基于掃頻電阻法的變壓器繞組材質(zhì)辨識方法及實驗驗證

陳俊曄, 沈子倫, 李新宇, 王亞偉, 尹忠東*, 鄭志曜

(1. 華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 102206; 2. 浙江華電器材檢測研究院有限公司, 杭州 310000)

變壓器作為電網(wǎng)的核心運行設備之一,其質(zhì)量直接影響電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。變壓器繞組的選材和設計對變壓器的運行安全及壽命有重要影響,銅導體因具有電阻率低、熱傳導系數(shù)和熔點高、抗拉強度高、焊接工藝成熟、耐腐蝕性強等優(yōu)點成為變壓器繞組的首選材料。鋁導體因具有資源豐富、價格低廉等特點成為變壓器繞組材質(zhì)的替代材料[1]。然而,鋁導體的強度低、耐腐蝕性差、焊接難度大等特點,使鋁繞組變壓器具有更大的安全風險和更高的運行維護成本,因而中國鋁導體的應用場合較少。目前,國家電網(wǎng)公司采購的變壓器均要求為銅繞組變壓器,但是部分生產(chǎn)廠商為了追求經(jīng)濟效益,以鋁變壓器假冒銅變壓器,通過改變導線截面積、繞組匝數(shù)、鐵芯尺寸等參數(shù),使鋁變壓器與銅變壓器的外特性一致。據(jù)統(tǒng)計,一臺雙繞組變壓器,每年要承受十幾次甚至幾十次各種類型的短路故障,若使用“以鋁代銅”的造假變壓器將會給電力系統(tǒng)帶來巨大的安全隱患[2]。

然而,目前中外還沒有一種成熟的技術或儀器設備能迅速準確地鑒別出變壓器繞組的材質(zhì),因此有必要對變壓器繞組材質(zhì)鑒別的課題進行研究。國外配電網(wǎng)按照鋁繞組變壓器運行性能進行設計,使用鋁繞組變壓器較多,并且誠信體制完善,會在變壓器產(chǎn)品銘牌中表明繞組材質(zhì),因而國外對于此方面研究甚少[3-4]。中國學者們利用繞組材質(zhì)本身特性和變壓器性能參數(shù)之間的關系,提出了一些辨別方法。文獻[5]測量某企業(yè)生產(chǎn)的不同導線材質(zhì)的油浸式變壓器的外觀數(shù)據(jù),分析了銅鋁繞組配電變壓器電氣性能、結(jié)構尺寸、價格比例的差異,探討了配電變壓器繞組材料鑒別的可能因素。文獻[6]提出了一種基于熱電效應的變壓器繞組材質(zhì)無損鑒別方法,但是該方法受加熱方式的限制,在測量油浸式變壓器時需要進行吊芯處理。文獻[7]提出了利用銅鋁電阻溫度系數(shù)的差異特性來辨別變壓器材質(zhì)的方法,該方法對實驗條件要求高,且實驗周期長,不適合大規(guī)模檢測。文獻[8-9]提出了通過X射線來辨別變壓器繞組材質(zhì)的方法,該方法測試裝置復雜,對測試環(huán)境要求高,不適合在工程現(xiàn)場開展測試工作。文獻[10]提出了一種基于改進自然降溫法的變壓器內(nèi)部繞組材質(zhì)無損檢測方法,該方法通過對變壓器進行升溫和自然降溫計算電阻溫度系數(shù),并基于此實現(xiàn)繞組材質(zhì)檢測。文獻[11]通過數(shù)據(jù)搜集建立了配電變壓器繞組參數(shù)標準數(shù)據(jù)庫,得到繞組參數(shù)分布的概率密度曲線,再根據(jù)繞組參數(shù)的影響因子,建立分析模型綜合判定變壓器繞組的材質(zhì),由于變壓器生產(chǎn)工藝較為復雜,不同時間或不同廠家生產(chǎn)的同種變壓器結(jié)構參數(shù)會有較大不同,因此使得該方法的辨識準確性較低,只可以作為一種輔助判斷方式。

