變壓器繞組電阻快速測(cè)量方法研究

甘 鵬 湯春榮 任 達(dá)

（1.南瑞集團(tuán)有限公司 （國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司） 2.揚(yáng)州思赫智能電氣有限公司）

0 引言

電力變壓器是電網(wǎng)中能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵模彩请娋W(wǎng)最重要和最關(guān)鍵的設(shè)備之一［1］。變壓器試驗(yàn)項(xiàng)目較多，其中，繞組電阻測(cè)量是電力變壓器的例行試驗(yàn)項(xiàng)目和交接試驗(yàn)項(xiàng)目，也是電網(wǎng)公司規(guī)定的變壓器產(chǎn)品抽檢必檢項(xiàng)目［2-3］。

通過繞組電阻測(cè)量，可以檢查導(dǎo)電回路是否存在短路、開路或者錯(cuò)接，同時(shí)可判斷導(dǎo)線的焊接點(diǎn)、引線與套管連接是否良好、分接開關(guān)接觸是否良好等，還可以核對(duì)繞組所用導(dǎo)線材質(zhì)及規(guī)格是否符合設(shè)計(jì)要求［4］。同時(shí)，變壓器短路阻抗和負(fù)載損耗從常溫校正到參考溫度的數(shù)值需要繞組電阻值參與換算。在溫升試驗(yàn)中，采用測(cè)量變壓器冷態(tài)繞組電阻和溫升試驗(yàn)剛斷電時(shí)的熱態(tài)繞組電阻，用以計(jì)算變壓器繞組的溫升［5］。

本文先介紹變壓器繞組電阻的測(cè)量方法，然后對(duì)繞組電阻的快速測(cè)量的原理及方法進(jìn)行研究，并采用具備快速測(cè)量功能的直流電阻測(cè)試儀測(cè)量一臺(tái)配電變壓器的繞組電阻，對(duì)測(cè)試時(shí)間進(jìn)行研究，研究結(jié)果可為變壓器試驗(yàn)人員提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)要求及快速測(cè)量的意義

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［6］：當(dāng)三相變壓器繞組為Y聯(lián)結(jié)無中性點(diǎn)引出時(shí)，應(yīng)測(cè)量其線電阻AB、BC、CA，如有中性點(diǎn)引出時(shí)，應(yīng)測(cè)量其相電阻AO、BO、CO，但對(duì)中性點(diǎn)引線電阻所占比例較大的yn聯(lián)結(jié)組且低壓為400V的配電變壓器，應(yīng)測(cè)量其線電阻ab、bc、ca及中性點(diǎn)對(duì)一個(gè)線段的電阻，如ao；當(dāng)三相變壓器繞組為D聯(lián)結(jié)時(shí)，首尾端引出的應(yīng)測(cè)量其相電阻，封閉三角形的試品應(yīng)測(cè)量其線電阻。對(duì)于帶有分接的繞組，應(yīng)在所有分接下測(cè)量其繞組電阻。

溫升試驗(yàn)中，從電源斷開到測(cè)得第一個(gè)有效熱電阻的時(shí)間，不宜超過：額定容量小于100MVA的變壓器，2min；額定容量100MVA至小于500MVA的變壓器，3min；額定容量不小于500MVA的變壓器，4min。

測(cè)量繞組電阻時(shí)，當(dāng)接通直流電源后，充電電流要經(jīng)過一個(gè)暫態(tài)過程才能達(dá)到穩(wěn)定值，暫態(tài)過程持續(xù)時(shí)間，對(duì)于小型變壓器，一般需要幾分鐘，對(duì)于大型變壓器，可達(dá)十幾甚至幾十分鐘以上［7］，所以，縮短暫態(tài)過程時(shí)間，加快測(cè)量速度，具有重要意義。特別是變壓器溫升試驗(yàn)時(shí)，用測(cè)量電阻來計(jì)算繞組溫升，應(yīng)從負(fù)荷切斷以后1min內(nèi)開始測(cè)量，在10min～12min內(nèi)，每隔30s～60s進(jìn)行一次測(cè)量，而且測(cè)量的電阻要準(zhǔn)確，因此，需要快速且準(zhǔn)確的測(cè)量繞組電阻。

