Interprétation des mesures FRA des transformateurs

En 2008 CIGRE a publié la Brochure Technique (BT 342) ^[1] , qui est un guide sur l'évaluation de l'état mécanique des enroulements des transformateurs par l'analyse de la réponse en fréquence (FRA). Ce guide traite des différentes techniques de mesure disponibles dans l'industrie, et propose des recommandations de normalisation de bonnes pratiques de mesure. Un chapitre est consacré à l'interprétation des FRA et plusieurs exemples de mesures de réponse en fréquence et de diagnostics sont rapportés.

Après que le Groupe de Travail (GT) CIGRE a terminé ses travaux, un groupe de projet CEI a été lancé pour mettre au point une norme sur les mesures de la réponse en fréquence. La norme, publiée en 2012 ^[2], fortement inspirée du guide CIGRE produit auparavant, spécifie la méthode de mesure (connexion et configuration), les équipements de mesure et les enregistrements des mesures.

En parallèle des initiatives CIGRE et CEI, un autre groupe de travail a été créé au sein de IEEE. Les configurations de mesure présentées dans le guide IEEE ^[3] sont en général semblables à celles spécifiée par la CEI , mais il existe quelques différences dans les configurations recommandées pour un nouveau groupe de mesures.

Même si la méthode a été récemment étudiée au niveau international dans différents groupes de travail relevant de CIGRE, CEI et IEEE, l'industrie ressent toujours un besoin d'instructions supplémentaires pour l'interprétation des résultats. De fait, la manière habituelle d'interpréter les résultats consiste à comparer visuellement, et donc subjectivement, les courbes de réponse en fréquence et à en tirer une interprétation basée sur l'expérience passée. Dans ces conditions l'objectif ultime serait de mettre au point un algorithme d'interprétation objectif et reconnu internationalement, qui pourrait être appliqué pour l'évaluation des transformateurs, après un incident en exploitation, ou comme un critère d'acceptation ou de refus pour les essais de court-circuit des transformateurs.

C'est dans ce contexte que le GT A2.53 du CIGRE a été mis en place en 2016. La BT qu'il a produite couvre les points suivants :

• Une présentation générale et une explication des fondamentaux de la réponse en fréquence.
• Les facteurs pouvant influencer la mesure et, par conséquent, leur interprétation.
• Des études de cas montrant comment la FRA peut être utilisée pour détecter des modes de défaillance mécanique et d'autres défaillances électriques.
• Une étude bibliographique des évaluations quantitatives de FRA. Un rapport intermédiaire sur le sujet a été publié par le GT ^[4].
• Une évaluation de la qualité des index numériques pour des paramètres techniques clés, par le biais d'expériences académiques portant sur des déplacements mécaniques contrôlés et des études de cas du GT A2.53.

Compréhension de la réponse en fréquence

Une réponse en fréquence d'un transformateur est la représentation des interactions entre l'inductance, la capacité et la résistance des éléments constituant le circuit électrique des enroulements. Ceci est discuté dans deux chapitres de la BT. Le premier a pour objectif de donner au lecteur une compréhension de base des principales caractéristiques  qu'on peut attendre dans une courbe de mesure de réponse en fréquence. On y trouve une description des phénomènes physiques qui sont derrière la mesure de la réponse en fréquence et une description des réponses types, dépendant des différentes conceptions et configurations des enroulements. Le deuxième chapitre donne des informations plus détaillées, à partir du modèle électrique du transformateur.

Un transformateur peut être modélisé sous la forme d'un réseau de circuits équivalents, constitué d'une combinaison d'éléments qui sont géométriquement dépendants. Les enroulements d'une même phase sont magnétiquement couplés, et représentés par un self inductance et une inductance mutuelle. En plus des capacités série des enroulements et des capacités shunt à la terre, une paire d'enroulements adjacents est aussi électrostatiquement couplée et ceci se traduit par des capacités entre enroulements. Ainsi il existe une relation entre la géométrie des enroulements, les composants électriques équivalents du réseau de circuits et les réponses en fréquence mesurées aux bornes des enroulements.

Le principe sous-jacent du diagnostic FRA est qu'un déplacement, ou une déformation physique, des enroulements se traduit par des modifications dans les composants électriques équivalents de la partie correspondante de l'enroulement. Ces modifications sont reflétées par des changements ou des additions dans les fréquences de résonance observées dans les courbes de réponse en fréquence.