除此之外,相關學者還研究了合金分析法、金屬探測法、鉆孔取料解剖法等辨別方法[12]。吳燕等[13]根據(jù)銅鋁導線的電阻變化率曲線的轉(zhuǎn)折頻率不同的特性提出了基于電阻頻響法的辨識方法。邊美華等[14]提出電渦流檢測辨識法。夏越婷等[15]對比銅鋁繞組線圈在不同頻次下的諧波電阻提出了基于諧波模型的變壓器繞組材質(zhì)辨識方法。這些檢測方法一定程度上為變壓器繞組材質(zhì)檢測提供了思路,但是深入研究發(fā)現(xiàn),已有的大多數(shù)方法在實際操作中存在準確性不高,檢測周期長,試驗環(huán)境不穩(wěn)定等問題。

鑒于以上研究方法的不足,現(xiàn)提出一種基于掃頻電阻法的變壓器繞組材質(zhì)辨識方法,并進行相關實驗驗證,該方法測試設備簡單,對檢測環(huán)境沒有特殊要求,且測試成本低,辨別準確度高,具有較高的工程應用價值。

1 變壓器繞組辨識的原理

1.1 諧波電阻辨識原理

當導體中有交變電流時,其產(chǎn)生的交變電磁場會使導體內(nèi)部電流分布不均勻,越靠近導體表面,電流密度越大,當頻率高于一定值時,導體中心幾乎沒有電流。如圖1所示,當導體內(nèi)電流密度從表面向內(nèi)減小到表面電流密度的1/e時的深度稱為趨膚深度,其中e為自然常數(shù)。趨膚深度用δ表示,計算公式為

(1)

圖1 圓導體內(nèi)趨膚深度示意圖Fig.1 Schematic diagram of skin depth in circular conductor

式(1)中:ω為角速度,ω=2πf;μ為導體的磁導率;ρ為導體的電阻率。

由于銅導體和鋁導體的相對磁導率都接近1,可認為其磁導率相近,因此相同頻率下銅鋁導體的趨膚深度主要受電阻率的影響。鋁導體的電阻率約為銅導體的1.5 倍,在流過相同的高頻電流時,兩種導體的趨膚深度會有明顯不同。

工頻下由于電流密度分布較為均勻,電阻的計算公式可以近似為

(2)

式(2)中:l為導體長度;S為導體截面積。

結(jié)合圖1和式(1)可以得到在高頻下導體的有效導流面積為

(3)

式(3)中:r0為導體截面半徑。

結(jié)合式(2)和式(3),不同類型導體的趨膚深度不同,使得在施加相同頻率的高頻激勵時導體有效導流面積不同,進而導體的諧波電阻會不同,因此考慮通過探究銅鋁導體在高頻下的諧波電阻特性來實現(xiàn)銅鋁變壓器的辨識。盡管由式(3)可以得到導體的有效導流面積,但是在高頻下導體電流密度分布并不均勻,因此不能簡單使用式(2)進行導體諧波電阻的計算。

1.2 變壓器繞組的諧波電阻計算

在圓柱坐標系下,理想的圓截面長直導體具有軸對稱性,則電流密度、磁場強度與φ軸和z軸無關。根據(jù)電磁場原理,有

(4)

式(4)中:j為復數(shù)單位;r0為導體截面半徑;r為導體內(nèi)一點距導體中心的距離;J為導體內(nèi)一點的電流密度;H為磁場強度;μ為磁導率;σ為電導率。

(5)

(6)

式(6)中:ber0(u)、bei0(u)為第一類開爾文函數(shù)。

根據(jù)式(6),長直圓導體電流密度表達式(5)可以改寫成

(7)

結(jié)合式(4),得出導體內(nèi)的總電流為

(8)

結(jié)合式(5),得到單位長度導體電動勢為

(9)

(10)

式(10)中:Rs為等效短路電阻;Xs為等效短路電抗。

進而得到高頻下長直導線單位長度電阻為

(11)

對于由長直圓導體繞制而成的變壓器繞組,其直流電阻為

(12)

式(12)中:N為繞組匝數(shù);lT為繞組一圈的平均周長;rL為繞組導體單位長度電阻;D為導體直徑;ρ為導體電阻率[17]。

結(jié)合長直導體的電阻計算式(11)及直流電阻計算式(12),推導得出具有Nl層線圈的繞組的交流諧波電阻計算公式為

(13)