2 測(cè)量方法

通常采用直流壓降法測(cè)量變壓器繞組電阻。直流壓降法是采用的歐姆定律

只要測(cè)量出電路中的電壓降U和電流I，即可計(jì)算出繞組電阻R。當(dāng)變壓器的繞組電阻值較小時(shí)，可采用圖1方式進(jìn)行測(cè)試。

圖1 繞組電阻較小時(shí)的測(cè)試原理圖

圖1中，設(shè)電壓表的內(nèi)阻為rV，其支路電流值為lV，則變壓器的繞組電阻為：

由式4可知，當(dāng)rV越大，R越小，測(cè)量誤差α越小，因此該種接線適用于測(cè)量小電阻。

當(dāng)繞組電阻值較大時(shí)，采用圖2所示接線方式，

圖2 繞組電阻較大時(shí)的測(cè)試原理圖

設(shè)電流表內(nèi)阻為rA，考慮電流表上的電壓降后，變壓器繞組電阻為：

直流壓降法的關(guān)鍵在于所使用的電流表和變壓表要有足夠的精度，才能保證測(cè)量的電阻的精度，通常采用的指針式電流表及電壓表，其精度較低，造成測(cè)量誤差較大。同時(shí)，由于直流壓降法測(cè)量值需要計(jì)算、接線復(fù)雜、必須同時(shí)讀取兩塊表的示數(shù)等原因，所以現(xiàn)在很少直接采用該方法［8］。

隨著電子技術(shù)發(fā)展，將微處理器等電子元件應(yīng)用到變壓器繞組電阻測(cè)量?jī)x器中，出現(xiàn)了基于直流壓降法原理的數(shù)字式儀器。數(shù)字式儀器原理圖見圖3，組成部分包括穩(wěn)壓恒流電源，放電線路、放大濾波電路、模數(shù)變換 （A／D）、微處理器 （CPU）及顯示器、打印機(jī)、通訊接口等。

圖3 數(shù)字式儀器原理圖

圖3中，RN為標(biāo)準(zhǔn)電阻，W1、W2分別為被測(cè)變壓器繞組，當(dāng)回路通過恒定電流I時(shí)，可測(cè)出W1、W2上電壓降V1、V2，可得：

通過式9、式10即可計(jì)算出變壓器的高壓側(cè)及低壓側(cè)繞組電阻值。因?yàn)殡妷?、電流等參?shù)采用數(shù)字式方法采集和計(jì)算，數(shù)字式測(cè)試儀的準(zhǔn)確級(jí)較高，可做到0.1～0.2級(jí)。

3 快速測(cè)量方法

變壓器繞組在直流激磁時(shí)電感很大，因此直流電路中電流的穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)［9］。經(jīng)研究，縮短繞組電阻測(cè)試時(shí)間可采用以下兩種方法：

（1）減小時(shí)間常數(shù)法

變壓器繞組電阻測(cè)量的等值電路圖見圖4，其中E為直流電阻測(cè)試儀的直流電源，L、R分別為變壓器的充電電感與直流電阻。

圖4 繞組電阻測(cè)量的等值電路圖

圖4中，合上回路開關(guān)K后直流電源E開始給變壓器繞組充電，充電電流

式11中，時(shí)間常數(shù)τ＝L／R （12）

變壓器繞組具有很大的電感和很小的電阻，變壓器的容量越大，繞組的電感就越大，而電阻越小，因而其時(shí)間常數(shù)較大。為減小時(shí)間常數(shù)τ，有兩種方法，一是減小電感L，二是增加回路電阻R。

①減小L的方法

式中，K為磁常數(shù)，n為線圈匝數(shù)，S為鐵心截面，l為鐵心回路長(zhǎng)度，μ為導(dǎo)磁系數(shù)。對(duì)于成品變壓器，K、n、S、l均無法改變，僅有μ可以改變，要減小μ，就要增大I，即提高測(cè)量繞組電阻時(shí)的直流電流電流。

②增大R的方法

通過在測(cè)試回路中串聯(lián)一電阻R1，可以減小時(shí)間常數(shù)τ。串聯(lián)電阻后，時(shí)間常數(shù)變?yōu)?/p>

因串入的電阻R1對(duì)充電電流有影響，操作程序?yàn)椋菏紫葘1調(diào)至最大值，回路開關(guān)閉合，i1＝0，E全部用來平衡繞組中的感應(yīng)電勢(shì)，隨后i開始上升，隨著i的上升將R值適當(dāng)調(diào)小，使R值能保證預(yù)定的穩(wěn)定電流I。

