基于電測法的大型繞組類設備L/R同步測試研究*

張耀月，張宏偉，宋 燕

(1.廈門大學馬來西亞分校，福建 廈門 361005； 2.國網甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌 737100)

0 引 言

直流電阻和電感參數對變壓器、發電機、調相機、電抗器等大電感設備的狀態評價、全壽命周期管理等工作具有重要意義。通過直流電阻的測量，可以有效地反映繞組匝間短路、繞組斷股、分接開關以及導線接頭接觸不良等故障，也是判斷三相繞組直流電阻是否平衡、調壓開關檔位是否正確的有效手段[1-2]。通過測量電感，可以間接判斷繞組在遭受短路電流沖擊后的變形情況，以做為其能否繼續運行的主要判斷依據。

目前，常用的繞組參數的測量方法多屬于靜態測量法，并且直流電阻和電感值不能做到同時測量。快速、準確并實現電阻值和電感值的同步測量，是科研人員長期研究和追求的目標。文獻[3]利用有限元軟件ANSYS對電力變壓器鐵芯和繞組進行建模，仿真計算漏電感參數[3]。文獻[4]用simulink對各種測量方法進行仿真分析，并利用單片機進行系統設計實現直流電阻快速測量[4]。文獻[5]在分析、比較目前現存的各種測量方法的基礎上，從基本的電路出發，推導出了一種在變壓器繞組的過渡過程中測量直流電阻的新方法[5]。文獻[6]針對現有測量方法測量低壓側繞組直流電阻時的不足，綜合助磁法和全壓—恒流電源法，提出了基于這兩種方法的大型變壓器低壓側繞組直流電阻測量的新方法[6]。文獻[7]提出了一種基于同一化原理和串聯附加電感的繞組參數測量方法[7]。文獻[8]使用有限元軟件在計算機或單片機上，對變壓器電磁特性分析及漏電感參數計算，在測量回路中串聯一個已知電感和電阻，進行兩次采樣計算出大電感和電阻值。該方法在單片機的仿真軟件Proteus中得到驗證[8]。

為了實現變壓器等設備繞組的L/R參數快速檢測，本文提出了基于電測法的L/R同步測量技術，可直接準確測得繞組的電感L和電阻R值，用測值和初值差對繞組絕緣狀態進行狀態評價。

1 傳統的測量方法

1.1 直流電阻的測量

直流電阻測試是變壓器等設備在交接、大修和改變分接開關后必不可少的試驗項目，也是故障后的重要檢查項目[9-10]。

直流電阻測量原理如圖1所示，當直流電壓EN加于被測繞組兩端，直流電源剛接通的瞬間，由于電感中的電流不能突變，所以電感L中的電流為零，即iL=0時。因此，電阻R上的壓降UR=0，此時外施電壓全部加在電感L兩端，即UL=EN。

圖1 直流電阻測量原理圖

測量回路(忽略回路引線電阻)的過渡過程應滿足：

(1)

電路達到穩定時間的長短，取決于時間常數τ的大小，即τ越大，達到穩定的時間越長，反之，則時間越短。由于大型變壓器的τ值比小變壓器的大得多，所以大型變壓器達到穩定的時間相當長。回路中電流i為：

(2)

直流電阻的測量方法很多，基本的方法主要有直流壓降法和平衡電橋法[11]。改進的方法有變阻快充法[12]、增壓快充法、恒流源快充法[13-14]、磁通泵法[15]、短路去磁法[16]等。

(1) 直流壓降法

直流壓降法又稱電流電壓表法。壓降法的測量原理是在被測繞組中通以直流電流，通過測量流過繞組的電流及繞組上的電壓降，根據歐姆定律，即可算出繞組的直流電阻。

(2) 平衡電橋法

應用電橋平衡的原理來測量繞組直流電阻的方法稱為電橋法。用電橋法測量時，常采用單臂電橋法和雙臂電橋等專門的儀器。被測電阻10 Ω以上時采用單臂電橋，被測電阻1 Ω及以下時采用雙臂電橋。

用電橋測量繞組電感時，由于電感值較大，同樣需等充電電流穩定后，開始正式測量。隨著變壓器容量的增大，測試繞組直流電阻的電流達到穩定的時間達數小時甚至更長，不僅時間長，而且還不能保證測量準確。

