一種基于橋式電路的電力變壓器絕緣電阻測量方法

陳文鴻 吳智影 沈劍韜 汪倩文 何益宏

摘? 要：電力變壓器絕緣電阻是反映變壓器絕緣性能的一項重要指標，是變壓器能否投入運行的重要依據。文章提出一種橋式電路測量模型用于測量變壓器絕緣電阻，利用控制程序自動調節電橋平衡，根據平衡公式準確計算出變壓器的絕緣電阻值。在MATLAB/Simulink中建立了測量電路仿真模型，仿真模型的運行結果驗證了測量方法的正確性和可行性。

關鍵詞：電力變壓器;絕緣電阻;橋式電路;程序控制

中圖分類號：TM41? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）26-0022-03

Abstract： The insulation resistance of power transformer is an important index to reflect the insulation performance of transformer and an important basis for whether the transformer can be put into operation. In this paper， a bridge circuit measurement model is proposed to measure the insulation resistance of transformer. The bridge balance is automatically adjusted using the control program， and the insulation resistance of transformer is calculated accurately according to the balance formula. The simulation model of the measurement circuit is established in MATLAB/Simulink， and the running results of the simulation model verify the correctness and feasibility of the measurement method.

Keywords： power transformer; insulation resistance; bridge circuit; program control

變壓器絕緣性能試驗能有效判斷變壓器是否存在整體受潮、部件表面受潮及貫穿性缺陷，是變壓器能否投入運行的重要依據[1-2]。目前常用的變壓器絕緣電阻測量方法主要是通過絕緣電阻表直接測量，并且需要拆除部分引線，測量結果受人為因素影響較大，測量過程需要投入較多的人力物力[3-4]。本文提出一種橋式電路測量模型，在變壓器絕緣結構基礎上搭建一個橋式電路并且利用控制程序自動調節電橋平衡，實現變壓器絕緣電阻的自動測量功能。

1 測量原理

根據相關資料可知，變壓器高壓側通常為星型接法，以高壓側的中性線引線和三相輸出端口的公共連接點引線為不拆引線測量絕緣電阻的兩個引出端口，而變壓器絕緣電阻為分布式結構并且多點接地[5-6]，因此可作出變壓器高壓側絕緣電阻等效模型如圖1所示。

由圖1可知a、b兩點分別為高壓側中性點和三相短接點，兩點之間則可認為是一段引線，引線分為若干段，分別為電阻R11、R12……R1n，而每段引線電阻又串聯有一個絕緣電阻，分別為R21、R22……R2n，每個絕緣電阻另一端均接地。由于繞組具有對稱性，每個支路的絕緣電阻值R21、R22……R2n可認為近似相等。而待測的變壓器絕緣電阻值則可以等效為電阻R21、R22……R2n的并聯值。以本次研究對象某110kV變電站變壓器為例，根據其相關參數，a、b兩端引線電阻值為0.1Ω～1Ω，每個支路絕緣電阻值為20～40GΩ，而總的絕緣電阻值為2～10GΩ。RW為高壓輸出引線外側的瓷瓶、避雷器等外界裝置的等效電阻，其電阻值約為10GΩ。為便于進一步分析，可對圖1作等效簡化如圖2所示。

其中r1、r2為引線電阻R11、R12……R1n的等效電阻，由于變壓器繞組的對稱性，可認為r1與r2近似相等。Rx為R21、R22……R2n并聯的等效電阻，即待測的變壓器絕緣電阻。則變壓器絕緣電阻測量問題簡化為測量圖2中電阻Rx，根據圖2的等效簡化模型，可在a、b兩端建立橋式電路測量模型，文獻[7]提出一種高阻電橋模型用于進行高阻測量，本文提出的橋式電路模型將高阻電橋模型中的兩個可調電壓源替換為可調電阻，其測量模型如圖3所示。

