助磁法接線方式對變壓器直阻測試的影響

徐 鵬， 董正杰， 譚婷月，曹雅榕， 陳弘揚

( 1. 國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 210006;2. 國網江蘇省電力有限公司南京供電公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

通過測試變壓器繞組的直流電阻，計算繞組間直流電阻的不平衡率，可以比較直觀地反映繞組的焊接質量、有無匝間短路等情況[1-3]，是變壓器交接、預試等工作中必不可少的試驗項目[4-5]。

隨著變壓器電壓等級的不斷提高，容量不斷增大，其繞組電感不斷增大，測試直流電阻時充電時間也越長，這就給直流電阻的測試帶來了極大的困難[6-7]。為了縮短測試時間，現場對大型變壓器低壓繞組直阻進行測試時多采用助磁法。由于大型變壓器鐵心多采用磁化特性很硬的冷軋鋼硅鋼片，測試完某一相繞組直流電阻之后剩磁現象嚴重，對其他繞組的測試會產生一定影響[1，8]。

文章對比了利用助磁法對變壓器低壓繞組直流電阻進行測試時不同接線方式下鐵心中的剩磁方向，分析了不同接線方式下鐵心中磁通變化絕對值的大小，選擇了一種比較理想的接線方式。與其他接線方式相比，該接線方式可以縮短測試時間，并在某500 kV變電站主變低壓繞組直阻測試時進行驗證。

1 常規法測試原理

變壓器繞組是一個電感性元件，其電感較大而電阻相對較小[3，9]，當直流電源加在繞組后有一個過渡過程，可以將其等效為圖1所示的基本電路。當直流電壓U加在被測試繞組時，因電感中的電流不能突變，直流電源接通瞬間回路電壓方程為：

(1)

圖1 變壓器繞組直流電阻測試原理等效圖Fig.1 The equivalent diagram of winding DC resistance testing of transformer

繞組中的直流電流i為：

(2)

式中：τ為時間常數，τ=L/R。

大型變壓器的電感高達幾百甚至幾千亨，電阻只有幾毫歐至幾歐。因此，大型變壓器繞組直流回路的穩定時間可能長達數十分鐘甚至更長，充電時間與充電電流的關系見下表1。

表1 充電時間與充電電流的關系Tab.1 The relationship between charging time and charging current

對于該一階動態電路，在實際試驗中一般需要至少5τ的時間才能保證測試結果的有效性，因此縮短測量時間對測試工作有著重要意義[1，10-11]。由時間常數τ=L/R可知，縮短時間可以通過增大電阻或者減小電感來實現。在回路中串入輔助電阻，雖然可以減小時間常數τ，但是電阻的引入需要提高電源容量[12]，所以現場測試多采用減少電感的方法。

電感可由式(3)表示：

(3)

式中：μ0為真空導磁率；N為繞組匝數；s為鐵心截面；l為鐵心回路長度；k為導磁系數。對于被試變壓器，N，l，s都是不變的。

隨著磁場強度的增大，鐵心磁通密度趨于飽和，導磁系數k下降，電感也就隨之減小。由H=NI/L可知，當匝數N保持不變時，要增大磁場強度H，就要增大I，也就是提高測試電流才能有效地減小電感，但是長時間的大電流測試會造成儀器發熱嚴重，所以為了加速磁密飽和，常采用助磁法迫使鐵心迅速趨于飽和，減小回路電感。

2 助磁法測試原理

助磁法測試變壓器低壓繞組直流電阻(Y/△接法)的常規接線方式如圖2所示，將高、低壓繞組串聯，然后施加相應的充電電流和電壓激勵進行測試。測試時，同一鐵心柱上高、低壓繞組的電流方向必須一致才能起到助磁作用，即利用高壓繞組產生同相位、同極性的磁通對低壓繞組助磁，使鐵心快速飽和，否則高、低壓繞組產生的磁通相抵消，影響測量的速度和精度。

圖2 助磁法測試低壓繞組直流電阻的常規接線方式Fig.2 The convention wiring of low-voltage winding DCresistance testing based on magnetic circuit method

