基于電測(cè)法的大型繞組類設(shè)備L/R同步測(cè)試研究*

張耀月，張宏偉，宋 燕

(1.廈門大學(xué)馬來(lái)西亞分校，福建 廈門 361005； 2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌 737100)

0 引 言

直流電阻和電感參數(shù)對(duì)變壓器、發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、電抗器等大電感設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)、全壽命周期管理等工作具有重要意義。通過(guò)直流電阻的測(cè)量，可以有效地反映繞組匝間短路、繞組斷股、分接開(kāi)關(guān)以及導(dǎo)線接頭接觸不良等故障，也是判斷三相繞組直流電阻是否平衡、調(diào)壓開(kāi)關(guān)檔位是否正確的有效手段[1-2]。通過(guò)測(cè)量電感，可以間接判斷繞組在遭受短路電流沖擊后的變形情況，以做為其能否繼續(xù)運(yùn)行的主要判斷依據(jù)。

目前，常用的繞組參數(shù)的測(cè)量方法多屬于靜態(tài)測(cè)量法，并且直流電阻和電感值不能做到同時(shí)測(cè)量。快速、準(zhǔn)確并實(shí)現(xiàn)電阻值和電感值的同步測(cè)量，是科研人員長(zhǎng)期研究和追求的目標(biāo)。文獻(xiàn)[3]利用有限元軟件ANSYS對(duì)電力變壓器鐵芯和繞組進(jìn)行建模，仿真計(jì)算漏電感參數(shù)[3]。文獻(xiàn)[4]用simulink對(duì)各種測(cè)量方法進(jìn)行仿真分析，并利用單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)直流電阻快速測(cè)量[4]。文獻(xiàn)[5]在分析、比較目前現(xiàn)存的各種測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，從基本的電路出發(fā)，推導(dǎo)出了一種在變壓器繞組的過(guò)渡過(guò)程中測(cè)量直流電阻的新方法[5]。文獻(xiàn)[6]針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法測(cè)量低壓側(cè)繞組直流電阻時(shí)的不足，綜合助磁法和全壓—恒流電源法，提出了基于這兩種方法的大型變壓器低壓側(cè)繞組直流電阻測(cè)量的新方法[6]。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于同一化原理和串聯(lián)附加電感的繞組參數(shù)測(cè)量方法[7]。文獻(xiàn)[8]使用有限元軟件在計(jì)算機(jī)或單片機(jī)上，對(duì)變壓器電磁特性分析及漏電感參數(shù)計(jì)算，在測(cè)量回路中串聯(lián)一個(gè)已知電感和電阻，進(jìn)行兩次采樣計(jì)算出大電感和電阻值。該方法在單片機(jī)的仿真軟件Proteus中得到驗(yàn)證[8]。

為了實(shí)現(xiàn)變壓器等設(shè)備繞組的L/R參數(shù)快速檢測(cè)，本文提出了基于電測(cè)法的L/R同步測(cè)量技術(shù)，可直接準(zhǔn)確測(cè)得繞組的電感L和電阻R值，用測(cè)值和初值差對(duì)繞組絕緣狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)。

1 傳統(tǒng)的測(cè)量方法

1.1 直流電阻的測(cè)量

直流電阻測(cè)試是變壓器等設(shè)備在交接、大修和改變分接開(kāi)關(guān)后必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目，也是故障后的重要檢查項(xiàng)目[9-10]。

直流電阻測(cè)量原理如圖1所示，當(dāng)直流電壓EN加于被測(cè)繞組兩端，直流電源剛接通的瞬間，由于電感中的電流不能突變，所以電感L中的電流為零，即iL=0時(shí)。因此，電阻R上的壓降UR=0，此時(shí)外施電壓全部加在電感L兩端，即UL=EN。

圖1 直流電阻測(cè)量原理圖

測(cè)量回路(忽略回路引線電阻)的過(guò)渡過(guò)程應(yīng)滿足：

(1)

電路達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間的長(zhǎng)短，取決于時(shí)間常數(shù)τ的大小，即τ越大，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)，反之，則時(shí)間越短。由于大型變壓器的τ值比小變壓器的大得多，所以大型變壓器達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)?；芈分须娏鱥為：

(2)

直流電阻的測(cè)量方法很多，基本的方法主要有直流壓降法和平衡電橋法[11]。改進(jìn)的方法有變阻快充法[12]、增壓快充法、恒流源快充法[13-14]、磁通泵法[15]、短路去磁法[16]等。

