Brevet FR2848299A1 — publié le 20040611

I PROCEDE POUR DIAGNOSTIQUER UN DEFAUT SUR UN ENROULEMENT DE TRANSFORMATEUR La présente invention concerne un procédé pour diagnostiquer un défaut sur un enroulement de transformateur utilisant une analyse 5 de réponse en fréquence ou FRA (Frequence Response Analysis en anglais). La présente invention est plus particulièrement adaptée aux transformateurs de puissance. Les transformateurs de puissance (tels que des transformateurs ayant des tensions primaires de plusieurs centaines 10 de kV et des puissances délivrées allant de quelques MVA à plusieurs centaines de MVA) sont des dispositifs extrêmement coteux dans les systèmes d'interconnexion des réseaux de transmission. Il est donc très utile de pouvoir garder en service ces transformateurs le plus longtemps possible, une panne ou un défaut du transformateur 15 pouvant avoir des conséquences économiques importantes dues à l'arrêt du réseau de distribution. En outre, des défauts tels que des courts-circuits peuvent entraîner des risques d'explosion ou d'incendie. Il est donc très important de pouvoir déterminer la présence de 20 défaut lié à l'enroulement d'un transformateur. Une solution connue à ce problème consiste à utiliser une analyse de réponse en fréquence appelée usuellement FRA (Frequency Response Analysis en anglais). Cette technique consiste à mesurer l'impédance d'un enroulement de transformateur sur une large gamme 25 de fréquence et à comparer le résultat de ces mesures avec un ensemble de référence. Afin de mesurer l'impédance en fonction de la fréquence, on peut effectuer un balayage en fréquence en utilisant un signal sinusodal. Ainsi, un circuit d'analyse en fréquence d'une impédance 5 correspondant à l'impédance d'un enroulement de transformateur à mesurer comporte: - un analyseur de réseau, - trois impédances de test de même valeur Zl, - une impédance ZT correspondant à l'impédance d'un 10 enroulement de transformateur à mesurer. L'analyseur de réseau génère un signal S de mesure. Le signal S de mesure est un signal sinusodal balayé en fréquence. Les impédances Zl sont par exemple les impédances des câbles de mesure et ont généralement une valeur égale à 50 Ohms. R est le 15 signal mesuré entre la première extrémité de ZT et la masse. T est le signal mesuré entre la deuxième extrémité de ZT et la masse. L'analyseur représente ensuite en fonction de la fréquence le gain en tension k défini par la relation suivante k = 201og10, ) Le gain k contient les informations nécessaires à l'étude de l'impédance ZT et vaut:k=201oglo ZTj Dans le cas d'une impédance Zl égale à 50 Ohms, on a ainsi k = 205og 0+, L'impédance est mesurée sur une gamme très large de fréquence qui peut aller de quelques Hz à une dizaine de MHz. La même mesure doit être effectuée sur un enroulement de référence. Cet enroulement de référence peut être soit une autre 5 phase pour laquelle on fait l'hypothèse qu'il n'y a pas de défaut, soit le même enroulement sans défaut mesuré auparavant, soit l'enroulement d'un transformateur identique. On obtient donc également un gain k' en fonction de la fréquence correspondant à cet enroulement de référence. Une première solution consiste alors à examiner à l'oeil les différences entre les courbes représentant k et k' en fonction de la fréquence. Cette solution présente cependant certains problèmes. En effet, l'examen à l'oeil effectué par un expert peut présenter une grande subjectivité et manquer de transparence. Une deuxième solution consiste à calculer des indicateurs statistiques permettant de mettre en évidence les différences entre les deux courbes. De tels indicateurs statistiques sont par exemple les coefficients de corrélation calculés dans différentes gammes de fréquences. Toutefois, l'utilisation de ces indicateurs statistiques pose également certains problèmes. Ainsi, certains défauts ne peuvent pas être identifiés; c'est le cas par exemple d'une mise à la terre du circuit magnétique du transformateur ou d'un courant de circulation produisant un 25 échauffement de l'enroulement. De même, cette utilisation des indicateurs statistiques peut conduire à confondre certains défauts; par exemple, une mauvaise mise à la terre de la cuve du transformateur peut être confondue avec un endommagement de l'enroulement. La présente invention vise à fournir un procédé pour diagnostiquer un défaut sur un enroulement de transformateur permettant à la fois