基于掃頻電阻法的變壓器繞組材質(zhì)辨識(shí)方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102206; 2. 浙江華電器材檢測(cè)研究院有限公司, 杭州 310000)

變壓器作為電網(wǎng)的核心運(yùn)行設(shè)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(shè)計(jì)對(duì)變壓器的運(yùn)行安全及壽命有重要影響,銅導(dǎo)體因具有電阻率低、熱傳導(dǎo)系數(shù)和熔點(diǎn)高、抗拉強(qiáng)度高、焊接工藝成熟、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為變壓器繞組的首選材料。鋁導(dǎo)體因具有資源豐富、價(jià)格低廉等特點(diǎn)成為變壓器繞組材質(zhì)的替代材料[1]。然而,鋁導(dǎo)體的強(qiáng)度低、耐腐蝕性差、焊接難度大等特點(diǎn),使鋁繞組變壓器具有更大的安全風(fēng)險(xiǎn)和更高的運(yùn)行維護(hù)成本,因而中國(guó)鋁導(dǎo)體的應(yīng)用場(chǎng)合較少。目前,國(guó)家電網(wǎng)公司采購(gòu)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(jì)效益,以鋁變壓器假冒銅變壓器,通過(guò)改變導(dǎo)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(jì),一臺(tái)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(huì)給電力系統(tǒng)帶來(lái)巨大的安全隱患[2]。

然而,目前中外還沒(méi)有一種成熟的技術(shù)或儀器設(shè)備能迅速準(zhǔn)確地鑒別出變壓器繞組的材質(zhì),因此有必要對(duì)變壓器繞組材質(zhì)鑒別的課題進(jìn)行研究。國(guó)外配電網(wǎng)按照鋁繞組變壓器運(yùn)行性能進(jìn)行設(shè)計(jì),使用鋁繞組變壓器較多,并且誠(chéng)信體制完善,會(huì)在變壓器產(chǎn)品銘牌中表明繞組材質(zhì),因而國(guó)外對(duì)于此方面研究甚少[3-4]。中國(guó)學(xué)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(guān)系,提出了一些辨別方法。文獻(xiàn)[5]測(cè)量某企業(yè)生產(chǎn)的不同導(dǎo)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(gòu)尺寸、價(jià)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(xiàn)[6]提出了一種基于熱電效應(yīng)的變壓器繞組材質(zhì)無(wú)損鑒別方法,但是該方法受加熱方式的限制,在測(cè)量油浸式變壓器時(shí)需要進(jìn)行吊芯處理。文獻(xiàn)[7]提出了利用銅鋁電阻溫度系數(shù)的差異特性來(lái)辨別變壓器材質(zhì)的方法,該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求高,且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng),不適合大規(guī)模檢測(cè)。文獻(xiàn)[8-9]提出了通過(guò)X射線來(lái)辨別變壓器繞組材質(zhì)的方法,該方法測(cè)試裝置復(fù)雜,對(duì)測(cè)試環(huán)境要求高,不適合在工程現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展測(cè)試工作。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于改進(jìn)自然降溫法的變壓器內(nèi)部繞組材質(zhì)無(wú)損檢測(cè)方法,該方法通過(guò)對(duì)變壓器進(jìn)行升溫和自然降溫計(jì)算電阻溫度系數(shù),并基于此實(shí)現(xiàn)繞組材質(zhì)檢測(cè)。文獻(xiàn)[11]通過(guò)數(shù)據(jù)搜集建立了配電變壓器繞組參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù),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(fù)雜,不同時(shí)間或不同廠家生產(chǎn)的同種變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)有較大不同,因此使得該方法的辨識(shí)準(zhǔn)確性較低,只可以作為一種輔助判斷方式。

除此之外,相關(guān)學(xué)者還研究了合金分析法、金屬探測(cè)法、鉆孔取料解剖法等辨別方法[12]。吳燕等[13]根據(jù)銅鋁導(dǎo)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(shí)方法。邊美華等[14]提出電渦流檢測(cè)辨識(shí)法。夏越婷等[15]對(duì)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(shí)方法。這些檢測(cè)方法一定程度上為變壓器繞組材質(zhì)檢測(cè)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(shí)際操作中存在準(zhǔn)確性不高,檢測(cè)周期長(zhǎng),試驗(yàn)環(huán)境不穩(wěn)定等問(wèn)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(shí)方法,并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方法測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單,對(duì)檢測(cè)環(huán)境沒(méi)有特殊要求,且測(cè)試成本低,辨別準(zhǔn)確度高,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 變壓器繞組辨識(shí)的原理