(1) 直流壓降法

直流壓降法又稱電流電壓表法。壓降法的測(cè)量原理是在被測(cè)繞組中通以直流電流，通過(guò)測(cè)量流過(guò)繞組的電流及繞組上的電壓降，根據(jù)歐姆定律，即可算出繞組的直流電阻。

(2) 平衡電橋法

應(yīng)用電橋平衡的原理來(lái)測(cè)量繞組直流電阻的方法稱為電橋法。用電橋法測(cè)量時(shí)，常采用單臂電橋法和雙臂電橋等專門的儀器。被測(cè)電阻10 Ω以上時(shí)采用單臂電橋，被測(cè)電阻1 Ω及以下時(shí)采用雙臂電橋。

用電橋測(cè)量繞組電感時(shí)，由于電感值較大，同樣需等充電電流穩(wěn)定后，開(kāi)始正式測(cè)量。隨著變壓器容量的增大，測(cè)試?yán)@組直流電阻的電流達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間達(dá)數(shù)小時(shí)甚至更長(zhǎng)，不僅時(shí)間長(zhǎng)，而且還不能保證測(cè)量準(zhǔn)確。

(3) 微機(jī)輔助測(cè)量法

計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量(數(shù)字式直流電阻測(cè)量?jī)x)用于直流電阻測(cè)量，尤其是測(cè)量帶有電感的線圈電阻，整個(gè)測(cè)試過(guò)程由軟件控制，自動(dòng)完成自檢、過(guò)渡過(guò)程判斷、數(shù)據(jù)采集及分析，它與傳統(tǒng)測(cè)試方法比較，具有完善的反電勢(shì)保護(hù)功能和現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確。

1.2 電感的測(cè)量

變壓器繞組的許多絕緣故障主要是由于機(jī)械損傷造成的。在遭受故障短路電流沖擊后，繞組失去穩(wěn)定性，發(fā)生局部扭曲、鼓包或移位等永久變形現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將直接造成突發(fā)性損壞。即使沒(méi)有立即損壞，很多情況也會(huì)給設(shè)備留下嚴(yán)重隱患[17]。

繞組電感的測(cè)量方法一般是在電感性繞組兩端并接交流電源，通過(guò)測(cè)量電路電流、繞組兩端電壓的有效值以及繞組消耗的功率，計(jì)算出繞組阻抗模值Z和電阻R，進(jìn)而計(jì)算出電抗值X和電感值L。

目前，國(guó)內(nèi)外提出并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的繞組變形診斷方法對(duì)于繞組變形程度的描述尚未量化。由于變壓器阻抗中的電感分量與繞組幾何尺寸及相對(duì)位置有關(guān)，通過(guò)在線檢測(cè)變壓器短路電抗變化來(lái)分析繞組健康狀況的技術(shù)正逐漸得到重視。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量研究成果表明，利用網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，通過(guò)測(cè)量變壓器各個(gè)繞組的傳遞函數(shù)H(jω)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行縱向或橫向(三相之間)比較，可靈敏、有效地診斷出繞組的扭曲、鼓包、移位等變形現(xiàn)象。因?yàn)楫?dāng)頻率超過(guò)l kHz時(shí)，鐵芯的作用可以忽略不計(jì)，每個(gè)繞組均可等效為一個(gè)由線性電阻、電感(互感)、電容元件組成的線性無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)，其特性在時(shí)域上可用單位沖激響應(yīng)h(t)，或在頻域上用傳遞函數(shù)H(jω)描述[18]，而H(jω)是h(t)的傅里葉變換。若忽略繞組的電阻，其繞組的等值網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)傳遞函數(shù)H(jω)對(duì)其特性進(jìn)行描述的。如果繞組發(fā)生變形，繞組內(nèi)部的分布電感、電容等參數(shù)必然改變，導(dǎo)致其等效網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)H(jω)的零點(diǎn)和極點(diǎn)分布發(fā)生變化，從而使網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化。

(1) 低壓脈沖法

低壓脈沖法(Low Voltage Impulse)簡(jiǎn)稱LVI法，波蘭的Lech和Tyminski于1966年提出了用低壓脈沖(LVI)法確定變壓器是否通過(guò)短路試驗(yàn)，現(xiàn)已被IEC及許多國(guó)家列入電力變壓器短路試驗(yàn)導(dǎo)則和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[19]。