d'augmenter le nombre de défauts détectables et de distinguer les différents défauts entre eux. La présente invention propose à cet effet un procédé pour 10 diagnostiquer un défaut sur un enroulement de transformateur comportant les étapes suivantes: - mesure de l'impédance dudit enroulement en fonction de la fréquence, ladite mesure étant représentée sous la forme d'un premier gain en tension, - comparaison de ladite mesure de l'impédance avec une mesure de référence représentée sous la forme d'un deuxième gain en tension, ladite comparaison incluant une étape de calcul de trois premiers paramètres, chacun desdits trois premiers paramètres étant un coefficient de corrélation desdits premier et deuxième 20 gain dans trois gammes de fréquence différentes, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination de la variation relative d'au moins un quatrième paramètre, ledit quatrième paramètre étant une grandeur physique caractéristique dudit transformateur, ladite variation relative étant 25 obtenue en comparant lesdits premier et deuxième gains. Grâce à l'invention, on combine les trois coefficients de corrélation avec la variation relative d'au moins un quatrième paramètre permettant d'identifier certains défauts non détectés par les valeurs des coefficients de corrélation. Selon la valeur de la 5 variation relative de ce quatrième paramètre, il est également possible de lever une incertitude entre différents défauts possibles. Avantageusement, ledit quatrième paramètre est choisi parmi le gain minimal, la fréquence de résonance fondamentale ou le nombre de fréquences de résonance présentes au-delà d'une fréquence 10 prédéterminée. Avantageusement, ledit gain minimal est déterminé pour une fréquence inférieure à 1i0 kHz. Le gain minimal se définit comme la valeur minimale prise par le gain en tension k en fonction de la fréquence de mesure; le gain 15 minimal à déterminer est le gain minimal pour une fréquence inférieure à 10 kHz. Il se peut en effet que le gain prenne une valeur minimale pour une fréquence plus élevée mais cette valeur est moins pertinente pour l'identification des défauts. Avantageusement, lesdites trois gammes de fréquence 20 différentes sont respectivement [1 kHz-lOkHz], [i OkHz-i OOkHz] et [1 00kHz-1 MHz]. Il apparaît en effet que les coefficients de corrélation calculés en dessous de i kHz sont moins pertinents et que ceux calculés audelà de 1 MHz donnent des informations peu fiables. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, ledit procédé comporte une étape de détermination de la variation relative d'au moins un cinquième et un sixième paramètre, lesdits cinquième et sixième paramètres étant caractéristiques dudit transformateur, ladite variation relative étant obtenue en comparant lesdits premier et deuxième gains. Selon ce mode de réalisation, ledit quatrième paramètre est le gain minimal, ledit cinquième paramètre est la fréquence de résonance fondamentale et ledit sixième paramètre est le nombre de fréquences de résonance présentes au-delà d'une fréquence prédéterminée. De manière extrêmement avantageuse, ledit procédé comporte 10 une étape de détermination d'une pluralité de codes de diagnostic, chacun desdits codes indiquant l'appartenance d'un desdits paramètres à une gamme de valeurs prédéterminée. Selon ce dernier mode de réalisation, ledit procédé comporte une étape de détermination de la présence d'un défaut et 15 d'identification dudit défaut en fonction de ladite pluralité de codes de diagnostic. Avantageusement, ladite étape de détermination de la présence d'un défaut et d'identification dudit défaut se fait par comparaison de ladite pluralité de codes avec des codes enregistrés 20 dans une table de recherche. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre illustratif et nullement limitatif. Les mesures FRA présentées par la suite seront toujours réalisées à 25 partir d'un circuit d'analyse tel que décrit plus haut Un transformateur triphasé comprend: - un circuit magnétique, - une cuve, - trois enroulements basse tension, - trois enroulements haute tension. Chaque couple d'enroulement haute et basse tension correspond à une phase du transformateur associée à un noyau du circuit magnétique. Les trois phases du transformateur seront respectivement notées par la suite A, B et C. Le circuit magnétique et la cuve sont reliés par une liaison et 10 sont à la masse. Trois mesures d'impédance peuvent être