（2）恒流源法

恒流源采用電子線路，測(cè)量線路中的電流可以預(yù)先設(shè)定，在電流接近預(yù)定值時(shí)，再逐步降低電壓使得電流穩(wěn)定在預(yù)定值，則可縮短測(cè)試時(shí)間。恒流源通過在測(cè)試線路內(nèi)提高測(cè)試電壓 （提高穩(wěn)定電流值）的方式，可以縮短測(cè)量時(shí)間。

當(dāng)需要快速且準(zhǔn)確的測(cè)量出繞組電阻時(shí)，可選擇電流大、無載電壓較高的恒流源。

4 試驗(yàn)研究

恒流源一般和電阻測(cè)量裝置一起使用，基于直流壓降法及恒流源原理的制成直流電阻測(cè)試儀，具備快速準(zhǔn)確測(cè)量變壓器繞組電阻功能，可根據(jù)被測(cè)變壓器的直流電阻選擇測(cè)試電流，其電流范圍從mA級(jí)到100A，無載電壓從20V到80V。直流電阻測(cè)試儀的自動(dòng)化程度高、準(zhǔn)確度高、功能齊全，當(dāng)前普遍采用直流電阻測(cè)試儀進(jìn)行變壓器繞組電阻測(cè)量。

采用1臺(tái)直流電阻測(cè)試儀對(duì)1臺(tái)配電變壓器的繞組電阻進(jìn)行測(cè)量，見圖5。配電變壓器的參如下：相數(shù)：三相；額定電壓10／0.4kV；容量：400kVA。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

采用直流電阻測(cè)試儀測(cè)量變壓器繞組電阻的測(cè)試接線示意圖見圖6，儀器具有雙通道，采用雙恒流源設(shè)計(jì)，測(cè)量時(shí)可高、低壓繞組同時(shí)測(cè)量。

圖6 測(cè)試接線示意圖

選擇好直流電阻測(cè)試儀的測(cè)試電流檔位，按下直流電阻測(cè)試儀的 “開始”按鈕即可開始測(cè)試，不同測(cè)試電流下的測(cè)試時(shí)間見表1。

表1 不同測(cè)試電流下的繞組電阻測(cè)試時(shí)間

（續(xù)）

從表1可看出，隨著測(cè)試電流的增大，測(cè)試時(shí)間隨之變短，對(duì)于該臺(tái)變壓器的高壓繞組測(cè)試電流≥0.1A、低壓繞組測(cè)試電流≥10A，測(cè)試時(shí)間≤30s，可有效降低繞組電阻測(cè)試時(shí)間，滿足溫升試驗(yàn)時(shí)繞組電阻測(cè)量的時(shí)間要求。因此在當(dāng)前技術(shù)條件下，基于大電流、恒流源的直流電阻測(cè)試儀，可作為變壓器繞組電阻測(cè)量的理想儀器。

需要注意的是，測(cè)試電流也不可選擇過大，否則變壓器繞組因通過大電流而造成直流電阻發(fā)熱，阻值產(chǎn)生變化，影響測(cè)量結(jié)果。在使用直流電阻測(cè)試儀進(jìn)行變壓器繞組電阻測(cè)量時(shí)，選取多大的測(cè)試電流，需要根據(jù)測(cè)試時(shí)間及測(cè)試準(zhǔn)確度綜合考慮。

5 結(jié)束語(yǔ)

繞組電阻測(cè)量是電力變壓器重要的試驗(yàn)項(xiàng)目。繞組電阻測(cè)量的基本方法為直流壓降法。為對(duì)繞組電阻進(jìn)行快速測(cè)量，需要減小時(shí)間常數(shù)τ，有兩種方法，一是減小電感L，二是增加回路電阻R，減小回路電感可通過提高穩(wěn)定電流方法實(shí)現(xiàn)，增大回路電阻可通過在回路中串入一可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)。

本文采用具備快速測(cè)量功能的直流電阻測(cè)試儀對(duì)一臺(tái)配電變壓器的繞組電阻進(jìn)行測(cè)量，比較各測(cè)試電流下的測(cè)試時(shí)間，對(duì)快速測(cè)量技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，研究結(jié)果可為變壓器試驗(yàn)人員提供參考。