助磁法接線方式對(duì)變壓器直阻測(cè)試的影響

徐 鵬， 董正杰， 譚婷月，曹雅榕， 陳弘揚(yáng)

( 1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 210006;2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

通過(guò)測(cè)試變壓器繞組的直流電阻，計(jì)算繞組間直流電阻的不平衡率，可以比較直觀地反映繞組的焊接質(zhì)量、有無(wú)匝間短路等情況[1-3]，是變壓器交接、預(yù)試等工作中必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目[4-5]。

隨著變壓器電壓等級(jí)的不斷提高，容量不斷增大，其繞組電感不斷增大，測(cè)試直流電阻時(shí)充電時(shí)間也越長(zhǎng)，這就給直流電阻的測(cè)試帶來(lái)了極大的困難[6-7]。為了縮短測(cè)試時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大型變壓器低壓繞組直阻進(jìn)行測(cè)試時(shí)多采用助磁法。由于大型變壓器鐵心多采用磁化特性很硬的冷軋鋼硅鋼片，測(cè)試完某一相繞組直流電阻之后剩磁現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)其他繞組的測(cè)試會(huì)產(chǎn)生一定影響[1，8]。

文章對(duì)比了利用助磁法對(duì)變壓器低壓繞組直流電阻進(jìn)行測(cè)試時(shí)不同接線方式下鐵心中的剩磁方向，分析了不同接線方式下鐵心中磁通變化絕對(duì)值的大小，選擇了一種比較理想的接線方式。與其他接線方式相比，該接線方式可以縮短測(cè)試時(shí)間，并在某500 kV變電站主變低壓繞組直阻測(cè)試時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 常規(guī)法測(cè)試原理

變壓器繞組是一個(gè)電感性元件，其電感較大而電阻相對(duì)較小[3，9]，當(dāng)直流電源加在繞組后有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，可以將其等效為圖1所示的基本電路。當(dāng)直流電壓U加在被測(cè)試?yán)@組時(shí)，因電感中的電流不能突變，直流電源接通瞬間回路電壓方程為：

(1)

圖1 變壓器繞組直流電阻測(cè)試原理等效圖Fig.1 The equivalent diagram of winding DC resistance testing of transformer

繞組中的直流電流i為：

(2)

式中：τ為時(shí)間常數(shù)，τ=L/R。

大型變壓器的電感高達(dá)幾百甚至幾千亨，電阻只有幾毫歐至幾歐。因此，大型變壓器繞組直流回路的穩(wěn)定時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)十分鐘甚至更長(zhǎng)，充電時(shí)間與充電電流的關(guān)系見(jiàn)下表1。

表1 充電時(shí)間與充電電流的關(guān)系Tab.1 The relationship between charging time and charging current

對(duì)于該一階動(dòng)態(tài)電路，在實(shí)際試驗(yàn)中一般需要至少5τ的時(shí)間才能保證測(cè)試結(jié)果的有效性，因此縮短測(cè)量時(shí)間對(duì)測(cè)試工作有著重要意義[1，10-11]。由時(shí)間常數(shù)τ=L/R可知，縮短時(shí)間可以通過(guò)增大電阻或者減小電感來(lái)實(shí)現(xiàn)。在回路中串入輔助電阻，雖然可以減小時(shí)間常數(shù)τ，但是電阻的引入需要提高電源容量[12]，所以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試多采用減少電感的方法。

電感可由式(3)表示：

(3)

式中：μ0為真空導(dǎo)磁率；N為繞組匝數(shù)；s為鐵心截面；l為鐵心回路長(zhǎng)度；k為導(dǎo)磁系數(shù)。對(duì)于被試變壓器，N，l，s都是不變的。

隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，鐵心磁通密度趨于飽和，導(dǎo)磁系數(shù)k下降，電感也就隨之減小。由H=NI/L可知，當(dāng)匝數(shù)N保持不變時(shí)，要增大磁場(chǎng)強(qiáng)度H，就要增大I，也就是提高測(cè)試電流才能有效地減小電感，但是長(zhǎng)時(shí)間的大電流測(cè)試會(huì)造成儀器發(fā)熱嚴(yán)重，所以為了加速磁密飽和，常采用助磁法迫使鐵心迅速趨于飽和，減小回路電感。

2 助磁法測(cè)試原理

助磁法測(cè)試變壓器低壓繞組直流電阻(Y/△接法)的常規(guī)接線方式如圖2所示，將高、低壓繞組串聯(lián)，然后施加相應(yīng)的充電電流和電壓激勵(lì)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，同一鐵心柱上高、低壓繞組的電流方向必須一致才能起到助磁作用，即利用高壓繞組產(chǎn)生同相位、同極性的磁通對(duì)低壓繞組助磁，使鐵心快速飽和，否則高、低壓繞組產(chǎn)生的磁通相抵消，影響測(cè)量的速度和精度。

圖2 助磁法測(cè)試低壓繞組直流電阻的常規(guī)接線方式Fig.2 The convention wiring of low-voltage winding DCresistance testing based on magnetic circuit method