LVI法是將一比較穩(wěn)定的低壓脈沖電壓信號(hào)(通常不超過(guò)300 V)施加于被測(cè)繞組的一端，同時(shí)記錄測(cè)量繞組兩端的對(duì)地電壓U和q(f)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。得到該繞組的脈沖響應(yīng)特性q(f)或傳遞函數(shù)H(jω)=UO(jω)/Ui(jω)。由于LVI法采用的是時(shí)域脈沖分析技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)較易受外界干擾和靈敏度校正過(guò)程的影響，需要使用一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)和精細(xì)調(diào)整的測(cè)試系統(tǒng)，以消除脈沖傳遞過(guò)程中的折反射問(wèn)題和脈沖信號(hào)源的不穩(wěn)定性問(wèn)題，故現(xiàn)場(chǎng)使用往往較難保證測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性。

(2) 頻率響應(yīng)分析法

為了克服LVI法的缺陷，加拿大的E.P.Dick和C.C.Erven于1978年提出了頻率響應(yīng)分析法(FRA法)[20]，并獲得了較廣泛的應(yīng)用。

FRA法是將一穩(wěn)定的正弦掃描電壓信號(hào)施加到被測(cè)繞組的一端，同時(shí)記錄該端和其它端點(diǎn)上的電壓幅值及相角，從而得到該被試?yán)@組的一組頻響特性，即傳遞函數(shù)H(jω)。通過(guò)對(duì)H(jω)中得到的激勵(lì)信號(hào)波形和響應(yīng)信號(hào)波形進(jìn)行分析，可以對(duì)繞組的狀態(tài)作出判斷。

變壓器繞組的頻率響應(yīng)特性通常在10～1 MHz的頻率范圍內(nèi)具有較多的諧振點(diǎn)。當(dāng)頻率低于10 kHz時(shí)，繞組的電感起主要作用，諧振點(diǎn)通常較少，對(duì)分布電容的變化較不敏感；而當(dāng)頻率超過(guò)lMHz時(shí)，繞組的電感又被分布電容所旁路，諧振點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)減少，對(duì)電感的變化較不敏感，而且隨著頻率的提高，測(cè)試回路(引線)的雜散電容也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成一定影響。因此，選用10～1 MHz的掃頻測(cè)量范圍和1000個(gè)左右的線性分布掃描頻點(diǎn)通常會(huì)獲得較好的測(cè)試效果。此時(shí)，繞組內(nèi)部的分布電感和電容均發(fā)揮作用，其頻率響應(yīng)特性具有較多的諧振點(diǎn)，能夠靈敏地反映出繞組電感、電容的變化情況。頻率響應(yīng)法測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 繞組頻響法測(cè)量原理圖

(3) 阻抗法

阻抗法是通過(guò)測(cè)量工頻電壓下繞組的短路阻抗或漏抗來(lái)反映繞組的變形、移位及匝間開(kāi)路和短路等缺陷。漏抗實(shí)質(zhì)上是散布在繞組與繞組之間，繞組內(nèi)部及繞組與油箱之間的漏磁通形成的感應(yīng)磁勢(shì)的反映，因此對(duì)漏磁磁路的變化比較靈敏；短路阻抗則是漏抗和繞組電阻的平方和開(kāi)方。由于一般大型變壓器繞組電阻比漏抗要小很多，因此阻抗可以反映漏抗的變化，而且，測(cè)量阻抗比測(cè)漏抗易于實(shí)現(xiàn)。阻抗法測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 阻抗法測(cè)量原理圖

2 L/R同步測(cè)量

2.1 測(cè)量原理

傳統(tǒng)測(cè)量方法主要存在儀器通用性差、測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問(wèn)題，針對(duì)上述問(wèn)題，本文應(yīng)用繞組的等效電路，依據(jù)LR串聯(lián)回路充放電的過(guò)程控制和檢測(cè)原理，采用同步檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型繞組類設(shè)備的電感值和電阻值的快速、直接測(cè)量。

測(cè)試原理如圖4所示。

圖4 L/R同步測(cè)試原理圖

測(cè)量主電路由測(cè)量電路和時(shí)鐘電路兩部分組成，測(cè)量電路中接入標(biāo)準(zhǔn)電阻R0，與待測(cè)電阻Rx串聯(lián)組成測(cè)量回路。待測(cè)繞組Zx與主電路兩端相連接。

