Come rilevare gli avvolgimenti in cortocircuito nei trasformatori
Questo documento descrive in dettaglio le tecniche utilizzate dai tester della serie AT di Voltech per rilevare gli avvolgimenti in cortocircuito nei trasformatori.
Introduzione: Rilevamento di spire in cortocircuito negli avvolgimenti del trasformatore
Trasformatori e induttori sono componenti critici nei sistemi elettrici, costituiti da più giri di filo avvolti attorno a un nucleo magnetico fatto di ferro, ferrite o aria. Questi avvolgimenti sono essenziali per un efficiente trasferimento di energia. I trasformatori hanno in genere più avvolgimenti, mentre gli induttori sono solitamente costituiti da un singolo avvolgimento.
Rilevare spire in cortocircuito nei trasformatori, in particolare quelli con fili sottili o numerose spire, è fondamentale per garantire l'affidabilità a lungo termine. Guasti agli avvolgimenti non rilevati possono causare temperature elevate durante il funzionamento, portando alla fusione del rame e a cortocircuiti a bassa resistenza che compromettono la funzionalità del trasformatore. Il Voltech AT5600 offre funzionalità di test avanzate per rilevare tali guasti nelle prime fasi del processo di produzione, riducendo il rischio di guasti sul campo.
Il Voltech AT5600 offre funzionalità di test avanzate per rilevare tali guasti nelle prime fasi del processo di produzione, riducendo il rischio di guasti sul campo.
Metodi avanzati per rilevare curve in cortocircuito con AT5600
Il tester Voltech AT5600 utilizza due metodi di prova chiave per identificare avvolgimenti in cortocircuito e debolezze di isolamento in trasformatori e induttori:
Prova di sovratensione o di impulso (SURG): adatta per fili sottili o avvolgimenti ad alta tensione.
Prova STRESS WATTS. (STRW / STRX) - adatta per avvolgimenti a tensione di linea.
In entrambi i casi seguenti discuteremo gli effetti dello stress sul primario, ma ricordate che tramite l'induzione di base delle tensioni su tutti gli avvolgimenti, metterete alla prova la longevità di TUTTI gli avvolgimenti del trasformatore.
Pertanto dovresti sempre sottoporre a stress test l'avvolgimento con il maggior numero di spire, poiché ciò garantirà di non indurre più tensione di quella generata su nessun avvolgimento, proteggendo così l'UUT e il tester AT.
Test di sovratensione o impulso (100 V - 5 kV CC)
Poiché non esiste un metodo o un parametro di misurazione universalmente definito per questo tipo di test, è necessario un componente di esempio perfetto per i test comparativi.
Il componente perfetto confronterà il risultato misurato e lo utilizzerà come valore di confronto.
Il livello di tensione e il numero di impulsi richiesti dipendono dalla quantità totale di sollecitazione necessaria sull'avvolgimento del componente.
Ad esempio, in caso di fulmine, un trasformatore alimentato dalla rete elettrica potrebbe subire picchi fino a 2 kV dall'alimentazione di rete grezza, pertanto tre impulsi a un livello di tensione di 3 kV dovrebbero testare e sollecitare adeguatamente gli avvolgimenti per rilevare imperfezioni nell'isolamento tra le spire.
Ogni impulso ad alta tensione iniettato produrrà un tempo di decadimento caratteristico definito della tensione transitoria.
Un isolamento scadente e/o spire in cortocircuito dissiperanno parte dell'energia, con conseguenti tempi di decadimento più brevi.
FIGURA 1 (decadimento in funzione del tempo di un impulso da un test di sovratensione, sinistra = parte buona, destra = parte cattiva).
Il test "SURGE" della serie AT fornisce un test di sovratensione ad alta tensione da 100 V a 5 kV e una scelta da 1 a 99 impulsi
Il segnale di prova viene generato scaricando un condensatore nell'avvolgimento della parte sottoposta a prova e quindi misurando la lunghezza della relazione risonante tra il condensatore (nell'AT) e l'induttore (UUT)
Se il programma di test richiede più impulsi, una volta che l'AT rileva che l'impulso risonante ha raggiunto lo zero, ricaricherà il condensatore e lo scaricherà nuovamente per l'impulso successivo.
Ciò richiede circa 100-200 ms tra la fine di un decadimento dell'impulso e l'inizio del decadimento dell'impulso successivo.
Non esiste alcun parametro temporale definito dall'utente per l'impulso e la successiva misurazione, poiché la velocità di decadimento dipende dalla relazione tra il generatore di sovratensioni AT e la parte sottoposta a prova.
I risultati restituiti dall'AT vengono presentati come una misurazione volt-secondo (vale a dire l'area sotto il grafico del decadimento).
Se il trasformatore è difettoso, il risultato misurato sarà un valore inferiore a quello del trasformatore perfetto, poiché le perdite causeranno un tempo di decadimento più breve e determineranno un'area più piccola sotto il grafico.
Il metodo SURGE è preferibile al successivo metodo STRESS WATT, poiché le tensioni di stress più elevate disponibili garantiscono una migliore sensibilità al guasto di un singolo avvolgimento adiacente.
Naturalmente, l'uso di SURGE richiede anche che la progettazione del componente sia in grado di resistere a impulsi così elevati, anche se fabbricato correttamente.