1.1 諧波電阻辨識(shí)原理

當(dāng)導(dǎo)體中有交變電流時(shí),其產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)會(huì)使導(dǎo)體內(nèi)部電流分布不均勻,越靠近導(dǎo)體表面,電流密度越大,當(dāng)頻率高于一定值時(shí),導(dǎo)體中心幾乎沒(méi)有電流。如圖1所示,當(dāng)導(dǎo)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(shí)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(jì)算公式為

(1)

圖1 圓導(dǎo)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(dǎo)體的磁導(dǎo)率;ρ為導(dǎo)體的電阻率。

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

工頻下由于電流密度分布較為均勻,電阻的計(jì)算公式可以近似為

(2)

式(2)中:l為導(dǎo)體長(zhǎng)度;S為導(dǎo)體截面積。

結(jié)合圖1和式(1)可以得到在高頻下導(dǎo)體的有效導(dǎo)流面積為

(3)

式(3)中:r0為導(dǎo)體截面半徑。

結(jié)合式(2)和式(3),不同類型導(dǎo)體的趨膚深度不同,使得在施加相同頻率的高頻激勵(lì)時(shí)導(dǎo)體有效導(dǎo)流面積不同,進(jìn)而導(dǎo)體的諧波電阻會(huì)不同,因此考慮通過(guò)探究銅鋁導(dǎo)體在高頻下的諧波電阻特性來(lái)實(shí)現(xiàn)銅鋁變壓器的辨識(shí)。盡管由式(3)可以得到導(dǎo)體的有效導(dǎo)流面積,但是在高頻下導(dǎo)體電流密度分布并不均勻,因此不能簡(jiǎn)單使用式(2)進(jìn)行導(dǎo)體諧波電阻的計(jì)算。

1.2 變壓器繞組的諧波電阻計(jì)算

在圓柱坐標(biāo)系下,理想的圓截面長(zhǎng)直導(dǎo)體具有軸對(duì)稱性,則電流密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度與φ軸和z軸無(wú)關(guān)。根據(jù)電磁場(chǎng)原理,有

(4)

式(4)中:j為復(fù)數(shù)單位;r0為導(dǎo)體截面半徑;r為導(dǎo)體內(nèi)一點(diǎn)距導(dǎo)體中心的距離;J為導(dǎo)體內(nèi)一點(diǎn)的電流密度;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;μ為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率。

(5)

(6)

式(6)中:ber0(u)、bei0(u)為第一類開(kāi)爾文函數(shù)。

根據(jù)式(6),長(zhǎng)直圓導(dǎo)體電流密度表達(dá)式(5)可以改寫成

(7)

結(jié)合式(4),得出導(dǎo)體內(nèi)的總電流為

(8)

結(jié)合式(5),得到單位長(zhǎng)度導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì)為

(9)

(10)

式(10)中:Rs為等效短路電阻;Xs為等效短路電抗。

進(jìn)而得到高頻下長(zhǎng)直導(dǎo)線單位長(zhǎng)度電阻為

(11)

對(duì)于由長(zhǎng)直圓導(dǎo)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(zhǎng);rL為繞組導(dǎo)體單位長(zhǎng)度電阻;D為導(dǎo)體直徑;ρ為導(dǎo)體電阻率[17]。

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

(13)

式(13)考慮了橫向磁場(chǎng)進(jìn)入繞組時(shí)的不均勻性,使得計(jì)算結(jié)果同實(shí)際數(shù)值更加接近。表1是兩臺(tái)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(jìn)行計(jì)算,得到兩繞組的諧波電阻曲線如圖2所示。

表1 兩臺(tái)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(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation results of harmonic resistance of copper aluminum transformer winding

在基頻下,兩臺(tái)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(jiàn),不同材質(zhì)長(zhǎng)直導(dǎo)體在高頻下諧波電阻差異的特性應(yīng)用在變壓器繞組上依舊適用,因此可以利用這一特性進(jìn)行變壓器繞組材質(zhì)的識(shí)別。