(3) 微機輔助測量法

計算機輔助測量(數字式直流電阻測量儀)用于直流電阻測量，尤其是測量帶有電感的線圈電阻，整個測試過程由軟件控制，自動完成自檢、過渡過程判斷、數據采集及分析，它與傳統測試方法比較，具有完善的反電勢保護功能和現場抗干擾能力等優點，測試數據穩定、快速、準確。

1.2 電感的測量

變壓器繞組的許多絕緣故障主要是由于機械損傷造成的。在遭受故障短路電流沖擊后，繞組失去穩定性，發生局部扭曲、鼓包或移位等永久變形現象，嚴重時將直接造成突發性損壞。即使沒有立即損壞，很多情況也會給設備留下嚴重隱患[17]。

繞組電感的測量方法一般是在電感性繞組兩端并接交流電源，通過測量電路電流、繞組兩端電壓的有效值以及繞組消耗的功率，計算出繞組阻抗模值Z和電阻R，進而計算出電抗值X和電感值L。

目前，國內外提出并應用于現場的繞組變形診斷方法對于繞組變形程度的描述尚未量化。由于變壓器阻抗中的電感分量與繞組幾何尺寸及相對位置有關，通過在線檢測變壓器短路電抗變化來分析繞組健康狀況的技術正逐漸得到重視。近年來，國內外大量研究成果表明，利用網絡分析技術，通過測量變壓器各個繞組的傳遞函數H(jω)，并對測試結果進行縱向或橫向(三相之間)比較，可靈敏、有效地診斷出繞組的扭曲、鼓包、移位等變形現象。因為當頻率超過l kHz時，鐵芯的作用可以忽略不計，每個繞組均可等效為一個由線性電阻、電感(互感)、電容元件組成的線性無源二端口網絡，其特性在時域上可用單位沖激響應h(t)，或在頻域上用傳遞函數H(jω)描述[18]，而H(jω)是h(t)的傅里葉變換。若忽略繞組的電阻，其繞組的等值網絡可以通過傳遞函數H(jω)對其特性進行描述的。如果繞組發生變形，繞組內部的分布電感、電容等參數必然改變，導致其等效網絡的傳遞函數H(jω)的零點和極點分布發生變化，從而使網絡的頻率響應特性發生變化。

(1) 低壓脈沖法

低壓脈沖法(Low Voltage Impulse)簡稱LVI法，波蘭的Lech和Tyminski于1966年提出了用低壓脈沖(LVI)法確定變壓器是否通過短路試驗，現已被IEC及許多國家列入電力變壓器短路試驗導則和測試標準[19]。

LVI法是將一比較穩定的低壓脈沖電壓信號(通常不超過300 V)施加于被測繞組的一端，同時記錄測量繞組兩端的對地電壓U和q(f)，并進行相應的處理。得到該繞組的脈沖響應特性q(f)或傳遞函數H(jω)=UO(jω)/Ui(jω)。由于LVI法采用的是時域脈沖分析技術，在現場使用時較易受外界干擾和靈敏度校正過程的影響，需要使用一個特殊結構和精細調整的測試系統，以消除脈沖傳遞過程中的折反射問題和脈沖信號源的不穩定性問題，故現場使用往往較難保證測試結果的重復性。

(2) 頻率響應分析法

為了克服LVI法的缺陷，加拿大的E.P.Dick和C.C.Erven于1978年提出了頻率響應分析法(FRA法)[20]，并獲得了較廣泛的應用。

FRA法是將一穩定的正弦掃描電壓信號施加到被測繞組的一端，同時記錄該端和其它端點上的電壓幅值及相角，從而得到該被試繞組的一組頻響特性，即傳遞函數H(jω)。通過對H(jω)中得到的激勵信號波形和響應信號波形進行分析，可以對繞組的狀態作出判斷。

變壓器繞組的頻率響應特性通常在10～1 MHz的頻率范圍內具有較多的諧振點。當頻率低于10 kHz時，繞組的電感起主要作用，諧振點通常較少，對分布電容的變化較不敏感；而當頻率超過lMHz時，繞組的電感又被分布電容所旁路，諧振點也會相應減少，對電感的變化較不敏感，而且隨著頻率的提高，測試回路(引線)的雜散電容也會對測試結果造成一定影響。因此，選用10～1 MHz的掃頻測量范圍和1000個左右的線性分布掃描頻點通常會獲得較好的測試效果。此時，繞組內部的分布電感和電容均發揮作用，其頻率響應特性具有較多的諧振點，能夠靈敏地反映出繞組電感、電容的變化情況。頻率響應法測量原理如圖2所示。