Facteurs influençant la mesure

Pour les mesures de réponse en fréquence, la probabilité qu'un transformateur connaisse un problème est significativement plus faible qu'une erreur du personnel réalisant l'essai. Dans cette partie on passe en revue les facteurs qui peuvent influencer les données. Des exemples sont présentés, avec pour objectif de faire prendre conscience du rôle que ces facteurs peuvent jouer, afin qu'on ne fasse pas abstraction de leur potentielle contribution quand on cherche les origines de données anormales.

Ces facteurs peuvent être liés au montage de mesure, à l'état du transformateur (par ex. sa température), à la configuration du transformateur (par ex. la position des prises), ou à des facteurs externes. Une fois que ces facteurs de doute sont éliminés ou identifiés, on peut s'intéresser au transformateur.

Etudes de cas

Dans la BT 18 études de cas sont présentées, provenant d'un total de 60 cas collectés par le GT. Ces exemples montrent quelles sont les plages de fréquences associées aux différents modes de défaillance. Cependant, sur la base du petit nombre des cas partagés au plan international, on peut déduire que les situations où une interprétation FRA a montré une corrélation claire avec une défaillance mécanique sont très limitées. Ceci peut être dû aux modes de défaillance multiples qui interviennent quand un enroulement est mis en cause. Par exemple, si un enroulement a subi un déplacement mécanique, celui-ci est probablement suivi d'un défaut entre spires, qui peut être détecté au moyen d'essais électriques conventionnels. Les déplacements mécaniques sans défaut entre spires sont souvent recherchés en démontant la partie active pour identifier l'enroulement endommagé ; il s'agit souvent de l'enroulement le plus proche du noyau. Comme les analyses post-mortem sont coûteuses, elles ne sont pas courantes et des cas d'études intéressants sont perdus. Il est aussi possible qu'un transformateur survive à déplacement mécanique d'un enroulement, et que son état de faiblesse ne soit pas détecté du fait de l'absence d'essai et d'inspection.

Comme montré dans les études de cas, l'apparition de nouvelles caractéristiques ou de décalage important de fréquences est une cause d'inquiétude. Des modifications importantes de l'amplitude de la trace sont habituellement accompagnées de fortes différences de phase, ce qui fait que l'information de phase est en quelque sorte redondante. Dans la BT on n'utilise que l'information d'amplitude pour l'analyse, et on suppose que dans les études de cas les mesures ont été réalisées correctement dans le respect des bonnes pratiques recommandées.

Les modes de défaillance mécanique et électrique importants suivants sont présentés dans les études de cas :

• serrage
• torsion et perte de maintien
• Déplacement axial
• Décrochage de conducteur
• Déplacement de connexion
• Torsion
• Court-circuit interne à l'enroulement
• Mise à la terre du noyau par rupture

On trouve également dans la BT quelques exemples de mesure de réponse en fréquence réalisés avant et après des essais de court-circuit.

Etude bibliographique sur les évaluations quantitatives

La FRA est une méthode comparative qui demande une référence. Dans les publications sont décrites différentes méthodes de quantification des variations entre une nouvelle trace de mesure et une trace de référence. Ces méthodes peuvent être classées en trois groupes principaux :

• algorithmes basés sur des index numériques
• algorithmes basés sur un modèle boîte blanche
• algorithmes basés sur l'intelligence artificielle (IA)

Les index numériques quantifient les écarts entre la trace de référence et celle des mesures de réponse en fréquence au moyen d'équations mathématiques. Les équations utilisent habituellement l'amplitude de la réponse en fréquence pour calculer une valeur. Certains index numériques sont calculés directement à partir des données de valeur de la trace et d'autres sont dérivés des fréquences de résonance ou du vecteur ajusté à la trace.

Les algorithmes basés sur des modèles de boîte blanche cherchent à représenter la réponse en fréquence, soit en utilisant un modèle de circuit pour décrire la topologie de l'inductance, de la capacité et de la résistance représentant les enroulements, soit en en utilisant un modèle aux éléments finis (FEM) pour reproduire numériquement le comportement électromagnétique des enroulements. En général les modèles circuits ou FEM requièrent des détails de la géométrie interne qui ne sont pas habituellement disponibles pour tous les transformateurs. Ils sont alors utilisés par les institutions académiques pour étudier les FRA, et par les constructeurs de transformateurs pour optimiser la conception des enroulements au plan du comportement diélectrique. L'approche FEM 3D est intéressante pour produire des données précieuses pour l'interprétation FRA, par exemple en simulant différents modes de défaillance mécanique, ou en étudiant l'effet des propriétés électriques des enroulements sur la réponse en fréquence des transformateurs.

