Omicron SFRA

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Text of Omicron SFRA

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    1/83

    Sweep Frequency Response 

    Analysis

    Why 

    it 

    should 

    be 

    in 

    your 

    diagnostic toolbox

    Keith Hill  – Doble Engineering

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    2/83

    SFRA History

    Sweep Frequency Response Analysis (SFRA) 

    has been

     around

     for

     several

     years

    Once required highly specialized personnel to 

    perform 

    and 

    interpret 

    the 

    resultsPowerful and sensitive tool to evaluate the 

    mechanical integrity

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

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    SFRA History

    1960: 

    Lech 

    Tyminski, 

    Poland

    1966: 

    L&T 

    Publish 

    Results

    1969: Smith, UK (ERA testing)

    1976: 

    First 

    Doble 

    Paper: 

     A.G. Richenbacker “Frequency  Domain  Analysis 

    of  

    Responses 

     from 

    L.V.I. 

    Testing 

    of  

    Power  

    Transformers” 

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    4/83

    SFRA History

    1978: Dick & Erven, Canada, IEEE first 

    SFRA 

    approach: 

    “Transformer  

    Diagnostic  Testing by  FRA”  

    1980’s: 

    CEGB, 

    UK 

     – SFRA 

    Field 

    Trials1990’s:Application

     

    Development

    1990’s: 

    LVI 

    Commercialized2000: SFRA Commercialized (Doble)

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    5/83

    SFRA

    Does not evaluate the condition of  the 

    insulationPower Factor and low voltage TTR can be 

    acceptable 

    but 

    can 

    still 

    have 

    problemsMechanical aspects of  the unit

    Identify

     

    problems 

    after 

    faultGreat tool to help identify shipping 

    damage

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    When to Perform SFRA

    At the factory Benchmark

    When shipping

     carriers

     change

    Arrival on site

    This is not “over‐kill”

    During routine testing if  no benchmark

    After a fault (benchmark is very helpful)

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

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    Transformer Fire

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    Damaged Bushing and Bus

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    10/83

    Tests after the Fire

    SFRA tests did not reveal a problem 

    (compared to

     benchmark

     signatures)

    Damage was caused by a fire in the bus 

    duct

    Transformer returned to service

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    11/83

    SFRA Data

    Interpretation can be challenging if  not 

    impossible for

     the

     novice

     or

     very

     

    experienced if  benchmark data is not 

    available

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    12/83

    SFRA Data

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    13/83

    SFRA Data

    Performing the test not difficult as the 

    setup is

     very

     simple

    Software and templates are often 

    supplied by

     the

     manufacturers

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

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    SFRA Setup

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    15/83

    Various Templates

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    16/83

    Various Templates

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    Another Tool in the Toolbox

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

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    Component Characteristics

    Three basic components

    Resistors   Capacitors

      Inductors

    Each component has  a different response being closely elated to their 

    geometry; both

     internal

     and

     external

     to

     

    other components

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    19/83

    Resistor

    The resistance of a resistor is not frequency

    dependent as the resistance will remain the samewith a change in frequency. There will be a straight

    line from a low frequency to a higher frequency

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

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    Inductor

     At a low frequency the inductor will act as a shortand the inductance will increase as the frequency

    increases.

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

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    Response of  an Inductor

    0 dB down at low

    frequency means it looks

    like a dead short

    Larger inductances start to

    roll off at lower frequencies

    Inductive roll off 

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    22/83

    Capacitor

     A capacitor will be the opposite of an inductor as the

    capacitor will increase with an increase in frequency

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    23/83

    Response of  a Capacitor

    Low frequency

    response is like

    an open circuit

    Capacitive climb

    back

    Knee point depends

    on the size of the

    capacitor  0 dB down athigh frequency

    like a dead short

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    24/83

    “Real Transformer”

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    25/83

    Parallel RLC Circuit

    Constant dBs v. frequency

    Dead short at

    low frequency

    Open circuit at

    high frequency

    Open circuit at

    low frequency

    Dead short at

    high frequency

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    26/83

    Response of  a Parallel RLC Circuit

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    27/83

    Test Setup

    Once the nameplate and templates have been 

    selected the

     tester

     must

     make

     the

     connections to the apparatus.

    Tester should make sure that the transformer 

    is isolated from all energy sources and should 

    be aware

     that

     static

     voltage

     may

     be

     present

     if 

     

    not properly grounded.

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    28/83

    Test Setup

    The first resonance frequency will be affected if  the transformer is tested with insulating fluid

     and

     without

     insulating).

