Core influence on the frequency response analysis (FRA) of power transformers through the finite element method

Abstract

In this paper the influence of core parameters in Frequency Response Analysis is analyzed through the equivalent circuit impedance matrix of the transformer winding; the parameters of the circuit have been computed using the Finite Element Method. In order to appreciate the behavior of the iron core in comparison to the air core, the frequency dependence of resonances is calculated to show how the air core only influences the results at low frequencies. The core is modeled using a complex permeability, and the parameters of conductivity and permeability are varied to show their influence in the resonances, which turned out to be negligible. In order to explain this behavior, the eigenvalues of the inverse impedance matrix are calculated showing that they are similar for different values of conductivity and permeability. Finally, the magnetic flux inside and outside the core and its influence in the frequency response is studied.

En este artículo se analiza la influencia de los parámetros del núcleo en el Análisis de Respuesta en Frecuencia, a través de la matriz de impedancias del circuito equivalente de devanados de trasformadores, donde el cálculo de parámetros del circuito se realiza mediante el método de elementos finitos. Con el fin de analizar el comportamiento entre núcleos de aire y núcleos magnéticos, se calcula la dependencia en la frecuencia de las resonancias, mostrando que el núcleo de aire solo influencia las resonancias a bajas frecuencias. El núcleo del transformador se modela por medio de permeabilidades complejas, donde se varían la conductividad y permeabilidad, obteniendo como resultado una influencia despreciable de estos parámetros sobre las resonancias. Con el fin de explicar este fenómeno, los eigenvalores de la matriz inversa de impedancias son calculados, obteniendo una matriz similar para los diferentes valores de conductividad y permeabilidad. Finalmente, se estudia el flujo magnético dentro y fuera del núcleo, y su influencia en la respuesta en frecuencia.