式(13)考慮了橫向磁場進入繞組時的不均勻性,使得計算結(jié)果同實際數(shù)值更加接近。表1是兩臺SCB13-800/10/0.4干式變壓器的A相高壓繞組數(shù)據(jù),使用式(13)進行計算,得到兩繞組的諧波電阻曲線如圖2所示。

表1 兩臺800 kVA變壓器A相高壓繞組參數(shù)Table 1 Parameters of phase a high voltage winding of two 800 kVA transformers

圖2 銅鋁變壓器繞組諧波電阻計算結(jié)果Fig.2 Calculation results of harmonic resistance of copper aluminum transformer winding

在基頻下,兩臺變壓器繞組諧波電阻數(shù)據(jù)接近,隨著頻率的升高,鋁繞組的諧波電阻數(shù)值逐漸高于銅繞組且兩者差值持續(xù)增大,由此可見,不同材質(zhì)長直導體在高頻下諧波電阻差異的特性應用在變壓器繞組上依舊適用,因此可以利用這一特性進行變壓器繞組材質(zhì)的識別。

1.3 變壓器空載損耗對實驗的影響

當對變壓器繞組注入的激勵頻率較低時,變壓器可以等效為由電感及電阻組成的集中參數(shù)電路。如圖3所示,在變壓器二次側(cè)短路的情況下,變壓器勵磁電壓較低,鐵芯磁通密度較小,其等效阻抗Zm遠大于兩側(cè)繞組阻抗Z1和Z2,使得空載損耗遠小于短路損耗,因此可以忽略空載損耗等效支路。

Ui、Uo為變壓器低頻等效電路的端電壓;I1為變壓器低頻等效電路的端電流;Ri1為繞組電阻;Xi1為繞組電抗

隨著激勵頻率的升高,分布參數(shù)對變壓器繞組回路的影響增大,需要對變壓器的空載損耗從原理上做進一步分析。變壓器的空載損耗主要由鐵芯的磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗構成,三者隨頻率的變化略有不同,其中鐵芯附加損耗主要受鐵芯材質(zhì)和制造工藝等參數(shù)的影響,其大小遠小于其他損耗,對實驗結(jié)果的影響較小,因此可以忽略。磁滯損耗Phy和渦流損耗Pc計算公式為

(14)

(15)

式中:d為硅鋼片厚度;ρ為硅鋼片電阻率;K為勵磁電流波形系數(shù)。

鐵芯的飽和程度隨著頻率的升高會減小,因此可以忽略高頻下鐵芯飽和問題。變壓器一次側(cè)電壓和磁通的關系式為:Us=-j4.44fNBm,本文研究在進行掃頻電阻測試實驗時,采用恒定電壓源激勵,因此Us為恒定值,根據(jù)Us=-j4.44fNBm可知fBm為恒定值,即,f∝1/Bm可見隨著頻率的升高,Bm會減小。

根據(jù)上述分析,在鐵芯不飽和和電源電壓一定的情況下,隨著頻率的升高,二次側(cè)短路狀態(tài)下的測試回路中空載損耗將會逐漸變小。因而在進行高頻短路實驗時,依舊可以忽略空載損耗帶來的影響,認為短路損耗近似等于銅損。

1.4 測試頻率的選取

根據(jù)1.3節(jié),隨著頻率的升高,變壓器的空載損耗逐步降低,當加載信號的頻率大于10 kHz時,變壓器鐵芯的勵磁作用將會消失[19],此時變壓器繞組會等效為一系列由電阻、電容和電感等分布參數(shù)組成的線性電路,不利于實驗的測試。因此在實際測試時,測試頻率的選取應該小于10 kHz。本文研究在前期探究性實驗的基礎上,選取了在500～5 000 Hz的頻率范圍內(nèi)間隔500 Hz,且包含基頻50 Hz在內(nèi)的共11個測試點進行試驗。