圖2 繞組頻響法測量原理圖

(3) 阻抗法

阻抗法是通過測量工頻電壓下繞組的短路阻抗或漏抗來反映繞組的變形、移位及匝間開路和短路等缺陷。漏抗實質上是散布在繞組與繞組之間，繞組內部及繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應磁勢的反映，因此對漏磁磁路的變化比較靈敏；短路阻抗則是漏抗和繞組電阻的平方和開方。由于一般大型變壓器繞組電阻比漏抗要小很多，因此阻抗可以反映漏抗的變化，而且，測量阻抗比測漏抗易于實現。阻抗法測量原理如圖3所示。

圖3 阻抗法測量原理圖

2 L/R同步測量

2.1 測量原理

傳統測量方法主要存在儀器通用性差、測量數據不準確等問題，針對上述問題，本文應用繞組的等效電路，依據LR串聯回路充放電的過程控制和檢測原理，采用同步檢測技術，實現了對大型繞組類設備的電感值和電阻值的快速、直接測量。

測試原理如圖4所示。

圖4 L/R同步測試原理圖

測量主電路由測量電路和時鐘電路兩部分組成，測量電路中接入標準電阻R0，與待測電阻Rx串聯組成測量回路。待測繞組Zx與主電路兩端相連接。

測試時，單片機給主電路發出控制信號K，并同步開始計時。當計時到t1=60 s時，產生第一個采樣控制信號K1并保持，得到電壓Ut1。當計時到t2=120 s時，產生第二個采樣控制信號K2并保持，得到電壓Ut2。由電壓Ut1和Ut2經模/數轉換器A/D，計算出被測繞組Zx的電感L和電阻Rx。

在電源U、標準電阻R0、待測繞組Zx(Rx和L)組成的測量電路中，電流Ix滿足以下方程式：

(3)

解方程(3)，得：

(4)

當a=t1/t2=1/2時

(5)

代入Ia、Ib和U的值，由公式(5)算出R值，再由Rx=R-R0算出Rx值。

根據(2)式，推出：

(6)

代入t1、U、Ia和已經求得的R值，由(6)式算出τ值，根據L=τR算出L值。

2.2 結果運用

按照相關規程規定，結合試驗結果，對LR同步檢測判斷缺陷的注意值進行初步確定。具體如表1所示。

表1 直流電阻和電感測量值的注意值范圍

3 實測分析

本次測試選取2臺不同變電站、型號、參數接近的變壓器測試，對L/R同步測試技術進行了驗證。其主要技術參數如表2所示。

3.1 L/R同步測試結果

采用L/R同步測試技術，分別對2臺被測變壓器進行測試，結果如表3和表4所示。

3.2 傳統方法測試結果

采用JYR-20(S)直流測試儀對2臺被測變壓器直流電阻進行測試。測試結果如表5和表6所示。

表2 測試變壓器參數

表3 1號變壓器測試結果

表4 2號變壓器測試結果

表5 1號變壓器直流電阻測試結果

中壓側低壓側檔位AmOmBmOmCmOm30.046 210.046 610.046 801.26檔位abbcca/0.009 6160.009 6860.009 6360.82結論合格

表6 2號變壓器直流電阻測試結果

3.4 靈敏度分析

(1) 直流電阻測值比對

用L/R同步測量技術與傳統方法測量結果對比如表7所示。

表7 直流電阻測試結果對比

對以上測量數據進行分析、比較，結果基本相同，測量誤差較小。

(2) 電感量測值比較

用L/R同步測量技術與傳統方法測量結果對比如表8所示。

對以上測量數據進行分析、比較，同型號、同廠家繞組電感值接近，測量誤差較小。

表8 電感測試結果對比

4 結 論

L/R同步測試技術，在不外接任何附加器件的情況下，通過恒流源對被測繞組充電，利用充放電過程控制，記錄兩個時刻的電流值，通過求解微分方程式，測出被測繞組的電阻R和電感L值，與高精度電阻測量儀和電感測量儀的結果相比，誤差小于1%，測量精度和范圍符合要求[21-22]。

L/R同步測試技術，用測值和初值差分析、判斷、評價繞組的絕緣狀態，對繞組的絕緣情況進行綜合診斷，及時判定出運行狀態和缺陷情況。為設備故障診斷提供新的方法和途徑，提高了檢測和故障診斷的效率，并應用到設備的狀態評價和全周期壽命管理中，為大型變壓器絕緣性能預防性試驗提供了新的手段和方法。