由圖3可知，橋式測量電路在圖2的絕緣電阻等效模型基礎上增加兩個可調電阻和電壓源E，兩個可調電阻的調節范圍為0～200Ω。調節橋式測量電路電阻R1、R2，流經電阻R1、R2的電流分別設為i1、i2，電橋達到平衡時，Uab=0。此時有：

2 測量電路仿真

為實現變壓器絕緣電阻的自動測量功能，在圖3測量模型的基礎上建立反饋控制系統[8]，以電壓Uab為控制對象，電阻R1的阻值設為固定值，編寫控制程序自動調節電阻R2的阻值使電壓Uab趨近于0，從而使電橋達到平衡狀態，最后根據式（3）計算出絕緣電阻值Rx。控制程序流程圖如圖4所示。

由圖4的流程框圖可知，首先對電壓源R2的值進行初始化，用變量r表示，設定初始值為100，檢測此時的節點電壓Uab，若Uab=0，則直接輸出初始值，若Uab>0，則初始值減小1，若Uab<0，則初始值增加1，直到Uab=0，輸出此時的電壓值。結合圖3的測量電路模型及圖4的控制程序流程圖，在MATLAB/Simulink中建立測量系統仿真模型，設E=5000V，Rw=1×109Ω，Rx=5×109Ω，r1=r2=0.1Ω，R1=100Ω。并且根據式（4）在仿真模型中加入計算模塊，運行仿真模型，可調電阻R2和電壓Uab的變化曲線如圖5和圖6所示。

根據圖5和圖6可知，可調電阻R2和電壓Uab的變化曲線均為上下波動的矩形波，對圖5和圖6局部放大可知，R2的值在9～10Ω之間上下波動，Uab在-1×10-8～0V之間波動。

3 測量結果分析

根據上述參數設置，可設定不同的待測電阻Rx值進行仿真實驗，記錄計算值與設定值，并計算測量誤差，記錄Rx設定值與計算值，各次測量的測量誤差以及平衡時R1支路電流i1，測量結果如表1所示。

根據表1的測量數據可知，Rx測量值均為偏大，測量誤差也有上下波動的規律，但誤差基本保持在1.4%以內。同時，由于參考電阻R1的值均可以人為調節，可調電阻R2的調節范圍也可適當增大。對于同一個Rx設定值，為進一步提高測量精度可以設定不同的R1值，然后計算出對應的各個測量值，取其均值作為Rx的最終測量值。

4 結論

本文提出一種橋式測量模型用于測量變壓器絕緣電阻，設計了基于閉環控制的自動調節系統，利用控制程序調節電橋平衡，最后計算出待測的絕緣電阻值。在仿真軟件中建立了測量模型，基本能夠實現測量功能，表明了該測量方案有實際應用的可行性。

與常規測量方法相比可以減小人為因素的影響，可提高測量過程的便利性。

參考文獻：

[1]劉廷敏.電力變壓器的絕緣電阻測量與分析研究[J].電子測試，2017（14）：7-9.

[2]冷勇.變壓器絕緣電阻和吸收比分析[J].高電壓技術，2002（04）：21-23.

[3]李高明，陳威.電力電纜絕緣電阻和吸收比試驗[J].大眾用電，2011，27（09）：48-50.

[4]李健.絕緣電阻測試儀的設計[D].大連：大連理工大學，2006.

[5]杜林，冉鸝蔓，蔚超，等.基于擴展德拜模型的油紙絕緣受潮頻域特征量研究[J].電工技術學報，2018，33（13）：3051-3058.

[6]蔡金錠，嚴欣，蔡嘉.去極化電流微分法在求解變壓器極化等效電路參數中的應用[J].高電壓技術，2016，42（10）：3172-3177.

[7]Rietveld G， Beek J H N V D. Automated High-Ohmic Resistance Bridge With Voltage and Current Null Detection[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2013， 62（6）：1760-1765.

[8]耿國磊，別紅霞.基于LabVIEW的高阻自動測量系統[J].電子測量與儀器學報，2009，23（03）：70-75.