2 實驗對象及掃頻電阻測量法的原理

2.1 實驗對象及接線方式

配網(wǎng)變壓器通常有干式變壓器、油浸式變壓器和非晶合金變壓器3種,本試驗測試對象為3類10 kV三相雙繞組配網(wǎng)變壓器。由于配電網(wǎng)的特殊結(jié)構使得配電網(wǎng)變壓器常用聯(lián)結(jié)組別為Dyn11。圖4所示是一臺SB22-400/10/0.4型油浸式變壓器外觀圖。

A、B、C為高壓側(cè)出線端子;a、b、c、n為低壓側(cè)出線端子

電力系統(tǒng)要求設備三相對稱,因此在變壓器繞組材質(zhì)辨識時,可以檢測三相中的任何一個單相繞組,但是由于配電網(wǎng)變壓器通常高壓側(cè)為角形接法,無法只從出線端對變壓器的單相繞組進行測試。同時考慮到三相測試增加測試成本和測試難度,不適宜開展大規(guī)模測試,因此采用了圖5所示接法的測試回路檢測。

XA、XB、XC分別為高壓側(cè)A、B、C相繞組的電抗;Xa、Xb、Xc分別為低壓側(cè)a、b、c相繞組的電抗; RA、RB、RC分別為高壓側(cè)A、B、C相繞組的電阻;Ra、Rb、Rc分別為低壓側(cè)a、b、c相繞組的電阻

該測試回路將低壓側(cè)三相同中性線進行短接,高壓側(cè)AB相串聯(lián)。此時,由于C相出線端子懸空,可認為A相繞組和C相繞組在串聯(lián)以后和B相繞組并聯(lián)構成了高壓側(cè)等效繞組。低壓側(cè)每相繞組自身的等效電阻和等效電抗構成了各自的回路,即

(16)

式(16)中:URa、URb、URc分別為變壓器低壓側(cè)a、b、c相繞組電阻兩端的電壓;UXa、UXb、UXc分別為變壓器低壓側(cè)a、b、c相繞組電抗兩端的電壓。

根據(jù)圖5可以看到,使用AB兩相串聯(lián)的測試回路,可以有效地將三相繞組的阻抗參數(shù)均反映到測試回路中,因此基于此測試回路的一種等效電路如圖6所示。

圖6 掃頻電阻法測試回路等效電路Fig.6 Equivalent circuit of sweep resistance test circuit

該等效電路的電氣關系為

Us=Is(Rs+jXs)

(17)

式(17)中:Us為等效電路的端電壓;Is為等效電路的端電流。

實際上,該測試回路不僅適用于Dyn11的聯(lián)結(jié)組別,當變壓器繞組為其他聯(lián)結(jié)組別時,該測試回路依舊可以反映出三相繞組的諧波參數(shù)。

2.2 掃頻電阻法的測量原理及誤差分析

對于2.1節(jié)提到的測試回路,為提高變壓器繞組辨識的準確度,需要對等效電路中的電阻部分進行較為精準的測試。電氣設備的直流電阻參數(shù)通常是基于歐姆定律來進行測量,即先行測量待測元器件兩側(cè)的電壓和測試回路中的電流,再通過計算得到電阻參數(shù)。使用歐姆定律測量交流電阻參數(shù)時,需要利用電壓和電流的相位關系來區(qū)分測得的阻抗值中的電阻和電抗參數(shù)[20]。將圖4中變壓器的繞組電阻值及感抗值隨頻率變化的曲線繪制在圖7中,可以看出,變壓器繞組線圈感抗值較大,電阻值較小,并且隨著頻率的升高這一差異會更大,若采用直接激勵的方式進行掃頻電阻測量會帶來較大誤差[21]。

圖7 變壓器繞組電阻值及感抗值隨頻率變化曲線Fig.7 Curve of transformer winding resistance and inductance versus frequency

目前,阻抗參數(shù)較為精準的掃頻測量方法主要有電橋法、諧振法、I-V法、射頻I-V法、網(wǎng)絡分析法和自動平衡電橋法等,選用基于自動平衡電橋法測量設備進行測試。自動平衡電橋法的基本原理圖如圖8所示。圖8中電路中激勵信號U1大小固定且相角為0,Rs為標準電阻,Cx為待測電容,G為待測電阻,AC支路為待測器件支路,U2為可調(diào)電壓源,和U1同頻率,在測試過程中會隨著待測支路參數(shù)自動變化以滿足電橋平衡。Ucd為C、D兩點之間的電壓,理想情況下,當電路達到平衡時,由于Ucd=0,可以推導出電橋的平衡方程為