1.3 變壓器空載損耗對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

當(dāng)對(duì)變壓器繞組注入的激勵(lì)頻率較低時(shí),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(lì)磁電壓較低,鐵芯磁通密度較小,其等效阻抗Zm遠(yuǎn)大于兩側(cè)繞組阻抗Z1和Z2,使得空載損耗遠(yuǎn)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(lì)頻率的升高,分布參數(shù)對(duì)變壓器繞組回路的影響增大,需要對(duì)變壓器的空載損耗從原理上做進(jìn)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(gòu)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(yuǎn)小于其他損耗,對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(lì)磁電流波形系數(shù)。

鐵芯的飽和程度隨著頻率的升高會(huì)減小,因此可以忽略高頻下鐵芯飽和問(wèn)題。變壓器一次側(cè)電壓和磁通的關(guān)系式為:Us=-j4.44fNBm,本文研究在進(jìn)行掃頻電阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí),采用恒定電壓源激勵(lì),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(jiàn)隨著頻率的升高,Bm會(huì)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(cè)試回路中空載損耗將會(huì)逐漸變小。因而在進(jìn)行高頻短路實(shí)驗(yàn)時(shí),依舊可以忽略空載損耗帶來(lái)的影響,認(rèn)為短路損耗近似等于銅損。

1.4 測(cè)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(dāng)加載信號(hào)的頻率大于10 kHz時(shí),變壓器鐵芯的勵(lì)磁作用將會(huì)消失[19],此時(shí)變壓器繞組會(huì)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(shí)驗(yàn)的測(cè)試。因此在實(shí)際測(cè)試時(shí),測(cè)試頻率的選取應(yīng)該小于10 kHz。本文研究在前期探究性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及掃頻電阻測(cè)量法的原理

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)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(yàn)測(cè)試對(duì)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(gòu)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(tái)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(shè)備三相對(duì)稱,因此在變壓器繞組材質(zhì)辨識(shí)時(shí),可以檢測(cè)三相中的任何一個(gè)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(wú)法只從出線端對(duì)變壓器的單相繞組進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)考慮到三相測(cè)試增加測(cè)試成本和測(cè)試難度,不適宜開(kāi)展大規(guī)模測(cè)試,因此采用了圖5所示接法的測(cè)試回路檢測(cè)。

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(cè)試回路將低壓側(cè)三相同中性線進(jìn)行短接,高壓側(cè)AB相串聯(lián)。此時(shí),由于C相出線端子懸空,可認(rèn)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(gòu)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(gòu)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(cè)試回路,可以有效地將三相繞組的阻抗參數(shù)均反映到測(cè)試回路中,因此基于此測(cè)試回路的一種等效電路如圖6所示。

圖6 掃頻電阻法測(cè)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(guān)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(shí)際上,該測(cè)試回路不僅適用于Dyn11的聯(lián)結(jié)組別,當(dāng)變壓器繞組為其他聯(lián)結(jié)組別時(shí),該測(cè)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(cè)量原理及誤差分析

對(duì)于2.1節(jié)提到的測(cè)試回路,為提高變壓器繞組辨識(shí)的準(zhǔn)確度,需要對(duì)等效電路中的電阻部分進(jìn)行較為精準(zhǔn)的測(cè)試。電氣設(shè)備的直流電阻參數(shù)通常是基于歐姆定律來(lái)進(jìn)行測(cè)量,即先行測(cè)量待測(cè)元器件兩側(cè)的電壓和測(cè)試回路中的電流,再通過(guò)計(jì)算得到電阻參數(shù)。使用歐姆定律測(cè)量交流電阻參數(shù)時(shí),需要利用電壓和電流的相位關(guān)系來(lái)區(qū)分測(cè)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(huì)更大,若采用直接激勵(lì)的方式進(jìn)行掃頻電阻測(cè)量會(huì)帶來(lái)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(zhǔn)的掃頻測(cè)量方法主要有電橋法、諧振法、I-V法、射頻I-V法、網(wǎng)絡(luò)分析法和自動(dòng)平衡電橋法等,選用基于自動(dòng)平衡電橋法測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。自動(dòng)平衡電橋法的基本原理圖如圖8所示。圖8中電路中激勵(lì)信號(hào)U1大小固定且相角為0,Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻,Cx為待測(cè)電容,G為待測(cè)電阻,AC支路為待測(cè)器件支路,U2為可調(diào)電壓源,和U1同頻率,在測(cè)試過(guò)程中會(huì)隨著待測(cè)支路參數(shù)自動(dòng)變化以滿足電橋平衡。Ucd為C、D兩點(diǎn)之間的電壓,理想情況下,當(dāng)電路達(dá)到平衡時(shí),由于Ucd=0,可以推導(dǎo)出電橋的平衡方程為