由于高壓繞組的匝數(shù)遠(yuǎn)多于低壓繞組，借助于高壓繞組的勵(lì)磁安匝數(shù)，其磁勢(shì)增加明顯，用較小的電流就可使鐵心飽和，使低壓繞組電感快速減小，從而達(dá)到快速測(cè)試的目的[13-15]。

以測(cè)試ab為例，設(shè)高壓繞組B相中電流為I，則低壓繞組b相中的電流為2/3I，設(shè)高、低壓繞組的匝數(shù)分別為N1，N2，則相應(yīng)磁勢(shì)分別為IN1和2/3IN2，由于高低壓繞組串聯(lián)，鐵心助磁效果加深。引出a、b端子接測(cè)試電壓Uab，由于高壓側(cè)的助磁作用，短時(shí)間就可以讀數(shù)。由公式Rab=Uab/I可計(jì)算Rab，同樣的方法依次得到Rbc，Rac。

3 接線方式的選擇

鐵心的磁化過(guò)程呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象，在測(cè)量大型變壓器直流電阻時(shí)，繞組中的充電電流切除后，鐵心中將存在剩磁，剩磁會(huì)對(duì)其他繞組的測(cè)試過(guò)程產(chǎn)生影響。例如，采用助磁法對(duì)變壓器低壓側(cè)繞組直流電阻進(jìn)行測(cè)試時(shí)，10 min后讀數(shù)基本穩(wěn)定，然后改變電源極性，則數(shù)倍于原測(cè)試時(shí)間后讀數(shù)還不能穩(wěn)定，可見(jiàn)剩磁影響的嚴(yán)重性[16-17]。因此選擇合適的接線方式，在測(cè)試完一相繞組之后，可以利用鐵心中的剩磁對(duì)其他繞組的測(cè)試進(jìn)行助磁，而不是先將鐵心中的剩磁去磁后再充磁，這樣一來(lái)可以在一定程度上縮短測(cè)試時(shí)間。

目前大部分文獻(xiàn)中助磁法測(cè)試變壓器低壓側(cè)繞組直流電阻時(shí)所用的接線方式如圖2所示，采用這種常規(guī)的接線方式時(shí)，鐵心中的剩磁方向如圖3所示。

圖3 常規(guī)接線方式下鐵心中的剩磁方向Fig.3 The remaining magnetic direction in the core of convention wiring mode

鐵心中磁通變化絕對(duì)值|ΔΦ|越大，所需測(cè)試時(shí)間也越長(zhǎng)。按照?qǐng)D2的接線方式測(cè)試Rac時(shí)，鐵心中A相為主磁路，B、C相為分支磁路，定義上為正方向，則三相磁通分別為-Φ，1/2Φ，1/2Φ；測(cè)試Rbc時(shí)，C相為主磁路，A、B相為分支磁路，三相的磁通分別為1/2Φ，1/2Φ，-Φ；測(cè)試Rab時(shí)，B相為主磁路，A、C相為分支磁路，三相磁通分別為-1/2Φ，Φ，-1/2Φ，磁通變化絕對(duì)值見(jiàn)表2。采用常規(guī)接線方式測(cè)試完所有低壓繞組直流電阻，總|ΔΦ|為5Φ。

表2 常規(guī)接線方式下磁通變化絕對(duì)值Tab.2 The absolute value of flux variation in convention wiring

當(dāng)采用如圖4所示的接線方式時(shí)，定義其為接線方式1，鐵心中的剩磁方向如圖5所示。

圖4 接線方式1Fig.4 Wiring mode 1

圖5 接線方式1時(shí)鐵心的剩磁方向Fig.5 The remaining magnetic direction in the core of wiring mode 1

測(cè)試Rac時(shí)，鐵心中A相為主磁路，B、C相為分支磁路，三相磁通分別為-Φ，1/2Φ，1/2Φ；測(cè)試Rbc時(shí)，C相為主磁路，A、B相為分支磁路，三相磁通分別為1/2Φ，1/2Φ，-Φ；測(cè)試Rab時(shí)，B相為主磁路，A、C相為分支磁路，三相磁通分別為1/2Φ，-Φ，1/2Φ，磁通變化絕對(duì)值見(jiàn)下表3。按照接線方式1測(cè)試完所有低壓繞組直流電阻，總|ΔΦ|為6Φ。

表3 接線方式1時(shí)磁通變化絕對(duì)值Tab.3 The absolute value of flux variation in wiring 1

當(dāng)采用如圖6所示的接線方式時(shí)，定義其為接線方式2，鐵心中的剩磁方向如圖7所示。

圖6 接線方式2Fig.6 Wiring mode 2

圖7 接線方式2時(shí)鐵心的剩磁方向Fig.7 The remaining magnetic direction in the core of wiring mode 2