     Removing

     oil

     

    lowers capacitances and resonances shift to higher frequencies. (lower resonant with oil)

    How the neutral position of  the Load Tap 

    Changer 

    (LTC) 

    was 

    reached 

    as 

    there 

    have 

    been 

    cases in which reaching neutral position from the raise or from the lower taps affected the 

    signatures.

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    29/83

    Test Setup

    A magnetized core can affect the signatures 

    If  LTC or DETC are not on neutral the 

    signatures 

    can 

    change

    Test

     

    on 

    16R 

    if  

    only 

    one 

    test 

    is 

    performed

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    30/83

    Test Setup

    Shorting of  the secondary windings for the short circuit test can be affected if  the 

    secondary windings

     are

     not

     “closed”

     It

     is

     

    recommended to  jumper X1  – X2, X2  – X3 and X3  – X1 thus closing the delta or wye 

    windings.

    Make

     

    sure 

    that 

    the 

    transformer 

    being 

    tested 

    is 

    grounded

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    31/83

    Test Setup

    Make sure that the test leads grounds are 

    properly terminated

     to

     a “good”

     ground

    Select

     

    proper 

    winding 

    configuration 

    template

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    32/83

    TYPICAL

    SFRA

    SIGNATURES

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    33/83

    WYE ‐ With and Without Oil

    With Oil

    Lower

    resonant

    frequencies

    Without OilHigher

    resonant

    frequencies

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    34/83

    Delta  – With and Without Oil

    With Oil

    Without Oil

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    35/83

    We 

    see 

    the 

    same 

    changes 

    when 

    performing power factor tests on 

    transformers with

     and

     without

     oil

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    36/83

    Power Factor With and Without Oil

    ma Cap mA 

    CapCH+CHL 49.53 13138 35.263 9353

    CH 19.69 5223 14.503 3847

    CHL 29.82 7909 20.76 5507

    CL+CHL 93.85 24894 65.835 17463

    CL 64.03 16984 45.144 11974

    CHL 29.9 7905 20.759 5506

    With 

    Oil Without 

    Oil

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    37/83

    Magnetized Core

    The same phase was tested on arrival at site. 

    The 

    low 

    frequency 

    responses 

    show 

    offset 

    due 

    to core magnetization while the high 

    frequency responses are unchanged.

    Often times a magnetized core can be detected by performing excitation current 

    tests. 

    Several manufacturers

     have

     winding

     

    resistance test sets that have the ability to de‐

    magnetize the core. 

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    38/83

    Magnetized Core

    It is recommended to demagnetize and repeat 

    the 

    test 

    to 

    confirm 

    that 

    the 

    core 

    was 

    magnetized and is the reason for the shift. 

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    39/83

    Magnetized Core

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    40/83

    INTERPRETATION 

    OF 

    SIGNATURES

    i f Si

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    41/83

    Interpretation of  Signatures

    Most users of  power factor equipment are 

    aware that

     the

     power

     factor

     test

     is

     a reference

     test and allows the user to compare results to 

    past tests and also to tests results of  identical 

    equipment. 

    If  “benchmark”

     power

     factors

     or

     

    watts loss limits have not been established it 

    can often

     be

     difficult

     to

     determine

     the

     

    condition of  the apparatus being tested

    I i f Si

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    42/83

    Interpretation of  Signatures

    This is true for SFRA test results as the 

    signatures before

     and

     after

     an

     event

     can

     often help to identify a problem.  The 

    frequency 

    range 

    in 

    which 

    the 

    changes 

    take 

    place will assist the tester in determining 

    what component or components have 

    changed since the benchmark tests were 

    performed. 

    Small change in frequency and dB

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    43/83

    Small change in frequency and dB

    Open circuit results show ONE phase 

    with a shift left where it should not

    H B kli

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    44/83

    Hoop Buckling

    This phase appears to have 

    symptoms of  hoop buckling

    Suspect unit shows same 

    increased impedance (more 

    dB’s down) for one phase ‐ the 

    same 

    one 

    with 

    the 

    shift 

    left 

    on 

    open circuit results 

    H B kli

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    45/83

    Hoop Buckling

    H B kli

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    46/83

    Hoop Buckling

    “Transformer was bent ‐ but not broken”

    This transformer was returned to service for 

    several months

     until

     a replacement

     could

     be

     located.  Once the unit was removed from 

    service the inspection of  the windings 

    revealed winding

     defamation

     that

     is

     

    classified as “hoop buckling”

    Frequency Regions

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    47/83

    Frequency Regions

    The following four zones are utilized by one 

    equipment 

    manufacturer 

    for 

    the 

    analysis 

    of  

    SFRA results. 

