Tesi
Implementazione di un sistema di misura per la caratterizzazione in
frequenza di trasformatori in resina (SFRA)
Relatore: Edoardo Fiorucci
Relatore Esterno: Ing.
Antonio Di Pasquale
Laureato: Moreno D’Andrea
Facoltà di Ingegneria
Università degli Studi dell’Aquila
Laurea Spec. Ing. Elettrica
A.A.: 2009/2010
I trasformatori costituiscono il “cuore” della produzione, del trasporto
e della distribuzione
dell’energia elettrica; ai fini di avere una maggiore sicurezza e
ridurre i costi di manutenzione, negli ultimi anni si va sempre
maggiormente diffondendo la prevenzione dei guasti quindi cresce sempre
di più l’attenzione verso la diagnostica.
Una delle principali tecniche in via di sviluppo in questo settore è lo
Sweep Frequency Response Analysis (SFRA) tramite il quale è possibile
dare delle indicazioni sulle condizioni delle parti attive, cioè del
Nucleo e degli Avvolgimenti, che compongono il trasformatore. La misura
viene eseguita mediante l’applicazione di un segnale sinusoidale su un
avvolgimento, mantenendo inalterata l’ampiezza e facendolo variare in
frequenza, così da vedere come tale avvolgimento si comporta alle
diverse frequenze. Il trasformatore, da un punto di vista elettrico è
legato a parametri capaciti, induttivi e resistivi, pertanto quando vi è
una variazione su una qualsiasi parte della macchina, vi è anche una
variazione della risposta in frequenza della funzione di trasferimento
ricavata dalla sintesi circuitale. Sulla base di questo principio,
tramite l’analisi, è possibile effettuare una diagnostica del
trasformatore, così da accertarsi delle condizioni dei vari componenti,
della vita residua della macchina e, nel caso di forti alterazioni,
intervenire prima che si verifichi il guasto.
La tecnica SFRA, prevede la realizzazione di una vera e propria impronta
digitale per ogni trasformatore; tale impronta, però, risulta essere
difficile da interpretare se non si ha a disposizione una precedente
impronta della macchina.
A causa della recente introduzione di tale diagnostica, vi è la mancanza
dei dati di riferimento per la quasi totalità dei trasformatori già
entrati in funzione. Per rimediare a questa situazione si vanno a
confrontare gli spettri ricavati sulle macchine installate con quelli
ricavati su trasformatori gemelli o in alternativa confrontandoli con
quelli ricavati sulle diverse fasi dello stesso trasformatore, così da
vedere la presenza di alterazione della fase guasta rispetto alle fasi
sane.
I risultati delle misure ricavate mediante la tecnica SFRA, vengono
principalmente analizzate, per:
-
monitorare la variazione dello stesso avvolgimento nel tempo;
-
monitorare la variazione geometrica tra gli avvolgimenti delle tre fasi
dello stesso trasformatore;
-
monitorare le differenze costruttive tra i trasformatori della stessa
serie di produzione.
Uno qualsiasi di questi tre casi porta ad avere una variazione dello
spettro in frequenza, costituito da ampiezza e fase della funzione di
trasferimento. Attualmente la variazione della fase della risposta in
frequenza non da riscontri significativi per la diagnostica, mentre
analizzando l’ampiezza si può risalire al tipo di problema presente.
Man mano che l’analisi tramite la tecnica SFRA si va diffondendo, si
mettono sempre più in evidenza le relazioni che ci sono tra le
variazioni che si hanno sullo spettro, rispetto alle variazioni che si
hanno sui parametri geometrici. Questa crescita di conoscenze permette
sempre più di poter interpretare al meglio i dati ottenuti dall’analisi
in frequenza, tuttavia ancora oggi restano di difficile comprensione a
persone non esperte del settore.
Questo nuovo tipo di prova verrà regolamentato dalla normativa IEC
60076-18 Ed.1 CDV con entrata in vigore prevista per Giugno 2012, la
quale fornirà uno standard su come dovrà essere realizzato il collaudo,
così da avere una corretta ripetibilità e un corretto svolgimento da
chiunque lo effettui.