測(cè)試Rac時(shí)，鐵心中A相為主磁路，B、C相為分支磁路，三相磁通分別為-Φ，1/2Φ，1/2Φ；測(cè)試Rbc時(shí)，C相為主磁路，A、B相為分支磁路，三相磁通分別為-1/2Φ，-1/2Φ，Φ；測(cè)試Rab時(shí)，B相為主磁路，A、C相為分支磁路，三相磁通分別為1/2Φ，-Φ，1/2Φ，磁通變化絕對(duì)值見(jiàn)表4。按照接線方式2測(cè)試完所有低壓繞組直流電阻，總|ΔΦ|為4Φ。

表4 接線方式2時(shí)磁通變化絕對(duì)值Tab.4 The absolute value of flux variation in wiring 2

當(dāng)采用如圖8所示的接線方式時(shí)，定義其為接線方式3，鐵心中的剩磁方向如圖9所示。

圖8 接線方式3Fig.8 Wiring mode 3

圖9 接線方式3時(shí)鐵心的剩磁方向Fig.9 The remaining magnetic direction in the core of wiring mode 3

測(cè)試Rac時(shí)，鐵心中A相為主磁路，B、C相為分支磁路，三相磁通分別為-Φ，1/2Φ，1/2Φ；測(cè)試Rbc時(shí)，C相為主磁路，A、B相為分支磁路，三相磁通分別為-1/2Φ，-1/2Φ，Φ；測(cè)試Rab時(shí)，B相為主磁路，A、C相為分支磁路，三相磁通分別為-1/2Φ，Φ，-1/2Φ，磁通變化絕對(duì)值見(jiàn)表5。按照接線方式3測(cè)試完所有低壓繞組直流電阻，總|ΔΦ|為5Φ。

表5 接線方式3時(shí)磁通變化絕對(duì)值Tab.5 The absolute value of flux variation in wiring 3

由表2—5可發(fā)現(xiàn)，采用接線方式2測(cè)試完低壓側(cè)所有繞組直流電阻總磁通變化絕對(duì)值最小。

4 對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)某500 kV變電站2號(hào)主變低壓繞組直流電阻進(jìn)行測(cè)試，該主變額定容量為750/750/240 MV·A，聯(lián)接組標(biāo)號(hào)為YNyn0d11，額定電壓為520/236(1±2×2.5%)/36 kV，測(cè)試儀器為HDBZ-333Ⅱ型三通道直流電阻測(cè)試儀。試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試完某一相繞組之后不去磁，變更試驗(yàn)接線繼續(xù)測(cè)試另一相，直到低壓繞組全部測(cè)試完畢后進(jìn)行去磁，去磁時(shí)采用ZLQC-Ⅱ型變壓器消磁儀，主變?nèi)ゴ磐戤呏蟾鼡Q助磁法的另一種接線方式對(duì)低壓繞組進(jìn)行測(cè)試，最終4種接線方式的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6—9。

表6 常規(guī)接線方式的測(cè)試結(jié)果Tab.6 The testing result of convention wiring mode

表7 接線方式1的測(cè)試結(jié)果Tab.7 The testing result of wiring mode 1

表8 接線方式2的測(cè)試結(jié)果Tab.8 The testing result of wiring mode 2

表9 接線方式3的測(cè)試結(jié)果Tab.9 The testing result of wiring mode 3

由上表可見(jiàn)采用常規(guī)接線方式以及接線方式1、2、3測(cè)試完低壓側(cè)所有繞組所需的測(cè)試時(shí)間依次為105 min，116 min，95 min，107 min。采用接線方式2所需的測(cè)試時(shí)間最短，比常規(guī)接線方式節(jié)省時(shí)間約10 min，在測(cè)試bc相時(shí)效果尤為明顯。將測(cè)試結(jié)果與出廠值對(duì)比，三相直流電阻的誤差都在1%以內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

助磁法是測(cè)試大型變壓器低壓繞組直流電阻常用的方法之一，測(cè)試時(shí)不同的接線方式將會(huì)在鐵心中產(chǎn)生不同程度的剩磁，進(jìn)而影響繞組的測(cè)試時(shí)間。

本文分析了不同接線方式對(duì)鐵心中剩磁的影響，對(duì)比所有接線方式下鐵心中磁通變化絕對(duì)值的大小，選擇了一種比較理想的接線方式，即：依次測(cè)試Rac，Rbc，Rab，測(cè)試Rac時(shí)，所加的直流電流從高壓繞組A相流入，經(jīng)B、C相流出；測(cè)試Rbc時(shí)，電流從A、B相流入，經(jīng)C相流出；測(cè)試Rab時(shí)，電流從B相流入，經(jīng)A、C相流出，測(cè)試時(shí)低壓繞組施加電壓激勵(lì)產(chǎn)生的電流方向需與高壓繞組所加的充電電流方向一致。

與其他接線方式相比，該接線方式測(cè)試低壓繞組時(shí)鐵心中總磁通變化絕對(duì)值最小，可以在一定程度上縮短測(cè)試時(shí)間，是一種有效并值得在大型變壓器試驗(yàn)中推廣應(yīng)用的方法。