Riepilogo del test SURGE
Utilizzando questo test come parametro caratterizzante della progettazione di un trasformatore, è possibile individuare le parti soggette a guasti precoci valutando la lunghezza della risonanza rispetto a quella della parte di riferimento perfetta utilizzata per definire i limiti del test.
Tutte le parti con cortocircuiti tra gli avvolgimenti o aree deboli (ad esempio nel rivestimento in smalto) si surriscaldano sotto lo stress dell'impulso di tensione e possono quindi essere rilevate e rimosse dalla produzione per essere rilavorate o rottamate.
Prova STRESS WATTS (1-270 V CA)
Un trasformatore continuerà ad assorbire una certa corrente e a consumare energia quando viene testato senza carico e con il circuito secondario aperto.
Questo consumo di energia si misura in watt e rappresenta la potenza assorbita da una bobina sottoposta a corrente alternata.
In genere, l'assorbimento di corrente dovuto alla perdita del nucleo (correnti parassite e isteresi) è pari solo a una piccola percentuale del carico normale e quindi è solitamente trascurabile.
Il test di Watt (WATT) viene solitamente eseguito alla massima tensione di linea e alla massima frequenza operativa del trasformatore.
FIGURA 2 - Test WATT primario 220 V @ 50 Hz, TR 5:1, secondario è 44 V @ 50 Hz
Tuttavia, è anche molto comune e desiderabile “stressare” il trasformatore oltre la sua normale tensione di esercizio per dare un certo margine di garanzia della qualità.
Questo stress test (a differenza dei normali test WATT) dovrebbe essere eseguito anche per una durata estesa e fissa, poiché i punti deboli potrebbero non essere evidenti in condizioni istantanee.
Durante questo periodo di stress, qualsiasi aumento drammatico istantaneo della potenza misurata indicherebbe la presenza di un guasto dell'avvolgimento di isolamento tra spire o di un cortocircuito in quanto una quantità maggiore di corrente verrebbe consumata attraverso il difetto.
FIGURA 3 - Prova STRESS WATT primario 440 V @ 100 Hz, TR 5:1, secondario è 88 V @ 100 Hz
La legge di Faraday mostra che se la tensione e la frequenza aumentano proporzionalmente, la perdita del nucleo dovrebbe rimanere più o meno la stessa. Pertanto, un test di stress watt (STRW) può essere eseguito a due volte la tensione nominale e due volte la frequenza nominale del trasformatore.
Poiché abbiamo aumentato proporzionalmente la tensione e la frequenza dalla figura 2 alla figura 3, la perdita nel nucleo rimarrà la stessa, consentendo agli avvolgimenti di essere sollecitati a una tensione maggiore di quella utilizzata nel normale funzionamento.
La densità di flusso (B) nel nucleo rimarrà la stessa
B ~ V / (f * A * N)
N = Il numero di giri
A = L'area della sezione trasversale del nucleo
V = Tensione applicata.
f = Frequenza applicata
Note pratiche
In realtà, scoprirai che le perdite del nucleo aumentano con la frequenza (le perdite del nucleo sono una funzione della densità di flusso E della frequenza) anche se abbiamo mantenuto la stessa densità di flusso, quindi lo STRW potrebbe essere più alto, ma il risultato sarà comunque ripetibile e caratteristico. Puoi mitigare le perdite del nucleo raddoppiando di nuovo la F, quindi per un trasformatore da 100 V, 50 Hz, potresti scoprire che 200 V, 200 Hz è più adatto di 110 V/100 Hz.
I trasformatori di alimentazione di linea hanno in genere un avvolgimento da 240 V, con una presa per fornire 2 avvolgimenti da 120 V.
Per raddoppiare la tensione sull'avvolgimento da 240 V sarebbero necessari 480 V, ovvero oltre la capacità di 270 V del test STRW.
Qui suggeriamo una delle due:
a) Testare l'avvolgimento da 120 V (se ne hai uno) individualmente a 120 V (WATT) per il normale funzionamento e poi a 240 V per il test di stress (STRW). Ciò a sua volta indurrà 480 V attraverso l'avvolgimento da 240 V, senza la necessità di fornire i 480 V
O
b) Testare un secondario a tensione inferiore, al doppio della sua tensione di esercizio. Analogamente, ciò indurrebbe 480 V sul primario, ma poiché i nodi primari non verrebbero utilizzati nel test, l'isolamento da 5 kV sui nodi di test aperti proteggerà il tester AT.
Riepilogo del test STRW
I modelli AT5600 e AT3600 forniscono un test STRW (stress watt test) da 1 V a 270 V a 20 Hz fino a 1500 Hz per rilevare potenziali guasti nell'isolamento tra spire di un avvolgimento.
L'utente deve inoltre specificare un tempo di permanenza per il test compreso tra 0,5 s e 180 s, durante il quale la potenza viene monitorata costantemente.
I risultati dei test sono presentati in Watt.
Nei casi in cui sia necessario aumentare i livelli di tensione e corrente, utilizzare l'interfaccia CA di Voltech con AT.
Ciò consente l'uso di un trasformatore elevatore esterno o di una fonte di alimentazione CA per generare una tensione più elevata (fino a 600 V) e una corrente (fino a 10 A)
I segnali di prova, la misurazione e i criteri di superamento/fallimento vengono comunque controllati automaticamente dall'AT mediante i 4 test X: MAGX, WATX, STRX e VOCX.