變壓器入口電容測量方法探析

黃炫磊 馬 斌 張冠軍 王 強 張嘉楠

（1.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071050；2.河北省輸變電裝備電磁與結構性能重點實驗室，河北 保定 071050）

0 引言

在變電站防雷保護設計時，通常需要主要電氣設備的入口電容參數，目前多數電力設備的入口電容參數很多情況下是通過能量等效法計算或估算得來的。但是對電力變壓器來講，由于不同類型變壓器線圈結構不同，雷電波入侵絕緣耐受狀態也不同，因此，入侵雷電波波前作用時間會影響等效電容計算值。能量等效計算法的前提是線圈在雷電波作用下越接近理想電容分布越準確，一旦出現雷電波較陡，作用時間不同會導致線圈內產生感性電流，感性電流引起的波形振蕩較大，就無法通過該方法進行計算，通過測量的方式得出變壓器產品實際的入口電容值成為一種有效可行的手段。

設計變壓器端部絕緣耐壓能力時也需要考慮影響起始電壓分布的首端開口電容值。精準的變壓器入口電容測量不僅能對變電站防雷保護設計提供可靠的入口電容參數，而且對變壓器絕緣結構優化設計也有重要的意義。

1 測量方法

電力變壓器運行時回路上雷擊過電壓頻率一般在200kH~600kH，在這樣的高頻下，變壓器入口電容的等效電容與變壓器絕緣結構電容值有本質的區別。因此變壓器入口電容測量的試驗源必須是高頻信號，測量結果才能更接近實際的入口電容值。目前常用的測量方法有兩種：方波脈沖信號法和沖擊脈沖信號法。

1.1 方波脈沖信號法

方波脈沖信號法是利用方波脈沖信號發生器輸出信號進行入口電容值測量，從被試繞組套管首端注入高頻方波信號，等效回路圖如圖1所示。

圖1中C為變壓器入口電容，C為高壓高管電容，C為檢測阻抗單元電容，當從變壓器套管端頭對地注入方波脈沖信號時，在C兩端產生脈沖電壓ΔU，其視在放電量為q，在ΔU作用下C兩端的脈沖電壓為e。當從高壓套管端頭對套管測屏注入方波脈沖信號時，在兩端產生脈沖電壓ΔU，其視在放電量為q，在ΔU作用下C兩端的脈沖電壓為e，當e=e時，圖1可以推導出變壓器入口電容，如圖1所示。

圖1 變壓器入口電容方波響應法等效回路

式中：C為變壓器入口電容，C為高壓高管電容，q為方波信號從變壓器套管端頭對地注入方波信號時視在放電量，q為方波信號從變壓器套管端頭對測屏注入方波信號時視在放電量。

測量系統由脈沖峰值表、檢測阻抗單元、測量電纜和方波脈沖信號發生器組成。

現在局部放電測試儀都自帶脈沖峰值表，因此可以利用實驗室的局部放電測試儀代替脈沖峰值表。檢測阻抗單元通常是一個有源或者無源的二端口網絡，其主要作用是把輸入電流轉換成電壓信號輸出，然后通過信號傳輸系統傳給測量儀器，同時還可以對試驗電壓及諧波的低頻信用予以抑制。方波脈沖信號發生器由階躍電壓脈沖發生器和電容串聯組成。

測量方法為先在變壓器被試繞組線端與地之間注入已知電荷，讀取脈沖峰值表讀數，得到分度系數=/。保持分度系數不變，在套管與測屏之間注入等量電荷q=，讀取脈沖峰值表讀數，測得視在放電電荷q=。因為套管電容C已知，因此代入式（1），即可求得方波脈沖信號法測量入口電容值。

這種方法的優點是不用額外購置專用儀器設備也可以完成變壓器入口電容的測量。但是注入方波信號頻率一般在1000Hz以內，因信號頻率遠低于雷電波頻率，與雷電沖擊波作用下變壓器等效電容偏差較大一般在20%~30%。而且變壓器有些繞組引出套管是沒有測屏的，就無法使用該方法進行測量。

1.2 沖擊脈沖信號法

沖擊脈沖信號法是利用沖擊脈沖信號發生器輸出信號進行測量的，從被試變壓器繞組套管首端注入沖擊脈沖信號，等效回路如圖2所示。

圖2 變壓器入口電容信號發生器法測量回路

根據圖2推導出，變壓器入口電容如公式（2）所示。

式中：C為變壓器入口電容，C為可調電容器電容，U為沖擊脈沖信號從變壓器套管端頭對地注入時可調電容器兩端電壓，U為沖擊脈沖信號從變壓器套管端頭對地注入時C兩端產生的脈沖電壓。