(18)

圖8 自動平衡電橋法測量原理圖Fig.8 Principle diagram of automatic balancing bridge method

式(18)中:U1、Rs、ω均為已知的固定參數(shù),U2=U2x+jU2y,是設備為使誤差信號電壓為零所提供的電壓,其大小和相位可由控制電路給定,誤差較小,其中U2x為U2的有功分量,U2y為U2的無功分量。因此,測試系統(tǒng)的主要誤差來源于電壓檢測器。

在實際測試中,無法確保Ucd完全為零,因此設電橋達到平衡判定條件Ucd

(19)

該測量原理的測量誤差主要來源于電橋平衡的判斷,只要確保誤差信號足夠小,就能夠較為精確地得到待測電路的G值。由式(19)知,當Ucd趨近于0時,待測參數(shù)為

(20)

目前的技術手段可以使平衡橋的誤差極小,因此該方法具有較高的測試準確度。本文研究中采用該測量原理的測試設備進行變壓器繞組掃頻電阻的測量。測試示意圖如圖9所示,測量模塊接收由上位機軟件發(fā)出的控制信號進行測試,并返回測試數(shù)據(jù),上位機軟件設計可視化界面便于人機交互,同時軟件具備接收測量數(shù)據(jù)并進行相應處理和展示的功能。改變頻率重復測試,即可得到待測器件的掃頻電阻曲線。

圖9 掃頻電阻法測試示意圖Fig.9 Test schematic of sweep resistance method

3 掃頻阻抗測試系統(tǒng)性能及特點

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

文中選用優(yōu)策高頻LCR數(shù)字電橋測試儀UC2876進行實驗,設備界面如圖10所示,該設備可提供5～200 kHz的連續(xù)正弦波激勵,Rs內(nèi)阻為10 Ω,設備測試精確度為0.5%,滿足2.2節(jié)中變壓器繞組電阻參數(shù)的測量,設備輻射干擾按GB6833.10標準設計,符合文中的測試環(huán)境。

圖10 測試設備界面圖Fig.10 Interface diagram of test equipment

該設備具有RS232通信接口,可通過RS232系統(tǒng)指令集進行測試數(shù)據(jù)的傳輸和控制信號的輸入。考慮到測試軟件的可移植性和測試設備的一體化設計,文中采用支持多操作系統(tǒng)的labview平臺搭建上位機軟件,并借助軟件內(nèi)VISA模塊實現(xiàn)與測試設備的通訊。如圖11為實驗設備圖。

圖11 實驗設備圖Fig.11 Experimental equipment chart

3.2 實驗測量的重復性與準確性

掃頻電阻測試系統(tǒng)的重復性是指在相同的測試條件下,包括接線、環(huán)境、程序及儀器等條件不變的狀態(tài)下,在不同的時間內(nèi)重復測試,評價掃頻電阻曲線之間一致性,通常使用掃頻范圍內(nèi)測量值的標準偏差來進行衡量。

使用3.1節(jié)中的測試設備,將激勵電壓設置為1 V,對1.3節(jié)提到的兩臺型號為SCB13-800/10/0.4的干式變壓器進行多次測試,得到各頻率內(nèi)標準差如表2所示。

表2 多次測試得到的標準偏差Table 2 Standard deviation from multiple tests

由表2中數(shù)據(jù)可知,在頻率為50～5 000 Hz時,標準偏差的最大值為0.198,出現(xiàn)在4 000 Hz的頻率點位置,在該點多次測量電阻值的最大值為102.079 Ω,最小值為101.64 Ω,差值為0.439 Ω,重復測量誤差為0.4%,多次測量結(jié)果差異極小,故設備對變壓器的掃頻電阻曲線測試具有較好的可重復性。

為了進一步驗證該測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對其中一臺變壓器平均間隔24 h進行了7次測試,7次測試的數(shù)據(jù)結(jié)果及標準偏差如圖12所示。

圖12 間隔24 h的7次實驗測試結(jié)果及標準偏差Fig.12 Seven test results and standard deviation of 24 h interval

