變壓器入口電容測(cè)量方法探析

黃炫磊 馬 斌 張冠軍 王 強(qiáng) 張嘉楠

（1.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071050；2.河北省輸變電裝備電磁與結(jié)構(gòu)性能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071050）

0 引言

在變電站防雷保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要主要電氣設(shè)備的入口電容參數(shù)，目前多數(shù)電力設(shè)備的入口電容參數(shù)很多情況下是通過能量等效法計(jì)算或估算得來的。但是對(duì)電力變壓器來講，由于不同類型變壓器線圈結(jié)構(gòu)不同，雷電波入侵絕緣耐受狀態(tài)也不同，因此，入侵雷電波波前作用時(shí)間會(huì)影響等效電容計(jì)算值。能量等效計(jì)算法的前提是線圈在雷電波作用下越接近理想電容分布越準(zhǔn)確，一旦出現(xiàn)雷電波較陡，作用時(shí)間不同會(huì)導(dǎo)致線圈內(nèi)產(chǎn)生感性電流，感性電流引起的波形振蕩較大，就無法通過該方法進(jìn)行計(jì)算，通過測(cè)量的方式得出變壓器產(chǎn)品實(shí)際的入口電容值成為一種有效可行的手段。

設(shè)計(jì)變壓器端部絕緣耐壓能力時(shí)也需要考慮影響起始電壓分布的首端開口電容值。精準(zhǔn)的變壓器入口電容測(cè)量不僅能對(duì)變電站防雷保護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的入口電容參數(shù)，而且對(duì)變壓器絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也有重要的意義。

1 測(cè)量方法

電力變壓器運(yùn)行時(shí)回路上雷擊過電壓頻率一般在200kH~600kH，在這樣的高頻下，變壓器入口電容的等效電容與變壓器絕緣結(jié)構(gòu)電容值有本質(zhì)的區(qū)別。因此變壓器入口電容測(cè)量的試驗(yàn)源必須是高頻信號(hào)，測(cè)量結(jié)果才能更接近實(shí)際的入口電容值。目前常用的測(cè)量方法有兩種：方波脈沖信號(hào)法和沖擊脈沖信號(hào)法。

1.1 方波脈沖信號(hào)法

方波脈沖信號(hào)法是利用方波脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)進(jìn)行入口電容值測(cè)量，從被試?yán)@組套管首端注入高頻方波信號(hào)，等效回路圖如圖1所示。

圖1中C為變壓器入口電容，C為高壓高管電容，C為檢測(cè)阻抗單元電容，當(dāng)從變壓器套管端頭對(duì)地注入方波脈沖信號(hào)時(shí)，在C兩端產(chǎn)生脈沖電壓ΔU，其視在放電量為q，在ΔU作用下C兩端的脈沖電壓為e。當(dāng)從高壓套管端頭對(duì)套管測(cè)屏注入方波脈沖信號(hào)時(shí)，在兩端產(chǎn)生脈沖電壓ΔU，其視在放電量為q，在ΔU作用下C兩端的脈沖電壓為e，當(dāng)e=e時(shí)，圖1可以推導(dǎo)出變壓器入口電容，如圖1所示。

圖1 變壓器入口電容方波響應(yīng)法等效回路

式中：C為變壓器入口電容，C為高壓高管電容，q為方波信號(hào)從變壓器套管端頭對(duì)地注入方波信號(hào)時(shí)視在放電量，q為方波信號(hào)從變壓器套管端頭對(duì)測(cè)屏注入方波信號(hào)時(shí)視在放電量。

測(cè)量系統(tǒng)由脈沖峰值表、檢測(cè)阻抗單元、測(cè)量電纜和方波脈沖信號(hào)發(fā)生器組成。

現(xiàn)在局部放電測(cè)試儀都自帶脈沖峰值表，因此可以利用實(shí)驗(yàn)室的局部放電測(cè)試儀代替脈沖峰值表。檢測(cè)阻抗單元通常是一個(gè)有源或者無源的二端口網(wǎng)絡(luò)，其主要作用是把輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，然后通過信號(hào)傳輸系統(tǒng)傳給測(cè)量?jī)x器，同時(shí)還可以對(duì)試驗(yàn)電壓及諧波的低頻信用予以抑制。方波脈沖信號(hào)發(fā)生器由階躍電壓脈沖發(fā)生器和電容串聯(lián)組成。