測(cè)試時(shí)，單片機(jī)給主電路發(fā)出控制信號(hào)K，并同步開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)計(jì)時(shí)到t1=60 s時(shí)，產(chǎn)生第一個(gè)采樣控制信號(hào)K1并保持，得到電壓Ut1。當(dāng)計(jì)時(shí)到t2=120 s時(shí)，產(chǎn)生第二個(gè)采樣控制信號(hào)K2并保持，得到電壓Ut2。由電壓Ut1和Ut2經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，計(jì)算出被測(cè)繞組Zx的電感L和電阻Rx。

在電源U、標(biāo)準(zhǔn)電阻R0、待測(cè)繞組Zx(Rx和L)組成的測(cè)量電路中，電流Ix滿足以下方程式：

(3)

解方程(3)，得：

(4)

當(dāng)a=t1/t2=1/2時(shí)

(5)

代入Ia、Ib和U的值，由公式(5)算出R值，再由Rx=R-R0算出Rx值。

根據(jù)(2)式，推出：

(6)

代入t1、U、Ia和已經(jīng)求得的R值，由(6)式算出τ值，根據(jù)L=τR算出L值。

2.2 結(jié)果運(yùn)用

按照相關(guān)規(guī)程規(guī)定，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)LR同步檢測(cè)判斷缺陷的注意值進(jìn)行初步確定。具體如表1所示。

表1 直流電阻和電感測(cè)量值的注意值范圍

3 實(shí)測(cè)分析

本次測(cè)試選取2臺(tái)不同變電站、型號(hào)、參數(shù)接近的變壓器測(cè)試，對(duì)L/R同步測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3.1 L/R同步測(cè)試結(jié)果

采用L/R同步測(cè)試技術(shù)，分別對(duì)2臺(tái)被測(cè)變壓器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3和表4所示。

3.2 傳統(tǒng)方法測(cè)試結(jié)果

采用JYR-20(S)直流測(cè)試儀對(duì)2臺(tái)被測(cè)變壓器直流電阻進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表5和表6所示。

表2 測(cè)試變壓器參數(shù)

表3 1號(hào)變壓器測(cè)試結(jié)果

表4 2號(hào)變壓器測(cè)試結(jié)果

表5 1號(hào)變壓器直流電阻測(cè)試結(jié)果

中壓側(cè)低壓側(cè)檔位AmOmBmOmCmOm30.046 210.046 610.046 801.26檔位abbcca/0.009 6160.009 6860.009 6360.82結(jié)論合格

表6 2號(hào)變壓器直流電阻測(cè)試結(jié)果

3.4 靈敏度分析

(1) 直流電阻測(cè)值比對(duì)

用L/R同步測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)方法測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表7所示。

表7 直流電阻測(cè)試結(jié)果對(duì)比

對(duì)以上測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，結(jié)果基本相同，測(cè)量誤差較小。

(2) 電感量測(cè)值比較

用L/R同步測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)方法測(cè)量結(jié)果對(duì)比如表8所示。

對(duì)以上測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較，同型號(hào)、同廠家繞組電感值接近，測(cè)量誤差較小。

表8 電感測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

L/R同步測(cè)試技術(shù)，在不外接任何附加器件的情況下，通過(guò)恒流源對(duì)被測(cè)繞組充電，利用充放電過(guò)程控制，記錄兩個(gè)時(shí)刻的電流值，通過(guò)求解微分方程式，測(cè)出被測(cè)繞組的電阻R和電感L值，與高精度電阻測(cè)量?jī)x和電感測(cè)量?jī)x的結(jié)果相比，誤差小于1%，測(cè)量精度和范圍符合要求[21-22]。

L/R同步測(cè)試技術(shù)，用測(cè)值和初值差分析、判斷、評(píng)價(jià)繞組的絕緣狀態(tài)，對(duì)繞組的絕緣情況進(jìn)行綜合診斷，及時(shí)判定出運(yùn)行狀態(tài)和缺陷情況。為設(shè)備故障診斷提供新的方法和途徑，提高了檢測(cè)和故障診斷的效率，并應(yīng)用到設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)和全周期壽命管理中，為大型變壓器絕緣性能預(yù)防性試驗(yàn)提供了新的手段和方法。