effectuées respectivement pour la haute et la basse tension. Ainsi, si on suspecte un défaut sur l'un des enroulements haute tension du transformateur, on mesure le gain de cet enroulement en 15 fonction de la fréquence, on effectue la même mesure pour un autre enroulement haute fréquence et on compare les gains respectifs de ces deux enroulements. Notons qu'une troisième mesure est également possible en utilisant le troisième enroulement haute fréquence. Notons que l'on peut également effectuer une comparaison entre les mesures sur l'enroulement soupçonné et des mesures réalisées antérieurement sur le même enroulement. On peut aussi faire une comparaison entre les mesures sur l'enroulement soupçonné et un enroulement équivalent d'un autre transformateur de la même 25 conception. A titre d'exemple, considérons les gains k et k' respectifs de deux enroulements haute tension des phases respectives C et A d'un transformateur triphasé tel que décrit plus haut. Les gains k et k' sont représentés pour une fréquence variant de10Hzà1 MHz. On suspecte la présence d'un défaut sur l'enroulement haute fréquence de la phase C correspondant au gain k. Afin de déterminer la présence d'un éventuel défaut et de diagnostiquer ce dernier, le procédé selon l'invention comporte le 10 calcul de six paramètres. Les trois premiers paramètres sont les coefficients de corrélation p,, p2 et p3 de k et k' calculés sur les trois gammes de fréquences [1kHz-1 0kHz] , [1 0kHz-1 00kHz] et [1OOkHz-1 MHz]. Rappelons que le coefficient de corrélation p pour deux 15 ensembles de n nombres X {x,, x2, ... x X} et Y {y, y2, *--,yn} est défini par la relation x=i 1 2= Le quatrième paramètre est défini comme le changement relatif du gain minimal CRk en basse fréquence, c'est à dire à une 20 valeur de fréquence inférieure à 10 kHz. Ainsi, si on appelle km le gain minimal de l'impédance à analyser et k'm le gain minimal de l'impédance de référence, le coefficient de changement relatif de gain minimal CRk est défini par la relation: CRk = kM. mk'M Le cinquième paramètre est défini comme le changement 25 relatif de la fréquence de résonance fondamentale CRF. La fréquence de résonance fondamentale est la première fréquence de résonance de chacun des gains k et k'. Si on appelle f et f' les fréquences de résonance fondamentales respectives des gains k et k', le paramètre CRf est défini par la relation: CR =f f' Le sixième paramètre est défini comme le changement relatif du nombre de fréquences de résonance comprises entre 1 00 kHz et 1 MHz. Si on appelle n et n' le nombre de fréquences de résonance respectives de k et k' comprises entre 100 kHz et 1 MHz, le n paramètre CR,, est défini par la relation: CR A chaque mesure du gain k comparée à une mesure du gain de référence k' correspond donc un sextuplet de paramètres {pl, P2, P3, CRk, CRf, CRJ1. Ces paramètres peuvent être calculés soit en utilisant un outil informatique soit par un opérateur en utilisant une feuille MSExcel' ou 15 un autre tableur. Ainsi, en calculant ces paramètres pour les courbes de k et k', on obtient: Pl = 0,7483 P2= 0,9797 P3= 0,8577 CRk= 0,9717 CRf= 1 CR,= 1,8333. On associe ensuite à chacune de ces valeurs un code; l'ensemble de ces codes est résumé dans le tableau 1 ci-dessous. Paramètres Valeurs Codes p (valable pour toutes les Plage normale O gammes de fréquences) >0,7000 1 5 4 CR > Plage normale 9 Plage normale O >0,8 1 0,2 - 0, 8 2 Plage normale 1 Tableau 1 Ainsi, on peut associer CRk, CRf, CRn}. six codes à chaque sextuplet {P1, P2, P3, il Le terme " plage normale " signifie que le paramètre se trouve à l'intérieur d'une plage de variation dite normale. Cette plage de variation normale dépend de l'enroulement utilisé pour la mesure de référence. Le tableau 2 résume les variations 5 normales dans le cas o le même enroulement est utilisé pour les mesures d'analyse et de référence. Paramètres Plages normales p (valable pour toutes les gammes de [0,9950 1,0000] fréquences) CR [0,9000 - 1,1000] CRk k.[-6 k.>6] CR" 1,2000 Tableau 2 Le tableau 3 résume les variations normales dans le cas o un enroulement différent est utilisé pour la référence. Paramètres Plages normales p (valable pour toutes les gammes de [0,97501,0000] fréquences) CR, [0,6500- 1,5000] CRk k.-6k.