由于高壓繞組的匝數遠多于低壓繞組，借助于高壓繞組的勵磁安匝數，其磁勢增加明顯，用較小的電流就可使鐵心飽和，使低壓繞組電感快速減小，從而達到快速測試的目的[13-15]。

以測試ab為例，設高壓繞組B相中電流為I，則低壓繞組b相中的電流為2/3I，設高、低壓繞組的匝數分別為N1，N2，則相應磁勢分別為IN1和2/3IN2，由于高低壓繞組串聯，鐵心助磁效果加深。引出a、b端子接測試電壓Uab，由于高壓側的助磁作用，短時間就可以讀數。由公式Rab=Uab/I可計算Rab，同樣的方法依次得到Rbc，Rac。

3 接線方式的選擇

鐵心的磁化過程呈現磁滯現象，在測量大型變壓器直流電阻時，繞組中的充電電流切除后，鐵心中將存在剩磁，剩磁會對其他繞組的測試過程產生影響。例如，采用助磁法對變壓器低壓側繞組直流電阻進行測試時，10 min后讀數基本穩定，然后改變電源極性，則數倍于原測試時間后讀數還不能穩定，可見剩磁影響的嚴重性[16-17]。因此選擇合適的接線方式，在測試完一相繞組之后，可以利用鐵心中的剩磁對其他繞組的測試進行助磁，而不是先將鐵心中的剩磁去磁后再充磁，這樣一來可以在一定程度上縮短測試時間。

目前大部分文獻中助磁法測試變壓器低壓側繞組直流電阻時所用的接線方式如圖2所示，采用這種常規的接線方式時，鐵心中的剩磁方向如圖3所示。

圖3 常規接線方式下鐵心中的剩磁方向Fig.3 The remaining magnetic direction in the core of convention wiring mode

鐵心中磁通變化絕對值|ΔΦ|越大，所需測試時間也越長。按照圖2的接線方式測試Rac時，鐵心中A相為主磁路，B、C相為分支磁路，定義上為正方向，則三相磁通分別為-Φ，1/2Φ，1/2Φ；測試Rbc時，C相為主磁路，A、B相為分支磁路，三相的磁通分別為1/2Φ，1/2Φ，-Φ；測試Rab時，B相為主磁路，A、C相為分支磁路，三相磁通分別為-1/2Φ，Φ，-1/2Φ，磁通變化絕對值見表2。采用常規接線方式測試完所有低壓繞組直流電阻，總|ΔΦ|為5Φ。

表2 常規接線方式下磁通變化絕對值Tab.2 The absolute value of flux variation in convention wiring

當采用如圖4所示的接線方式時，定義其為接線方式1，鐵心中的剩磁方向如圖5所示。

圖4 接線方式1Fig.4 Wiring mode 1

圖5 接線方式1時鐵心的剩磁方向Fig.5 The remaining magnetic direction in the core of wiring mode 1

測試Rac時，鐵心中A相為主磁路，B、C相為分支磁路，三相磁通分別為-Φ，1/2Φ，1/2Φ；測試Rbc時，C相為主磁路，A、B相為分支磁路，三相磁通分別為1/2Φ，1/2Φ，-Φ；測試Rab時，B相為主磁路，A、C相為分支磁路，三相磁通分別為1/2Φ，-Φ，1/2Φ，磁通變化絕對值見下表3。按照接線方式1測試完所有低壓繞組直流電阻，總|ΔΦ|為6Φ。

表3 接線方式1時磁通變化絕對值Tab.3 The absolute value of flux variation in wiring 1

當采用如圖6所示的接線方式時，定義其為接線方式2，鐵心中的剩磁方向如圖7所示。

圖6 接線方式2Fig.6 Wiring mode 2

圖7 接線方式2時鐵心的剩磁方向Fig.7 The remaining magnetic direction in the core of wiring mode 2