Dans certaines méthodes on estime les paramètres électriques à partir de mesures réalisées aux bornes. Il est possible d'extraire les informations des paramètres physiques à partir des mesures de la réponse en fréquence (par ex. la réactance de fuite, le rapport de tours, la capacité, etc.), et comparer ces valeurs numériques à celles des mesures de référence précédentes. Cette approche n'exige pas une connaissance détaillée de la géométrie interne, et est donc applicable pour des utilisations FRA courantes.

Il existe plusieurs algorithmes d'IA, par ex. les arbres de décision, la logique floue et les réseaux de neurones, et chacun possède des caractéristiques propres. Certains chercheurs utilisent ces types de méthode pour estimer le modèle aux hautes fréquences d'un transformateur à partir des données obtenues par les mesures des réponses en fréquence. D'autres appliquent l'AI pour la reconnaissance des profils de la réponse en fréquence des enroulements et détecter une éventuelle défaillance de l'isolation de l'enroulement interne. Sur ce point, le type de défaut est aussi déterminable par la catégorisation de la réponse en fréquence, au moyen de méthodes IA, les algorithmes IA pouvant utiliser une combinaison de plusieurs index pour cette catégorisation. Pour l'apprentissage des modèles une base de données est nécessaire, mais elle n'est pas en général disponible. Certaines contributions suggèrent d'utiliser les résultats des modèles FEM de circuits comme base de données. Cependant l'applicabilité de ces modèles à un parc de transformateurs est en elle-même un problème.

Evaluation des index numériques sélectionnés

Les index numériques analysés dans la BT sont calculés directement à partir des données numériques de la trace (amplitude et phase), ceci étant le plus facile à réaliser. Les index numériques ont été évalués en utilisant des modèles académiques expérimentaux, soumis à différents niveaux de déformations axiales et radiales et sur des études de cas sélectionnés de la base de données du GT.

Les résultats montrent que les différents index se comportent différemment en regard du critère d'évaluation (monotonicité, linéarité, sensibilité, et rapport au volume des données). La définition de la plage des fréquences sur laquelle porte l'interprétation pose problème, parce que le choix dépend de nombreux facteurs liés à la conception du transformateur. Une nouvelle approche utilisant une fenêtre glissante, comme montré sur la Figure 1, résout ce problème. L'écart entre les signatures des réponses en fréquence est alors calculé, comme une fonction de la fréquence. La mise en œuvre de cette approche a montré une bonne sensibilité pour la détection des déformations d’enroulements pour plusieurs cas de la base du GT.

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Conclusion

En collectant les retours d'expérience de l'industrie et les contributions des institutions académiques, la BT contribue à l'amélioration de l'interprétation FRA. En conclusion :

• La compréhension de la réponse en fréquence et les facteurs qui peuvent influer sur la mesure sont à la base de l'interprétation FRA.
• Les études de cas sélectionnées, présentées et analysées dans la BT, peuvent être utilisées comme des exemples de référence, pour montrer comment un déplacement mécanique peut être détecté par FRA.
• Les contributions des institutions académiques, provenant des investigations de laboratoire et des modélisations numériques, aident à compléter le nombre limité des études de cas.
• Le GT confirme qu'il est encore trop tôt pour émettre une recommandation définitive sur l'évaluation quantitative de la FRA mettant en œuvre des critères quantitatifs et des seuils.
• Sur la base des contributions académiques et d'une analyse des cas d'études sélectionnés, certains index sont apparus comme les plus prometteurs pour une analyse complémentaire.

Le GT recommande :

• Que CIGRE continue de constituer un forum d'échange d'études de cas d’interprétation de FRA (ateliers, sujets préférentiels, etc.).
• Que la communauté internationale des transformateurs utilise les index les plus prometteurs pour développer plus avant l'interprétation objective des FRA.
• Que les institutions académiques continuent à supporter les recherches relatives à l'interprétation de la FRA.