從圖12中可以看出,在50～5 000 Hz的測試點中,7條掃頻電阻曲線基本相同,且在3 500 Hz左右的標準差最大,約為0.45。結(jié)合圖2和圖12(a)可知,銅鋁變壓器之間的諧波電阻差值遠大于測試誤差,因此可以認為在進行變壓器繞組材質(zhì)辨識實驗時,掃頻電阻測試系統(tǒng)具有良好的測試重復性和穩(wěn)定性。

由于部分變壓器可能存在繞組變形等故障,可能會對實驗辨識結(jié)果產(chǎn)生影響,需要做進一步分析。對于一般的繞組變形故障,可以通過短路阻抗法進行判斷,即認為變壓器繞組產(chǎn)生變形故障后,50 Hz短路阻抗值會有較為明顯的偏差。因此進一步使用定義法測量基頻時測試回路的交流電阻,以驗證掃頻電阻測試系統(tǒng)在50 Hz時的測量準確性,從而更為準確地對繞組變形故障進行排除。用定義法測量時,首先采用50 Hz工頻電源對2.1節(jié)中的測試回路進行激勵,之后利用高精度電能質(zhì)量分析儀測量,得到前文變壓器的基頻等效短路阻抗值。提取圖12(a)中7條曲線在50 Hz時測得的電阻和感抗值,計算得到等效短路阻抗值。對兩種方式測得的等效短路阻抗值進行比較,如表3所示。

表3 兩種方法測得的等效短路阻抗值Table 3 The equivalent short-circuit impedance measured by the two methods

由表3可以看出,使用常規(guī)定義法進行測試和使用掃頻阻抗測試設備測試得到的變壓器等效回路短路阻抗值基本相同,該結(jié)果驗證了文中所提設備在基頻下測試的準確性。因此,可以利用該設備在50 Hz時測得的阻抗值來排除變壓器繞組變形故障對繞組辨識結(jié)果的影響。

3.3 短路線具對實驗的影響

文中的實驗測試回路需要對變壓器二次側(cè)進行短接,短接線及其夾具會給測試回路引入一定的誤差。油浸式變壓器接線端子之間距離較小,短路線所引起的諧波損耗較小,干式變壓器接線端子之間間距較大,例如1 000 kVA干式變壓器相鄰接線端距離可達50 cm,在進行高頻測試時引入的誤差較大。為探究短路接線及其夾具對實驗結(jié)果的影響程度,文中使用四條不同的短路線對同一臺變壓器進行掃頻電阻測試,選取測試結(jié)果中的高頻部分繪制在圖13中。

圖13 不同短路線下的掃頻電阻測試結(jié)果Fig.13 Test results of sweep resistance under different short circuit lines

通過圖13及其數(shù)據(jù)可知,當頻率大于3 500 Hz以后,不同短路線將會產(chǎn)生較為明顯的差距,5 000 Hz時,誤差達到20 Ω。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),50 Hz下不同短路線的測量結(jié)果也會有3～5 Ω的誤差,這是由不同短路線的夾具咬合力度等不同所帶來的接觸電阻引起的誤差。因此實際測試中,需要先測量得到短路線及其夾具的掃頻電阻曲線,之后在后續(xù)測量中減去由短路線和夾具所帶來的誤差。

3.4 多臺銅變壓器數(shù)據(jù)測試

在驗證了掃頻電阻系統(tǒng)的測試性能后,利用掃頻電阻法15臺SB25-400/10/0.4非晶合金銅繞組變壓器進行實驗測試,其中5臺為不同廠家生產(chǎn),10臺為同一廠家生產(chǎn),將測試結(jié)果分別繪制在圖14和圖15中。

圖14 5臺不同廠家生產(chǎn)的銅繞組變壓器Fig.14 Copper winding transformers produced by 5 different manufacturers

圖15 10臺同廠家生產(chǎn)的銅繞組變壓器Fig.15 10 copper winding transformers produced by the same manufacturer