測(cè)量方法為先在變壓器被試?yán)@組線端與地之間注入已知電荷，讀取脈沖峰值表讀數(shù)，得到分度系數(shù)=/。保持分度系數(shù)不變，在套管與測(cè)屏之間注入等量電荷q=，讀取脈沖峰值表讀數(shù)，測(cè)得視在放電電荷q=。因?yàn)樘坠茈娙?span id="j5i0abt0b" class="emphasis_italic">C已知，因此代入式（1），即可求得方波脈沖信號(hào)法測(cè)量入口電容值。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不用額外購(gòu)置專用儀器設(shè)備也可以完成變壓器入口電容的測(cè)量。但是注入方波信號(hào)頻率一般在1000Hz以內(nèi)，因信號(hào)頻率遠(yuǎn)低于雷電波頻率，與雷電沖擊波作用下變壓器等效電容偏差較大一般在20%~30%。而且變壓器有些繞組引出套管是沒有測(cè)屏的，就無法使用該方法進(jìn)行測(cè)量。

1.2 沖擊脈沖信號(hào)法

沖擊脈沖信號(hào)法是利用沖擊脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的，從被試變壓器繞組套管首端注入沖擊脈沖信號(hào)，等效回路如圖2所示。

圖2 變壓器入口電容信號(hào)發(fā)生器法測(cè)量回路

根據(jù)圖2推導(dǎo)出，變壓器入口電容如公式（2）所示。

式中：C為變壓器入口電容，C為可調(diào)電容器電容，U為沖擊脈沖信號(hào)從變壓器套管端頭對(duì)地注入時(shí)可調(diào)電容器兩端電壓，U為沖擊脈沖信號(hào)從變壓器套管端頭對(duì)地注入時(shí)C兩端產(chǎn)生的脈沖電壓。

測(cè)量系統(tǒng)由脈沖信號(hào)發(fā)生器、可調(diào)電容和示波器組成。

測(cè)量方法，由公式（2）可知當(dāng)沖擊脈沖信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)電壓，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容C，用示波器2個(gè)通道測(cè)量電壓值，當(dāng)U=U=50%時(shí)，C=C，可調(diào)電容器電容值為變壓器入口電容值。

使用沖擊脈沖信號(hào)法測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是可通過調(diào)節(jié)沖擊脈沖信號(hào)發(fā)生器本身電容、電阻實(shí)現(xiàn)輸出標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形。輸出電壓很低，一般選擇100V的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，對(duì)變壓器被試?yán)@組無任何破壞。沖擊脈沖信號(hào)法測(cè)量可調(diào)電容和套管端頭電壓，即便是套管沒有測(cè)屏引出，仍然可以完成測(cè)量。測(cè)量使用的可調(diào)電容器精度很高，準(zhǔn)確度：10×1uF組+0.2%，10×01uF組 +0.2%，10×0.01μF組 +0.2%，10×0.001μF組 +0.5%，10×0.0001uF組 +2%，10×0.00001uF組+5%。

1.3 檢測(cè)時(shí)的干擾和抗干擾措施

方波脈沖信號(hào)法和沖擊脈沖信號(hào)法的測(cè)量電壓都很低，一般在100V以內(nèi)，屬于一種微量檢測(cè)，檢測(cè)環(huán)境中的各種干擾信號(hào)對(duì)檢測(cè)影響很大，因此無論在屏蔽良好的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還是工程現(xiàn)場(chǎng)，都會(huì)受到干擾影響。測(cè)量干擾的來源主要有無線電波、電力系統(tǒng)的載波信號(hào)、電焊作業(yè)、附近的高壓電場(chǎng)、電動(dòng)工具的使用、已經(jīng)供電網(wǎng)中整流設(shè)備的可控硅元件的開閉等。為了精準(zhǔn)地測(cè)量，常用降低干擾的措施是屏蔽、濾波和接地，即將試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)所有不參與試驗(yàn)的金屬部件牢靠接地，試驗(yàn)供電電源通過濾波器供電。沖擊脈沖信號(hào)法測(cè)量時(shí)需要將試驗(yàn)回路所有接地線通過絕緣支撐保證一點(diǎn)接地。

1.4 兩種測(cè)量方法應(yīng)用比較

為了驗(yàn)證方波脈沖信號(hào)法和沖擊脈沖信號(hào)法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的偏差，選擇在同樣的測(cè)量條件下測(cè)量一臺(tái)型號(hào)為DFP-250000/220的電力變壓器高壓繞組入口電容值，并將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)前確定變壓器狀態(tài)滿足測(cè)量條件，使用方波信號(hào)發(fā)生器由該變壓器高壓繞組A相首端對(duì)地注入方波電量500pC，頻率設(shè)置1000Hz，該變壓器高壓套管電容值285pF，將分度系數(shù)設(shè)為1，則在同樣分度系數(shù)為1的情況下，在首端與測(cè)屏之間接入方波信號(hào)，測(cè)得視在放電量為1750pC，調(diào)整方波信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)頻率500Hz，測(cè)得實(shí)在放電量也為1750pC，說明這兩個(gè)頻率測(cè)量結(jié)果偏差極小。