(18)

圖8 自動(dòng)平衡電橋法測(cè)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(shè)備為使誤差信號(hào)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(wú)功分量。因此,測(cè)試系統(tǒng)的主要誤差來(lái)源于電壓檢測(cè)器。

在實(shí)際測(cè)試中,無(wú)法確保Ucd完全為零,因此設(shè)電橋達(dá)到平衡判定條件Ucd

(19)

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

(20)

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

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

3 掃頻阻抗測(cè)試系統(tǒng)性能及特點(diǎn)

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(cè)試儀UC2876進(jìn)行實(shí)驗(yàn),設(shè)備界面如圖10所示,該設(shè)備可提供5～200 kHz的連續(xù)正弦波激勵(lì),Rs內(nèi)阻為10 Ω,設(shè)備測(cè)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(cè)量,設(shè)備輻射干擾按GB6833.10標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),符合文中的測(cè)試環(huán)境。

圖10 測(cè)試設(shè)備界面圖Fig.10 Interface diagram of test equipment

該設(shè)備具有RS232通信接口,可通過(guò)RS232系統(tǒng)指令集進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸和控制信號(hào)的輸入?？紤]到測(cè)試軟件的可移植性和測(cè)試設(shè)備的一體化設(shè)計(jì),文中采用支持多操作系統(tǒng)的labview平臺(tái)搭建上位機(jī)軟件,并借助軟件內(nèi)VISA模塊實(shí)現(xiàn)與測(cè)試設(shè)備的通訊。如圖11為實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖。

圖11 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖Fig.11 Experimental equipment chart

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量的重復(fù)性與準(zhǔn)確性

掃頻電阻測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性是指在相同的測(cè)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(shí)間內(nèi)重復(fù)測(cè)試,評(píng)價(jià)掃頻電阻曲線之間一致性,通常使用掃頻范圍內(nèi)測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)進(jìn)行衡量。

使用3.1節(jié)中的測(cè)試設(shè)備,將激勵(lì)電壓設(shè)置為1 V,對(duì)1.3節(jié)提到的兩臺(tái)型號(hào)為SCB13-800/10/0.4的干式變壓器進(jìn)行多次測(cè)試,得到各頻率內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。

表2 多次測(cè)試得到的標(biāo)準(zhǔn)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(shí),標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值為0.198,出現(xiàn)在4 000 Hz的頻率點(diǎn)位置,在該點(diǎn)多次測(cè)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(fù)測(cè)量誤差為0.4%,多次測(cè)量結(jié)果差異極小,故設(shè)備對(duì)變壓器的掃頻電阻曲線測(cè)試具有較好的可重復(fù)性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對(duì)其中一臺(tái)變壓器平均間隔24 h進(jìn)行了7次測(cè)試,7次測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖12所示。

圖12 間隔24 h的7次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試點(diǎn)中,7條掃頻電阻曲線基本相同,且在3 500 Hz左右的標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)大于測(cè)試誤差,因此可以認(rèn)為在進(jìn)行變壓器繞組材質(zhì)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí),掃頻電阻測(cè)試系統(tǒng)具有良好的測(cè)試重復(fù)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(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)結(jié)果產(chǎn)生影響,需要做進(jìn)一步分析。對(duì)于一般的繞組變形故障,可以通過(guò)短路阻抗法進(jìn)行判斷,即認(rèn)為變壓器繞組產(chǎn)生變形故障后,50 Hz短路阻抗值會(huì)有較為明顯的偏差。因此進(jìn)一步使用定義法測(cè)量基頻時(shí)測(cè)試回路的交流電阻,以驗(yàn)證掃頻電阻測(cè)試系統(tǒng)在50 Hz時(shí)的測(cè)量準(zhǔn)確性,從而更為準(zhǔn)確地對(duì)繞組變形故障進(jìn)行排除。用定義法測(cè)量時(shí),首先采用50 Hz工頻電源對(duì)2.1節(jié)中的測(cè)試回路進(jìn)行激勵(lì),之后利用高精度電能質(zhì)量分析儀測(cè)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(shí)測(cè)得的電阻和感抗值,計(jì)算得到等效短路阻抗值。對(duì)兩種方式測(cè)得的等效短路阻抗值進(jìn)行比較,如表3所示。

