配電網(wǎng)中變壓器高頻阻抗特性分析

王巖

(棗莊學院 光工程學院，山東 棗莊 277160)

0 引言

為實現(xiàn)高速、高效的配網(wǎng)自動化，多采用配電網(wǎng)載波通信技術(shù).由于其具有可利用配電網(wǎng)現(xiàn)成的物理網(wǎng)絡進行通信和數(shù)據(jù)傳輸，靈活性強、成本低、可靠性高等特點，受到人們的廣泛關注.然而配電網(wǎng)的建設是以傳輸工頻電力信號為基礎的，與專門架設的通信傳輸信道不同，當進行高頻通信時，具有電磁干擾嚴重，信號衰減大，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜、頻率特性復雜、阻抗特性變化劇烈等問題的存在.因此，必須對配電網(wǎng)PLC關鍵技術(shù)進行系統(tǒng)的研究，包括電力線信道特性、各種電氣設備的高頻特性，噪聲模型，衰減特性以及可靠的調(diào)制編碼技術(shù)等[1].變壓器連接中壓網(wǎng)與低壓網(wǎng)，是電力系統(tǒng)中十分重要的電氣設備.但它的存在嚴重影響了高頻信號的傳輸，并且由于變壓器的阻抗特性與通信信號的頻率密切相關，因此，在研究如何提高中壓電力線信道通信質(zhì)量的過程中，需要研究變壓器在高頻通信下的阻抗特性及等效模型.在對配電網(wǎng)電氣設備的阻抗特性研究中，大都采用一個一千pF或者幾千pF的電容代替變壓器模型，這種方法顯然存在較大的誤差.本文基于阻抗測試方法，分析變壓器兩種基本模型，通過LCR電橋測試變壓器的阻抗特性，并仿真驗證測試結(jié)果.

1 變壓器阻抗測試方法

配電網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)比較復雜，包括各種電力電纜和分支線路，并且整體的阻抗特性受到頻率、位置及測試時間等多種因素的影響，因而能夠比較精準的測試阻抗的變化是很困難的.并且實際應用中的變壓器阻抗特性要遠比理想電阻復雜得多，呈現(xiàn)出電阻性、電容性和電感性特性，它們共同決定了變壓器的阻抗特性.因此，阻抗的測試不同于電阻的測試，阻抗表現(xiàn)的是一種交流(AC)特性，與頻率相關，在不同的頻率范圍內(nèi)下測量阻抗，才能獲取有價值的電路組件數(shù)據(jù).下面主要介紹可用于離線測試變壓器阻抗的LCR電橋的測試法.LCR電橋是以微處理器為核心元件，可自動測量并直接顯示電阻R、電感L、電容C、品質(zhì)因數(shù)Q、損耗角正切值D等參數(shù)的測量儀器[2].LCR電橋結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示.

圖1 LCR電橋原理圖

其中，虛線框內(nèi)為LCR電橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，虛框外即為被測阻抗，R0是電壓源的內(nèi)阻，由電橋內(nèi)部引出四根接線，分別為IH、VH、VL、IL，對應于被測阻抗ZX的電流高端IH、電壓高端VH、電壓低端VL、電流低端IL.測試時，由于電源電壓U與理想運放的作用，ZX和Rn上的電流相同，因此它們的電壓降之比即為阻抗之比.電橋會自動測量出ZX及Rn上的壓降并完成運算，計及電橋電源頻率和Rn大小，電橋?qū)⒆詣语@示被測阻抗的兩個分量[2-3].

設VN=a+jb,VX=c+jd則有

(1)

經(jīng)整理得

(2)

采用LCR電橋測試法離線測量500k-1MHz變壓器的RX和LY的值，以及ZX的模|ZX|及相角θ，有較高的精確度.

2 變壓器高頻等效模型及阻抗測試

2.1 變壓器高頻等效特性

變壓器的等效模型的建立與通信頻率密切相關.目前，工頻(50Hz)下的變壓器模型通常包括理想變壓器、漏電感、磁化阻抗、開路和短路損耗等，應用已經(jīng)很普遍.在較低頻率，50Hz到幾kHz頻率范圍內(nèi)，則需要同時考慮磁化飽和(鐵芯的非線性特性)和頻率影響，此頻段的變壓器模型很難建立.而當頻率高于幾千Hz時，鐵芯的磁感應強度顯著下降，高頻下開始呈現(xiàn)線性，變壓器的模型變得相對簡單.