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    48/83

    Frequency Regions

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    49/83

    Frequency Regions

    The following four zones are utilized by one equipment manufacturer for the analysis of  SFRA

     results.

     

    Region 1:

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    50/83

    Frequency Regions

    Region 3: 150 ‐ 400kHz: Deformation 

    within 

    main 

    and 

    tap 

    windings

    Region 4: 400kHz ‐ 2MHz  Movement of  

    main and tap winding leads

    Typical Signatures

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    51/83

    Typical Signatures

    Short circuit 

    Open circuit 

    Is this a Delta or a 

    Wye 

    signature?

    Wye Wye HV Winding LV OC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    52/83

    Wye‐Wye_HV Winding‐LV_OC

    H2‐H0 

    middle winding

    Wye‐Wye LV Winding‐HV OC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    53/83

    Wye‐Wye_LV Winding‐HV_OC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    54/83

    Delta‐Wye HV Winding‐LV OC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    55/83

    Delta Wye_HV Winding LV_OC

    Delta‐Wye LV Winding‐HV OC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    56/83

    Delta Wye_LV Winding HV_OC

    Delta‐Wye HV Winding‐LV SC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    57/83

    Delta Wye_HV Winding LV_SC

    Starts at “0”

    Auto Transformer HV‐OC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    58/83

    Auto Transformer_HV OC

    Auto Transformer LV‐OC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    59/83

    Auto Transformer_LV OC

    Auto Transformer Tertiary‐OC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    60/83

    Auto Transformer_Tertiary OC

    Variation with LTC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    61/83

    Variation with LTC

    8 Lower 

    16 Lower 

    Variation with DETC

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    62/83

    Tap E

    Tap A

    Variation with Reversing Switch

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    63/83

    g

    One winding

      – neutral

     from

     

    raise & lower

    Effect of  Poor Grounding

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    64/83

    g

    Bad red

     lead

     

    ground

    Original

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    65/83

    ANALYSIS 

    OF 

    DATA

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    66/83

    TRANSFORMER

    1

    Normal Response

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    67/83

    p

    Why is the Signature Different?

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    68/83

    Shorted Turns

    Shorted Turns

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    69/83

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    70/83

    TRANSFORMER

    2

    Power Factor Results

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    71/83

    Test Eng kV mA 

    Watts PF

    1   High   10   113.75 4.716 0.41

    2   High   10   15.782 0.802 0.513   High   10   97.979 3.99 0.41

    4   Cal.1 97.968 3.914 0.40

    5   Low   2   133.91 4.972 0.37

    6   Low   2   35.931 1.046 0.29

    7   Low   2   97.975 3.940 0.40

    8   Cal.2 2   97.979 3.926 0.40

    Excitation Data

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    72/83

    Normally expect  the 2 highs to be within 5%

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    73/83

    Low voltage TTR and winding resistance were 

    considered acceptable

     by

     the

     tester.

    Since the excitation is often affected by a 

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    74/83

    magnetized 

    core 

    you 

    may 

    question 

    placing 

    this transformer into service.

    Would you place this transformer into 

    service?

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    75/83

    SFRA testing was recommended for this unit due to 

    the very wide variance in excitation current results

    SFRA ‐ HV  Open Circuit  Tests 

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    76/83

    H3 – H2  Appears to be  Abnormal 

    HV  Tests with LV  Winding Short  Circuited 

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    77/83

    Signatures appear normal

    SFRA ‐LV  Open Circuit  Tests

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    78/83

     X3 – X0

      Appears

     to

     be

      Abnormal 

     and 

     is

     the

     Same

     Phase

     as

     H3

     – H2

    Shorted Turns

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    79/83

    What Not to Send to Your Customer

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    80/83

    References

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

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    Sweep 

    Frequency 

    Response 

    Analysis 

    Transformer 

    Application 

    Authors: 

    Charles Sweetser, B.Sc., M.Sc.

    Dr. Tony

     McGrail,

     B.Sc.

     M.Sc.,

     PhD.

    References

  • 8/15/2019 Omicron SFRA

    82/83

    Special thanks

     to

     various

     Doble

     client

     service

     engineers who over the years have provided a wide variety of  data and technical expertise for 

    this presentation.

    Doble 

    Internal 

    Power 

    Point 

    Training 

    G. Matthew

     Kennedy,

     Matt

     Garber,

     Mario

     

    Locarno, Long Pong, Dr. Tony McGrail, Linda Nowak, and Charles Sweetser

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