表3 兩種方法測(cè)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(jìn)行測(cè)試和使用掃頻阻抗測(cè)試設(shè)備測(cè)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(yàn)證了文中所提設(shè)備在基頻下測(cè)試的準(zhǔn)確性。因此,可以利用該設(shè)備在50 Hz時(shí)測(cè)得的阻抗值來(lái)排除變壓器繞組變形故障對(duì)繞組辨識(shí)結(jié)果的影響。

3.3 短路線具對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

文中的實(shí)驗(yàn)測(cè)試回路需要對(duì)變壓器二次側(cè)進(jìn)行短接,短接線及其夾具會(huì)給測(cè)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(dá)50 cm,在進(jìn)行高頻測(cè)試時(shí)引入的誤差較大。為探究短路接線及其夾具對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度,文中使用四條不同的短路線對(duì)同一臺(tái)變壓器進(jìn)行掃頻電阻測(cè)試,選取測(cè)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(cè)試結(jié)果Fig.13 Test results of sweep resistance under different short circuit lines

通過(guò)圖13及其數(shù)據(jù)可知,當(dāng)頻率大于3 500 Hz以后,不同短路線將會(huì)產(chǎn)生較為明顯的差距,5 000 Hz時(shí),誤差達(dá)到20 Ω。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),50 Hz下不同短路線的測(cè)量結(jié)果也會(huì)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(lái)的接觸電阻引起的誤差。因此實(shí)際測(cè)試中,需要先測(cè)量得到短路線及其夾具的掃頻電阻曲線,之后在后續(xù)測(cè)量中減去由短路線和夾具所帶來(lái)的誤差。

3.4 多臺(tái)銅變壓器數(shù)據(jù)測(cè)試

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

圖14 5臺(tái)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(tái)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(duì)于相同繞組材質(zhì)的變壓器,其諧波電阻曲線也會(huì)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(shí),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(yuǎn)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(cè)試曲線的分散性誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較小。另外,在測(cè)試時(shí)選取較高的頻率能夠使銅鋁之間的諧波電阻差異遠(yuǎn)大于工藝結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)試結(jié)果引入的誤差。因此在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)鋁繞組變壓器的實(shí)際曲線來(lái)對(duì)辨識(shí)方案進(jìn)行優(yōu)化。

4 掃頻阻抗法的實(shí)際應(yīng)用

4.1 實(shí)驗(yàn)流程及數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的性能及銅變壓器的測(cè)試曲線進(jìn)行了分析,為驗(yàn)證掃頻電阻測(cè)試設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的辨識(shí)可靠性,使用掃頻設(shè)備測(cè)試多種銅繞組變壓器建立變壓器數(shù)據(jù)庫(kù),并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立辨識(shí)依據(jù)及辨識(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

考慮到不同損耗標(biāo)準(zhǔn)的變壓器在高頻激勵(lì)下的諧波電阻會(huì)有差異,對(duì)同一容量,不同損耗等級(jí)的變壓器分開(kāi)建立數(shù)據(jù)庫(kù)。首先采用正態(tài)分布對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分布?xì)w類,剔除誤差等情況引起的無(wú)效測(cè)試數(shù)據(jù)后建立有效數(shù)據(jù)集合,針對(duì)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(shí)依據(jù)。實(shí)際的檢測(cè)流程如圖16所示,檢測(cè)時(shí),軟件在采集到測(cè)試數(shù)據(jù)以后,會(huì)在自動(dòng)減去短路線引入的測(cè)試誤差后,將數(shù)據(jù)同數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比后,保存數(shù)據(jù)并返回對(duì)比結(jié)果。

圖16 實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程Fig.16 Experimental test process

考慮到在實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)中會(huì)存在測(cè)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(duì)銅變數(shù)據(jù)閾值選取裕度系數(shù)kc=1.2作為判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試,即當(dāng)測(cè)試變壓器數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)銅變壓器掃頻電阻數(shù)據(jù)kc倍時(shí),認(rèn)為測(cè)試變壓器疑似鋁繞組變壓器。