如圖2(a)為三相雙繞組鐵芯變壓器高頻等效模型.此時，忽略理想變壓器的影響，只考慮諧振阻抗(Zf)和繞組電容，其中，繞組與大地之間電容(C1、C2)、MV側(cè)與LV側(cè)之間電容(C12-1，C12-2)，其內(nèi)部為△/Y型連接，節(jié)點A、B、C和a、b、c、n分別表示其中壓(MV)和低壓(LV)側(cè)端口[4-6].實際測試所得大量數(shù)據(jù)表明，在高頻(幾百kHz)頻率范圍內(nèi)低壓側(cè)輸入阻抗的大小明顯低于漏泄阻抗，中壓一次側(cè)阻抗與二次側(cè)負載基本無關，帶負載的變壓器阻抗僅取決于繞組電容.因此變壓器簡化模型如圖2(b)所示.

圖2 變壓器高頻模型

2.2 變壓器阻抗特性測試

2.2.1 測試方法

變壓器的阻抗測試方法采用的是文中提到的LCR電橋測試儀.該電橋精度較高，測試頻率范圍適合，無需大量計算，便可直接得出各相對地以及各相之間阻抗的模值和相角.考慮到安全問題，變壓器采用的是離線測量方式.

測試原理圖如圖3所示，其中T表示變壓器，IN與IL表示阻抗測試的測試輸入端，A、B、C和a、b、c、n分別表示其中壓(MV)和低壓(LV)側(cè)端口，將LRC測試儀接入不同相，即可測量出變壓器不同端間阻抗：其中中壓端AC之間的阻抗，AB和BC相相間以及A、B、C對地間的阻抗.其中相關參數(shù)的設置：測量頻率范圍：500kHz～1MHz，測量頻率間隔為：10kHz.

2.2.2 阻抗測試結(jié)果

按照上述接線，測試變壓器終端各相間，相地間阻抗特性.實際測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，變壓器的阻抗特性對時間變化并不敏感，間隔幾分鐘或幾小時測試結(jié)果基本相同，但隨頻率的改變有明顯變化[7].多次反復試驗表明各相對地容值變化情況與規(guī)律基本相同，圖4僅給出各相間與各相對地電容取平均值變化規(guī)律.通過對測量結(jié)果分析，可以得出如下結(jié)論：(1)在500kHz～1MHz頻段內(nèi)，阻抗的相角都低于-70°，而且多數(shù)低于-80°， 所以阻抗呈容性；(2)高頻時，變壓器相相之間的等效電容值變化規(guī)律基本相同，各相對地電容也基本相似；

3 Simulink 仿真驗證

根據(jù)上述變壓器阻抗測試結(jié)果，其阻抗虛部呈容性，并且容值隨傳輸信號的增加略有起伏，總體的變化趨勢是隨頻率的增加而減小的.各相對地阻抗實部為幾十到上百歐姆，相相之間則為幾百歐姆，因此對圖2-2中模型修正如下.

通過在Simulink中上述模型進行仿真驗證，信號頻率范圍設置為600kHz ～ 1 MHz，按照實際測試數(shù)據(jù)設置變壓器阻抗參數(shù)，測試其衰減特性，實際測試結(jié)果和仿真結(jié)果對比如圖6所示.

4 結(jié)論

本文分析了常用的高頻阻抗測試方法，通過對變壓器離線時阻抗測量數(shù)據(jù)研究分析，得到變壓器在500kHz～1MHz頻率范圍內(nèi)的阻抗特性，并對變壓器高頻模型進行修正，提出了一種基于變壓器各端口阻抗特性建立其模型的方法，即用電容C或者電感R和電容C的并聯(lián)回路表示的變壓器模型.最后通過Simulink仿真驗證了其正確性，為配電網(wǎng)載波通信系統(tǒng)阻抗特性研究提供參考.

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