+6 Lk' k.' CR. 1,2000 Tableau 3 Les paramètres {p1, P2, p3, CRk, CRf, CRj} pour les courbes de k et k' donnent donc les codes: 101001. Lorsque les six codes sont déterminés, le procédé selon 5 I'invention comporte une étape de comparaison de ces six codes avec des codes enregistrés dans une table de recherche telle que présentée dans le tableau 4. Types de fautes P1 P2 P3 CRf CRk CRn 1) Pas de faute 0 0 0 0 0 0 2) Mauvaise mise à la terre de la cuve (haute résistance) 0 0 0-1 0 0 0 3) Absence de mise à la terre de la cuve 0 0 0-1 0-9 0-1 0 4) Absence de mise à la terre du circuit magnétique 0 0 0 0-9 0-1 0 5) Boucle fermée mise à la terre 0 0 0 0-9 0 0 6) Boucle fermée mise à un potentiel flottant 0 0 0-1 0-9 0 0 7) Spire additionnelle en court-circuit (même phase) 0-1-2 0 0 3 2-3 0 8) Défaut entre bornes de l'enroulement (enroulement analysé 0-1-2 0-1-2 0-1-2 8 3 0 affecté) 9) Défaut entre bornes de l'enroulement ( autre enroulement d'une 0-1-2 0-1-2 0 8 3 0 même phase affecté) 10) Une spire en court-circuit 0-1-2 0 0 0 0-1-2 0 11) Plusieurs spires en court-circuit 0-1-2 0-1 0-1 4 2 0 1 2) Court-circuit sur la seule phase adjacente 0-1 0 0 2 0 0 Types de fautes pl P2 p3 CRf CRk CRn 13) Court-circuit sur une autre phase que sur la seule phase 0-1 0 0 1 0 0 adjacente 14) Enroulement déplacé ou flambage de l'enroulement intérieur 0-1 0-1 0 0 0 0 15) Enroulement endommagé 0 0 0-1 0 0 0-1 16) Enroulement déplacé et endommagé 0-1 0-1 0-1 0 0 0-1 17) Mauvaise continuité 0-1-2 0-1-2 0-1-2 0-1 9 0 18) Une des bornes de l'enroulement mesuré mise à la terre 1-2 0-1 0-1 0 0 0-1 19) Une des bornes d'une autre phase que celle de l'enroulement 1-2 0-1-2 0 9-0 0-1-2 0-1 mesuré mise à la terre 20) Une des bornes d'un autre enroulement de la même phase que 0 0 0-1 0 0 0-1 l'enroulement mesuré mise à la terre Tableau 4 rl% Co Co La comparaison entre les paramètres calculés et la table de recherche telle que présentée dans le tableau 4 peut être réalisée par un programme informatique développé dans un environnement Matlab'. Les défauts 2 et 3 correspondent à des mauvaises mises à la terre de la cuve; dans le cas du défaut 3, il s'agit d'une absence de mise à la terre et dans le cas du défaut 2, d'une mise à la terre avec une résistance élevée entre la cuve et la terre (supérieure à 50 Ohms). Le défaut 4 correspond à une absence de mise à la terre du circuit magnétique, c'est à dire à une rupture de la liaison. Les défauts 5 et 6 correspondent à des boucles de courant de circulation mises respectivement à la terre et à un potentiel flottant; ces boucles entraînent un échauffement du transformateur. Le défaut 7 correspond à la présence d'une spire additionnelle créant un court circuit sur la phase à laquelle appartient l'enroulement à analyser. Le défaut 8 correspond à un défaut entre les bornes de l'enroulement à analyser, c'est à dire un court-circuit de l'enroulement 20 entier. Le défaut 9 correspond à un défaut entre les bornes d'un enroulement appartenant à la même phase que l'enroulement à analyser. Le défaut 10 correspond à un court-circuit présent sur une 25 spire des enroulements appartenant à la même phase que l'enroulement à analyser. Ce défaut produit un échauffement du transformateur. Le défaut 1i1 correspond à un court-circuit présent sur plusieurs spires appartenant à la même phase que l'enroulement à analyser. Ce défaut produit un échauffement du transformateur. Le défaut 12 correspond à un défaut de court-circuit tel que qu'un court circuit entre spires, entre bornes ou sur une spire additionnelle. Il indique que le défaut se trouve sur une phase à coté de celle o la mesure a été effectuée et que la phase o se trouve le 10 défaut est la seule phase adjacente, c'est à dire immédiatement à coté de la phase o la mesure a été effectuée. Ainsi, si le défaut se trouve sur le noyau central, l'analyse des autres phases produira ce code car la phase centrale est bien la seule phase immédiatement à coté des phases de gauche et de droite. La défaut 1 3 correspond également à un défaut de courtcircuit tel qu'un court circuit entre spires, entre bornes ou sur une spire additionnelle. Il indique cependant que le défaut n'est pas sur une phase unique se trouvant immédiatement à coté de la phase o la mesure a été effectuée. Ainsi, si le défaut se trouve sur le noyau de 20 gauche, l'analyse de la phase centrale produira ce code car il y a bien deux phases immédiatement à coté de la phase centrale et non une seule. Le défaut 14 correspond à un déplacement axial de l'enroulement à analyser sans que ce dernier soit cependant trop 25 endommagé localement