Con lo scopo di acquisire conoscenze sulla normativa e su come occorre
equipaggiarsi per effettuare questo nuovo tipo di collaudo, lo
stabilimento della BTicino di Teramo, in collaborazione con L’Università
degli studi dell’Aquila, ha commissionato lo svolgimento di questo
lavoro della durata complessiva di 375 ore.
In modo molto sintetico si riportano i contenuti dei capitoli:
Nel Primo capitolo si effettua un’introduzione e una spiegazione
generale del metodo utilizzato.
Nel Secondo capitolo si spiega come è formato e come viene costruito un
trasformatore in resina presso lo stabilimento di Teramo della BTicino.
Nel Terzo capitolo si spiegano i principali guasti che si hanno sul
trasformatore.
Nel Quarto capitolo si spiegano le principali tecniche di diagnostica.
Nel Quinto capitolo si illustra la teoria che è alla base della tecnica
SFRA, accennando ai principi utilizzati nel calcolo della rete
equivalente utilizzata per interpretare lo spettro ricavato.
Nel Sesto capitolo si illustrano le possibili misure da effettuare con
la tecnica SFRA e si accenna ad una possibile linea guida di
diagnosi/lettura degli spettri.
Nel Settimo capitolo si evidenziano le possibili zone sullo spettro dove
il guasto può interagire modificandolo.
Nell’Ottavo capitolo si riporta una breve sintesi della norma IEC
60076-18 Ed.1 CDV, in fase di approvazione con pubblicazione prevista
nel Giugno del 2012.
Nel Nono capitolo si effettua una breve spiegazione del software
LabVIEW, utilizzato per la realizzazione dello strumento virtuale.
Nel Decimo capitolo si spiegano le operazioni che vengono svolte dallo
strumento virtuale realizzato.
Infine nell’Undicesimo si riportano le prove sperimentali effettuate con
il software sui trasformatori in resina realizzato presso lo
stabilimento della BTicino di Teramo, per poi esprimere delle
valutazioni conclusive.
Il sistema di acquisizione ideato in questo progetto di tesi è composto
da un generatore di funzioni, un oscilloscopio, un adattatore GPIB/USB e
un Pc dove risiede lo strumento virtuale realizzato tramite l’utilizzo
del software “LabVIEW”.
Lo strumento virtuale si presenta con una prima schermata costituita da
un menù principale, dove si può scegliere se eseguire la misura sul
trasformatore, oppure passare alla manipolazione dei dati già raccolti.
Scegliendo di effettuare la misura sul trasformatore si possono
effettuare diverse operazioni:
-
Calibrazione del generatore di funzioni, indicando la frequenza
iniziale, frequenza finale e il passo di campionamento;
-
calibrazione dell’oscilloscopio configurando per ogni misura la
frequenza di campionamento e il numero di campioni che deve acquisire;
-
salvataggio delle caratteristiche della prova, quindi i dati e le
condizioni del trasformatore in prova.
Inoltre durante l’esecuzione della prova è possibile visualizzare
l’andamento dei dati misurati, così da verificarne la correttezza in
modo istantaneo e salvarli nel caso di buon esito della stessa.
Se dal menù principale si sceglie di passare alla sezione relativa alla
diagnostica si dispone di tre parti, dove è possibile manipolare e
confrontare i dati acquisiti:
-
I parte: ai fini di controllo e di correttezza di una misurazione
salvata, è possibile effettuare la lettura di una precedente analisi.
-
II parte: qui è possibile eseguire il confronto tra due precedenti
misure, graficando l’andamento di entrambi gli spettri con la relativa
differenza, inoltre viene effettuato anche il calcolo degli indici di
correlazione utili per una corretta interpretazione dei dati
confrontati.
-
III parte: in questa sezione è possibile visualizzare in modo simultaneo
tre misure sullo stesso grafico, così da vedere la differenza tra le tre
fasi di un trasformatore.
Nello strumento virtuale, nel caso di azioni errate da parte
dell’utente, si avranno delle finestre di dialogo studiate ad hoc che
avviseranno l’utente dell’errore compiuto, inoltre parte dei pulsanti
che compongono il pannello utente sono disabilitati e/o abilitati
durante lo svolgimento della prova.