測量系統由脈沖信號發生器、可調電容和示波器組成。

測量方法，由公式（2）可知當沖擊脈沖信號發生器輸入信號電壓，通過調節可調電容C，用示波器2個通道測量電壓值，當U=U=50%時，C=C，可調電容器電容值為變壓器入口電容值。

使用沖擊脈沖信號法測量的優點是可通過調節沖擊脈沖信號發生器本身電容、電阻實現輸出標準雷電沖擊波形。輸出電壓很低，一般選擇100V的輸出電壓進行測量，對變壓器被試繞組無任何破壞。沖擊脈沖信號法測量可調電容和套管端頭電壓，即便是套管沒有測屏引出，仍然可以完成測量。測量使用的可調電容器精度很高，準確度：10×1uF組+0.2%，10×01uF組 +0.2%，10×0.01μF組 +0.2%，10×0.001μF組 +0.5%，10×0.0001uF組 +2%，10×0.00001uF組+5%。

1.3 檢測時的干擾和抗干擾措施

方波脈沖信號法和沖擊脈沖信號法的測量電壓都很低，一般在100V以內，屬于一種微量檢測，檢測環境中的各種干擾信號對檢測影響很大，因此無論在屏蔽良好的實驗室內還是工程現場，都會受到干擾影響。測量干擾的來源主要有無線電波、電力系統的載波信號、電焊作業、附近的高壓電場、電動工具的使用、已經供電網中整流設備的可控硅元件的開閉等。為了精準地測量，常用降低干擾的措施是屏蔽、濾波和接地，即將試驗區域內所有不參與試驗的金屬部件牢靠接地，試驗供電電源通過濾波器供電。沖擊脈沖信號法測量時需要將試驗回路所有接地線通過絕緣支撐保證一點接地。

1.4 兩種測量方法應用比較

為了驗證方波脈沖信號法和沖擊脈沖信號法在實際應用時的偏差，選擇在同樣的測量條件下測量一臺型號為DFP-250000/220的電力變壓器高壓繞組入口電容值，并將測量結果進行對比。

試驗前確定變壓器狀態滿足測量條件，使用方波信號發生器由該變壓器高壓繞組A相首端對地注入方波電量500pC，頻率設置1000Hz，該變壓器高壓套管電容值285pF，將分度系數設為1，則在同樣分度系數為1的情況下，在首端與測屏之間接入方波信號，測得視在放電量為1750pC，調整方波信號發生器發出信號頻率500Hz，測得實在放電量也為1750pC，說明這兩個頻率測量結果偏差極小。

將變壓器套管值和測量的視野在放電量代入公式（1）可得該方法下測量該臺變壓入口電容為C=285×1750/500=998pF。

試驗前確認變壓器狀態滿足測量要求。使用沖擊信號發生器輸出電壓信號通過可調電容串聯接高壓A端頭，其余端子接地，調節沖擊信號發生器電容、電阻參數，使輸出脈沖波形波頭時間=0.9μs，波尾時間=45.0μs。用示波器通道1測得輸出電壓100V，將電容箱電容值從0開始調節調整至通道2波形電壓值50V，讀取此時電容箱電容值1300pF，即沖擊脈沖測量法測得該變壓器入口電容值1300pF。

通過比對可以發現方波脈沖信號法測量結果比沖擊信號測量法值偏差30%左右。

2 一種變壓器入口電容測量方法

通過分析比較發現沖擊脈沖信號發生器的試驗接線回路與雷電沖擊試驗接線回路一致，而且電壓信號產生原理近似，因此選擇由沖擊脈沖信號法測量得到的變壓器入口電容值更接近變壓器遭受雷電波入侵時的等效入口電容，根據該方法原理設計一種變壓器入口電容試驗方法。變壓器入口電容試驗是一種特殊試驗，一般在技術協議中要求將測量值提供給用戶即可。

2.1 試驗接線

一般在變壓器裝配后滿足試驗條件，會按國標要求順序進行試驗，因試驗接線近似，入口電容測量試驗一般在變壓器雷電沖擊試驗前后進行，試驗接線如圖3所示。

圖3 變壓器入口電容測量試驗接線圖

在進行變壓器入口電容測量時，沖擊脈沖信號發生器與被試變壓器繞組端頭之間的連接線應盡量短，避免測量線路干擾對測量結果造成誤差。

2.2 試驗儀器

試驗系統主要使用設備參數如下。

示波器。示波器的作用主要用來采集測量波形，為了保證測量的精度，采樣率應不低于60MSa/s，垂直分辨率在9bits以上，因為采樣率太低將無法滿足波形參數的計算要去，垂直分辨率的高低直接影響著測量的精度。該研究選用的示波器參數為帶寬200 MHz，采樣率2.5GSa/S，記錄長度10m，模擬通道4，數字通道16，上升時間2ns，能夠滿足測量要求。