ou à un flambage d'un enroulement intérieur. Le défaut 1 5 correspond à un endommagement mécanique local sur l'enroulement à analyser. Le défaut 16 cumule les défauts 14 et 1 5. Le défaut 17 correspond à une mauvaise continuité électrique 5 dans l'enroulement à analyser. Cette mauvaise continuité peut être liée à un mauvais contact de mesure. Le défaut 1 8 correspond à la mise à la terre d'une des bornes de l'enroulement à analyser. Le défaut 19 correspond à la mise à la terre d'une des bornes 10 d'un enroulement appartenant à une autre phase que celle de l'enroulement à analyser. Le défaut 20 correspond à la mise à la terre d'une des bornes d'un enroulement différent de l'enroulement à analyser mais appartenant à la même phase. Les défauts 1 8, 19 et 20 sont davantage des défauts de mesure. Ainsi, en comparant les codes 101001 associés aux courbes de k et k' avec les défauts listés dans le tableau 4, on en déduit la présence d'un défaut de type 16 ou 18. On peut écarter un problème 20 de mesure de type 1 8 en refaisant la mesure et en déduire ou non la présence d'un défaut de type 1 6, c'est à dire d'un enroulement déplacé et endommagé. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. Notamment, les étapes de calcul de paramètres et de recherche dans la table de recherche réalisées par des moyens logiciels peuvent être également réalisées par des opérateurs. De même, les valeurs des codes ont été données à titre 5 indicatif mais peuvent être remplacées par d'autres valeurs adaptées à d'autres outils logiciels. REVENDICATIONS 1. Procédé pour diagnostiquer un défaut sur un enroulement de transformateur comportant les étapes suivantes: - mesure de l'impédance dudit enroulement en fonction de la 5 fréquence, ladite mesure étant représentée sous la forme d'un premier gain (k) en tension, - comparaison de ladite mesure de l'impédance avec une mesure de référence représentée sous la forme d'un deuxième gain (k') en tension, ladite comparaison incluant une étape de calcul de 10 trois premiers paramètres, chacun desdits trois premiers paramètres étant un coefficient de corrélation (p, p2, p3,) desdits premier et deuxième gains (k, k') dans trois gammes de fréquence différentes, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte une étape de 15 détermination de la variation relative d'au moins un quatrième paramètre (CRk, CRf, CR,), ledit quatrième paramètre étant une grandeur physique caractéristique dudit transformateur, ladite variation relative étant obtenue en comparant lesdits premier et deuxième gains (k, k'). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit quatrième paramètre est choisi parmi le gain minimal, la fréquence de résonance fondamentale ou le nombre de fréquences de résonance présentes au-delà d'une fréquence prédéterminée. 3. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit gain minimal est déterminé pour une fréquence inférieure à kHz. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé 5 en ce que lesdites trois gammes de fréquence différentes sont respectivement [1kHz-i OkHz], [10kHz-1 00kHz] et [1OOkHz1 MHz]. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une étape de détermination de la variation 10 relative d'au moins un cinquième et un sixième paramètre, lesdits cinquième et sixième paramètres étant caractéristiques dudit transformateur, ladite variation relative étant obtenue en comparant lesdits premier et deuxième gain. 6. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que 15 ledit quatrième paramètre est le gain minimal, ledit cinquième paramètre est la fréquence de résonance fondamentale et ledit sixième paramètre est le nombre de fréquences de résonance présentes au-delà d'une fréquence prédéterminée. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé 20 en ce qu'il comporte une étape de détermination d'une pluralité de codes de diagnostic, chacun desdits codes indiquant l'appartenance d'un desdits paramètres à une gamme de valeurs prédéterminée. 8. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il 25 comporte une étape de détermination de la présence d'un défaut et d'identification dudit défaut en fonction de ladite pluralité de codes de diagnostic. 9. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite étape de détermination de la présence d'un défaut et 5 d'identification dudit défaut se fait par comparaison de ladite pluralité de codes avec des codes enregistrés dans une table de recherche.