4.2 干式變壓器的測(cè)試

選取8臺(tái)S13型10 kV干式變壓器進(jìn)行實(shí)測(cè),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(shí)驗(yàn)測(cè)試的8臺(tái)變壓器均為Dyn11聯(lián)結(jié)組模式,其容量為630 kVA。實(shí)驗(yàn)測(cè)試前,將8臺(tái)變壓器分接頭均調(diào)至10/0.4檔位,即額定電壓處。經(jīng)過(guò)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)有5臺(tái)變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)落在了銅變壓器范圍內(nèi),3臺(tái)變壓器數(shù)據(jù)落在銅變壓器范圍外,測(cè)試結(jié)果如表4所示。

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

編號(hào)2～6的變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)的測(cè)試數(shù)據(jù)落在銅變壓器標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)內(nèi),可基本判斷為銅繞組變壓器。對(duì)編號(hào)1、7、8的3臺(tái)變壓器做進(jìn)一步探測(cè),確認(rèn)3臺(tái)變壓器均為鋁繞組變壓器,驗(yàn)證了文中所述測(cè)試方法及測(cè)試設(shè)備的準(zhǔn)確性。

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

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

觀察這3臺(tái)變壓器的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),編號(hào)為1的鋁變壓器其繞組高度偏高,直徑偏小,符合常規(guī)認(rèn)識(shí)下的鋁繞組變壓器的外觀特性,編號(hào)為7和8的2臺(tái)鋁變壓器外觀尺寸則和銅變壓器無(wú)明顯差異,這是由于不同廠家在生產(chǎn)鋁代銅變壓器時(shí)的制作工藝及材料價(jià)格等所引起的,因而單從外觀來(lái)進(jìn)行變壓器繞組材質(zhì)識(shí)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(dǎo)體的截面積或減少鋁導(dǎo)體的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)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(dǎo)體長(zhǎng)度會(huì)對(duì)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(cè)試值依舊大于銅導(dǎo)體。

另外,從測(cè)試結(jié)果可以看出,鋁繞組變壓器的諧波電阻值遠(yuǎn)大于本文所建立的銅繞組變壓器標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)所選取的數(shù)據(jù)閾值,進(jìn)一步驗(yàn)證了文中所述判別方法的可行性。

4.3 油浸式變壓器的測(cè)試

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

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

從測(cè)試結(jié)果可以看出,該組中有30臺(tái)變壓器測(cè)試曲線位于銅變閾值范圍內(nèi),2臺(tái)變壓器測(cè)試曲線位于銅變閾值范圍外。2臺(tái)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中所述方法對(duì)油浸式變壓器進(jìn)行檢測(cè)可行性。

5 結(jié)論

提出了一種新型變壓器繞組材質(zhì)檢測(cè)方案——基于平衡電橋的掃頻電阻法,并利用實(shí)測(cè)結(jié)合理論分析,研究了該檢測(cè)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(shí),需要在更高頻率下依據(jù)不同材質(zhì)導(dǎo)體趨膚深度不同的特性來(lái)進(jìn)行辨識(shí),但由于分布參數(shù)的影響,頻率的選擇不宜過(guò)高,在5 000 Hz以內(nèi)為佳。

(2)掃頻電阻法具有良好的測(cè)試重復(fù)性和測(cè)試效率,其在相同測(cè)試環(huán)境下對(duì)同一臺(tái)變壓器連續(xù)7 d的測(cè)試偏差值小于1 Ω,且其較小的設(shè)備體積和較快的測(cè)試速度實(shí)現(xiàn)了在原位無(wú)損的情況下對(duì)變壓器進(jìn)行檢測(cè)。

(3)較長(zhǎng)的短路線的諧波電阻對(duì)變壓器測(cè)試數(shù)據(jù)有一定影響,在實(shí)際測(cè)試時(shí)可以將短路線引入的誤差進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試排除。

(4)不同的分接頭和不同的損耗等級(jí)對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響,在實(shí)際測(cè)試中可以對(duì)不同分接頭和損耗等級(jí)的變壓器分開(kāi)建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。

(5)分別選擇了干式變壓器和油浸式變壓器進(jìn)行測(cè)試,測(cè)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(shí)別鋁繞組變壓器,辨識(shí)效果明顯。