測試Rac時，鐵心中A相為主磁路，B、C相為分支磁路，三相磁通分別為-Φ，1/2Φ，1/2Φ；測試Rbc時，C相為主磁路，A、B相為分支磁路，三相磁通分別為-1/2Φ，-1/2Φ，Φ；測試Rab時，B相為主磁路，A、C相為分支磁路，三相磁通分別為1/2Φ，-Φ，1/2Φ，磁通變化絕對值見表4。按照接線方式2測試完所有低壓繞組直流電阻，總|ΔΦ|為4Φ。

表4 接線方式2時磁通變化絕對值Tab.4 The absolute value of flux variation in wiring 2

當采用如圖8所示的接線方式時，定義其為接線方式3，鐵心中的剩磁方向如圖9所示。

圖8 接線方式3Fig.8 Wiring mode 3

圖9 接線方式3時鐵心的剩磁方向Fig.9 The remaining magnetic direction in the core of wiring mode 3

測試Rac時，鐵心中A相為主磁路，B、C相為分支磁路，三相磁通分別為-Φ，1/2Φ，1/2Φ；測試Rbc時，C相為主磁路，A、B相為分支磁路，三相磁通分別為-1/2Φ，-1/2Φ，Φ；測試Rab時，B相為主磁路，A、C相為分支磁路，三相磁通分別為-1/2Φ，Φ，-1/2Φ，磁通變化絕對值見表5。按照接線方式3測試完所有低壓繞組直流電阻，總|ΔΦ|為5Φ。

表5 接線方式3時磁通變化絕對值Tab.5 The absolute value of flux variation in wiring 3

由表2—5可發現，采用接線方式2測試完低壓側所有繞組直流電阻總磁通變化絕對值最小。

4 對比分析

現場通過對某500 kV變電站2號主變低壓繞組直流電阻進行測試，該主變額定容量為750/750/240 MV·A，聯接組標號為YNyn0d11，額定電壓為520/236(1±2×2.5%)/36 kV，測試儀器為HDBZ-333Ⅱ型三通道直流電阻測試儀。試驗時，測試完某一相繞組之后不去磁，變更試驗接線繼續測試另一相，直到低壓繞組全部測試完畢后進行去磁，去磁時采用ZLQC-Ⅱ型變壓器消磁儀，主變去磁完畢之后更換助磁法的另一種接線方式對低壓繞組進行測試，最終4種接線方式的測試結果見表6—9。

表6 常規接線方式的測試結果Tab.6 The testing result of convention wiring mode

表7 接線方式1的測試結果Tab.7 The testing result of wiring mode 1

表8 接線方式2的測試結果Tab.8 The testing result of wiring mode 2

表9 接線方式3的測試結果Tab.9 The testing result of wiring mode 3

由上表可見采用常規接線方式以及接線方式1、2、3測試完低壓側所有繞組所需的測試時間依次為105 min，116 min，95 min，107 min。采用接線方式2所需的測試時間最短，比常規接線方式節省時間約10 min，在測試bc相時效果尤為明顯。將測試結果與出廠值對比，三相直流電阻的誤差都在1%以內。

5 結語

助磁法是測試大型變壓器低壓繞組直流電阻常用的方法之一，測試時不同的接線方式將會在鐵心中產生不同程度的剩磁，進而影響繞組的測試時間。

本文分析了不同接線方式對鐵心中剩磁的影響，對比所有接線方式下鐵心中磁通變化絕對值的大小，選擇了一種比較理想的接線方式，即：依次測試Rac，Rbc，Rab，測試Rac時，所加的直流電流從高壓繞組A相流入，經B、C相流出；測試Rbc時，電流從A、B相流入，經C相流出；測試Rab時，電流從B相流入，經A、C相流出，測試時低壓繞組施加電壓激勵產生的電流方向需與高壓繞組所加的充電電流方向一致。

與其他接線方式相比，該接線方式測試低壓繞組時鐵心中總磁通變化絕對值最小，可以在一定程度上縮短測試時間，是一種有效并值得在大型變壓器試驗中推廣應用的方法。