圖14中的變壓器為不同廠家生產(chǎn),從圖14中曲線可以看出,對于相同繞組材質(zhì)的變壓器,其諧波電阻曲線也會有一定差異,這是由于不同廠家或同一廠家在不同批次生產(chǎn)變壓器時,存在制作工藝的差異所造成的。圖15中同一廠家同一批次生產(chǎn)的變壓器的掃頻電阻曲線重合度更高。根據(jù)圖2可知,鋁繞組變壓器在高頻次下的諧波電阻值遠大于圖14中銅繞組變壓器所覆蓋的曲線范圍。因此不同廠家變壓器測試曲線的分散性誤差對測試結(jié)果的影響較小。另外,在測試時選取較高的頻率能夠使銅鋁之間的諧波電阻差異遠大于工藝結(jié)構對測試結(jié)果引入的誤差。因此在實際應用中,可以根據(jù)鋁繞組變壓器的實際曲線來對辨識方案進行優(yōu)化。

4 掃頻阻抗法的實際應用

4.1 實驗流程及數(shù)據(jù)庫的建立

對測試系統(tǒng)的性能及銅變壓器的測試曲線進行了分析,為驗證掃頻電阻測試設備在實際應用中的辨識可靠性,使用掃頻設備測試多種銅繞組變壓器建立變壓器數(shù)據(jù)庫,并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立辨識依據(jù)及辨識標準。

考慮到不同損耗標準的變壓器在高頻激勵下的諧波電阻會有差異,對同一容量,不同損耗等級的變壓器分開建立數(shù)據(jù)庫。首先采用正態(tài)分布對每個測試點的數(shù)據(jù)進行分布歸類,剔除誤差等情況引起的無效測試數(shù)據(jù)后建立有效數(shù)據(jù)集合,針對有效數(shù)據(jù)分別尋找各組數(shù)據(jù)的有效區(qū)間,并確定銅變壓器的掃頻電阻范圍作為辨識依據(jù)。實際的檢測流程如圖16所示,檢測時,軟件在采集到測試數(shù)據(jù)以后,會在自動減去短路線引入的測試誤差后,將數(shù)據(jù)同數(shù)據(jù)庫中的標準曲線進行對比后,保存數(shù)據(jù)并返回對比結(jié)果。

圖16 實驗測試流程Fig.16 Experimental test process

考慮到在實際檢測試驗中會存在測試誤差,且不同制作工藝下的變壓器數(shù)據(jù)具有分散性差異,因此在初步選取銅變壓器的掃頻電阻數(shù)據(jù)范圍后,針對銅變數(shù)據(jù)閾值選取裕度系數(shù)kc=1.2作為判別標準進行測試,即當測試變壓器數(shù)據(jù)超出標準數(shù)據(jù)庫銅變壓器掃頻電阻數(shù)據(jù)kc倍時,認為測試變壓器疑似鋁繞組變壓器。

4.2 干式變壓器的測試

選取8臺S13型10 kV干式變壓器進行實測,該類型變壓器外形如圖17所示。

圖17 S13型630 kVA干式變壓器示意圖Fig.17 The schematic diagram of S13 630 kVA dry transformer

實驗測試的8臺變壓器均為Dyn11聯(lián)結(jié)組模式,其容量為630 kVA。實驗測試前,將8臺變壓器分接頭均調(diào)至10/0.4檔位,即額定電壓處。經(jīng)過測試,發(fā)現(xiàn)有5臺變壓器測試數(shù)據(jù)落在了銅變壓器范圍內(nèi),3臺變壓器數(shù)據(jù)落在銅變壓器范圍外,測試結(jié)果如表4所示。

表4 630 kVA干式變壓器測試結(jié)果Table 4 Test results of 630 kVA dry transformer

編號2～6的變壓器測試數(shù)據(jù)的測試數(shù)據(jù)落在銅變壓器標準數(shù)據(jù)內(nèi),可基本判斷為銅繞組變壓器。對編號1、7、8的3臺變壓器做進一步探測,確認3臺變壓器均為鋁繞組變壓器,驗證了文中所述測試方法及測試設備的準確性。