精密電容箱，選用旋鈕式十進電容箱，可工作在直流或交流電路中，由不同個數的十進開關組件組合而成，每個十進開關組件由幾個不同容量的電容并聯組成1~10個步進。最大容量 0.00001μF~11.11110μF，最小步級 0.00001μF，可變范圍 0.00000μF~11.11110μF。

脈沖信號發生器，一種模擬發生各種沖擊脈沖波形的儀器。通過選擇開關改變沖擊沖線路中不同的參數，可以得到不同的類似于高壓實驗室里高壓沖擊脈沖波發生器的波形。可用于電機、電抗器、電力變壓器，儀用變壓器等線圈內部沖擊脈沖電壓分布的模擬試驗和絕緣缺陷的定位。對線圈無任何損壞。還可用于高壓沖擊脈沖發生器中波前、波尾電阻等參數預置，測試系統的傳輸特性以及電纜和線圈等的瞬態波形的測量。充電電壓的幅值從0V~400V可調。重復頻率為25Hz。輸出電壓0V~1000V可調節，截斷時間0μs~10μs可調節，輸出波形包括雷電沖擊全波形、雷電沖擊截波波形、操作沖擊波形，可調節內容包括波頭電阻、波尾電阻、波頭并聯電感、主電容、負荷電容，輸出波形樣式包括單次、重復，波頭調節范圍為10Ω~15000Ω分20檔可調，波尾調節范圍為3Ω~8000Ω分20檔可調，波頭并聯電感調節范圍為10μH~100μH分10檔可調，主電容調節范圍5nF~1000nF分20檔可調，負荷調節范圍0.5nF~100nF分20檔可調。對絕大多數常見結果的變壓器繞組，均能調節出滿足參數要求的標準沖擊波形。

2.3 試驗方法

按照圖3進行試驗接線，在沖擊脈沖信號發生器與被試繞組線端之間串聯接入可調節標準電容，通過調節脈沖信號發生器的電容、電阻參數調節出標準雷電沖擊波形，這里需要注意的是，在脈沖信號發生器法測量變壓器入口電容值時，經驗反應波前時間一般調節到0.8μs~1.0μs測量的結果最準確。使用示波器通道1測量脈沖信號發生器輸出電壓波形及電壓，通道2測量被試繞組線端電壓波形及電壓，脈沖信號發生器輸出電壓。調節可調電容器，使繞組線端電壓=50%。取可調電容器此時電容值為變壓器被測繞組入口電容值。

3 一些典型結構變壓器測量結果

筆者對幾種典型結構、不同電壓等級的變壓器進行了入口電容測量，希望供讀者參考，測量結果如表1，這里需要注意的是不同廠家產品結構不同，可能與該公司產品測量數值存在偏差，但是偏差不會太大，在參考時還需以實際測量結果為準。

表1 幾種典型結構變器入口電容值

筆者對表1數據進行分析，發現變壓器低壓繞組入口電容值遠大于高壓繞組入口電容值，同樣高壓繞組入口電容值隨電壓等級提高而增大，這是跟線圈結構相關的。

4 結語

該文進行了變壓器入口電容測量試驗的研究，分析了兩種常用測量方法的原理，并在同一產品上進行測量結果比對。

設計了一種變壓器入口電容測量試驗方法，并按照該方法對幾種典型結構的變壓器進行了測量，提供了測量結果供讀者作為參考數值。并得出以下結論。方波脈沖信號法和沖擊脈沖信號法均能測量變壓器等效入口電容值，但是由于測量原理不同，測量結果方波脈沖信號法與沖擊脈沖信號法測量結果相差20%~30%，由于脈沖信號法測量回路與變壓器雷電沖擊試驗回路一樣，因此測量結果更接近變壓器在遭受雷電波入侵時的等效入口電容值。

方波脈沖信號法和沖擊脈沖信號法均屬于微量檢測，影響測量結果的環境因素很多，尤其是空間、電源和地回路的干擾對測量結果影響很大，因此測量時要采取抗干擾措施。

在使用沖擊脈沖信號法時，因為輸出信號波形可以通過調節儀器電容、電阻參數進行調節，為了保證輸出波形的陡度，盡量將波前時間調節到0.8μs~1.0μs，這樣測量結果最準確。

通過比較發現方波脈沖信號法測量回路接線簡單，測量時間較短，使用局部放電測量試驗儀器設備即可完成測量，在對測量結果精度要求不高和無法購置專業測量設備的情況下可以采用這種方法，對測量結果精度要求較高，建議購置脈沖信號發生器等專用測量儀器使用沖擊脈沖信號法進行測量。