskih materialov (na primer olje, papir, les itd.). Pri izolaciji uporabljamo izraz staranje kar pomeni kontinuirano slabljenje lastnosti izolacijskega materiala. Staranje izolacijskih materialov je neizogibno in odvisno predvsem od delovne temperature. Razumevanje staranja je zelo pomembno v primeru diagnostike transformatorja. Stanje transformatorja lahko opišemo na več načinov: transformator je med obratovanjem pogosto izpostavljen različnim stresom, ki vodijo v stanje z napako in v najslabšem primeru v okvaro transformatorja. Stres pri transformatorjih predstavlja vsak pojav ki ima manjši ali večji vpliv na stanje transformatorja (na primer lastnosti izolacijskih materialov, deformacije navitij ipd.). Stanje z napako pomeni, da je transformator poškodovan, vendar potencialno še vedno lahko obratuje. Zato je v takšnih primerih potrebna ustrezna diagnostika in ugotovitev ali je mogoče nadaljevati z obratovanjem. Okvara je končno stanje, pri čemer transformator ni ustrezen za nadaljnje obratovanje, kar ima pogosto znatne tehnične in ekonomske posledice. V tem magistrskem delu smo se omejili na prepoznavanje in oceno stanja z napako transformatorskega navitja ali natančnejše, geometrijske deformacije navitja. Deformacije navitja so ene izmed najpogostejših napak v transformatorjih. So posledica delovanja velikih sil pri pretoku velikih tokov skozi navitje transformatorja v izrednih obratovalnih stanjih. Deformacije navitij spadajo med mehanske napake, ki jih delimo na aksialne in radialne. Aksialne mehanske napake so ene izmed najpogostejših napak v navitjih transformatorjev. Razlikujemo aksialni premik celotnega navitja, pri katerem se premikata celotno nizkonapetostno in/ali visokonapetostno navitje. Takšna napaka praviloma pomeni konec življenjske dobe transformatorja, oz. okvaro. Aksialni upogib (angl. axial bending) navitja pomeni premikanje vodnika v aksialni prostor med dvema ovojema. V splošnem je takšno napako težko prepoznati in pogosto ne povzroča okvare, ampak je transformator v stanju z napako. Posledično je zelo pomembno takšno stanje prepoznati, da se prepreči nastanek okvare. Nagibanje vodnikov« (angl. conductor tilting) nastane, ko ni prostora (ali sile ki delujejo niso dovolj močne) za aksialni upogib, ampak so sile pritiska vseeno dovolj močne, da povzročijo nagib posameznih vodnikov, najpogosteje v sredini navitja. Tudi to stanje je zelo težko prepoznati in ne povzroča okvare. Zato je, enako kot v prešnjem primeru, pomembno prepoznati tudi takšno napako v navitju transformatorja. Radialne mehanske napake delimo na dva tipa radialnega upogiba (angl. radial bending). Razlikujemo prosti in prisilni radialni upogib (angl. free and forced radial buckling), ki so določeni s strukturo mehanske podpore navitja in so v naravi enaki. V vseh primerih deformacij navitij (odvisno od stopnje deformacije), lahko nastalo stanje pomeni okvaro