將實驗測得的8條曲線均繪制到圖18中,可以看到3臺鋁變壓器的曲線也具有較大差異,其中編號7、8的變壓器數(shù)據(jù)重合,編號1的曲線低于其他兩臺鋁變。

圖18 8臺630 kVA干式變壓器測試結(jié)果Fig.18 Test results of 8 630 kVA dry transformers

觀察這3臺變壓器的結(jié)構發(fā)現(xiàn),編號為1的鋁變壓器其繞組高度偏高,直徑偏小,符合常規(guī)認識下的鋁繞組變壓器的外觀特性,編號為7和8的2臺鋁變壓器外觀尺寸則和銅變壓器無明顯差異,這是由于不同廠家在生產(chǎn)鋁代銅變壓器時的制作工藝及材料價格等所引起的,因而單從外觀來進行變壓器繞組材質(zhì)識別的方法不具備可行性。由1.1節(jié)的分析可知,廠家需要增大鋁導體的截面積或減少鋁導體的長度來實現(xiàn)鋁代銅變壓器和銅變壓器具有相同的基頻參數(shù),因此采用不同的截面積或不同的鋁導體長度會對鋁繞組變壓器的諧波電阻數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,但是由1.2節(jié)的分析可知,由于鋁繞組電阻率大于銅繞組,因此盡管鋁繞組變壓器的掃頻電阻具有較大的分散性,但是其測試值依舊大于銅導體。

另外,從測試結(jié)果可以看出,鋁繞組變壓器的諧波電阻值遠大于本文所建立的銅繞組變壓器標準數(shù)據(jù)庫所選取的數(shù)據(jù)閾值,進一步驗證了文中所述判別方法的可行性。

4.3 油浸式變壓器的測試

干式變壓器通常應用在高層建筑或需要防火、防爆的場所,因此其使用數(shù)量相對較少。油浸式變壓器因過載能力更好,且在同容量下更具有經(jīng)濟優(yōu)勢,在電力系統(tǒng)中具有更廣泛的應用場景,因此油浸式變壓器的檢測具有重要意義。選取32臺10 kV電壓等級、630 kVA容量的油浸式變壓器進行測試,測試變壓器由不同的廠家提供,其中2臺為鋁繞組變壓器,30臺為銅繞組變壓器,在測試前將分接頭均調(diào)節(jié)至10/0.5檔位。圖19是測試變壓器的掃頻電阻的測試結(jié)果。

圖19 32臺油浸式變壓器掃頻電阻測試結(jié)果Fig.19 Test results of sweep resistance of 32 oil-immersed transformers

從測試結(jié)果可以看出,該組中有30臺變壓器測試曲線位于銅變閾值范圍內(nèi),2臺變壓器測試曲線位于銅變閾值范圍外。2臺異常變壓器均由同一廠商提供,其曲線也較為接近,符合前述分析。該組實驗驗證了文中所述方法對油浸式變壓器進行檢測可行性。

5 結(jié)論

提出了一種新型變壓器繞組材質(zhì)檢測方案——基于平衡電橋的掃頻電阻法,并利用實測結(jié)合理論分析,研究了該檢測方案的特性,主要得出以下結(jié)論。

(1)基頻下銅鋁繞組變壓器參數(shù)基本一致,不利于材質(zhì)的辨識,需要在更高頻率下依據(jù)不同材質(zhì)導體趨膚深度不同的特性來進行辨識,但由于分布參數(shù)的影響,頻率的選擇不宜過高,在5 000 Hz以內(nèi)為佳。

(2)掃頻電阻法具有良好的測試重復性和測試效率,其在相同測試環(huán)境下對同一臺變壓器連續(xù)7 d的測試偏差值小于1 Ω,且其較小的設備體積和較快的測試速度實現(xiàn)了在原位無損的情況下對變壓器進行檢測。

(3)較長的短路線的諧波電阻對變壓器測試數(shù)據(jù)有一定影響,在實際測試時可以將短路線引入的誤差進行單獨測試排除。

(4)不同的分接頭和不同的損耗等級對測試結(jié)果有影響,在實際測試中可以對不同分接頭和損耗等級的變壓器分開建立數(shù)據(jù)庫進行比對。

(5)分別選擇了干式變壓器和油浸式變壓器進行測試,測試結(jié)果顯示,本文提出的基于平衡電橋的掃頻阻抗法可以有效識別鋁繞組變壓器,辨識效果明顯。