將變壓器套管值和測(cè)量的視野在放電量代入公式（1）可得該方法下測(cè)量該臺(tái)變壓入口電容為C=285×1750/500=998pF。

試驗(yàn)前確認(rèn)變壓器狀態(tài)滿足測(cè)量要求。使用沖擊信號(hào)發(fā)生器輸出電壓信號(hào)通過可調(diào)電容串聯(lián)接高壓A端頭，其余端子接地，調(diào)節(jié)沖擊信號(hào)發(fā)生器電容、電阻參數(shù)，使輸出脈沖波形波頭時(shí)間=0.9μs，波尾時(shí)間=45.0μs。用示波器通道1測(cè)得輸出電壓100V，將電容箱電容值從0開始調(diào)節(jié)調(diào)整至通道2波形電壓值50V，讀取此時(shí)電容箱電容值1300pF，即沖擊脈沖測(cè)量法測(cè)得該變壓器入口電容值1300pF。

通過比對(duì)可以發(fā)現(xiàn)方波脈沖信號(hào)法測(cè)量結(jié)果比沖擊信號(hào)測(cè)量法值偏差30%左右。

2 一種變壓器入口電容測(cè)量方法

通過分析比較發(fā)現(xiàn)沖擊脈沖信號(hào)發(fā)生器的試驗(yàn)接線回路與雷電沖擊試驗(yàn)接線回路一致，而且電壓信號(hào)產(chǎn)生原理近似，因此選擇由沖擊脈沖信號(hào)法測(cè)量得到的變壓器入口電容值更接近變壓器遭受雷電波入侵時(shí)的等效入口電容，根據(jù)該方法原理設(shè)計(jì)一種變壓器入口電容試驗(yàn)方法。變壓器入口電容試驗(yàn)是一種特殊試驗(yàn)，一般在技術(shù)協(xié)議中要求將測(cè)量值提供給用戶即可。

2.1 試驗(yàn)接線

一般在變壓器裝配后滿足試驗(yàn)條件，會(huì)按國(guó)標(biāo)要求順序進(jìn)行試驗(yàn)，因試驗(yàn)接線近似，入口電容測(cè)量試驗(yàn)一般在變壓器雷電沖擊試驗(yàn)前后進(jìn)行，試驗(yàn)接線如圖3所示。

圖3 變壓器入口電容測(cè)量試驗(yàn)接線圖

在進(jìn)行變壓器入口電容測(cè)量時(shí)，沖擊脈沖信號(hào)發(fā)生器與被試變壓器繞組端頭之間的連接線應(yīng)盡量短，避免測(cè)量線路干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果造成誤差。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)系統(tǒng)主要使用設(shè)備參數(shù)如下。

示波器。示波器的作用主要用來采集測(cè)量波形，為了保證測(cè)量的精度，采樣率應(yīng)不低于60MSa/s，垂直分辨率在9bits以上，因?yàn)椴蓸勇侍蛯o法滿足波形參數(shù)的計(jì)算要去，垂直分辨率的高低直接影響著測(cè)量的精度。該研究選用的示波器參數(shù)為帶寬200 MHz，采樣率2.5GSa/S，記錄長(zhǎng)度10m，模擬通道4，數(shù)字通道16，上升時(shí)間2ns，能夠滿足測(cè)量要求。

精密電容箱，選用旋鈕式十進(jìn)電容箱，可工作在直流或交流電路中，由不同個(gè)數(shù)的十進(jìn)開關(guān)組件組合而成，每個(gè)十進(jìn)開關(guān)組件由幾個(gè)不同容量的電容并聯(lián)組成1~10個(gè)步進(jìn)。最大容量 0.00001μF~11.11110μF，最小步級(jí) 0.00001μF，可變范圍 0.00000μF~11.11110μF。

脈沖信號(hào)發(fā)生器，一種模擬發(fā)生各種沖擊脈沖波形的儀器。通過選擇開關(guān)改變沖擊沖線路中不同的參數(shù)，可以得到不同的類似于高壓實(shí)驗(yàn)室里高壓沖擊脈沖波發(fā)生器的波形?？捎糜陔姍C(jī)、電抗器、電力變壓器，儀用變壓器等線圈內(nèi)部沖擊脈沖電壓分布的模擬試驗(yàn)和絕緣缺陷的定位。對(duì)線圈無任何損壞。還可用于高壓沖擊脈沖發(fā)生器中波前、波尾電阻等參數(shù)預(yù)置，測(cè)試系統(tǒng)的傳輸特性以及電纜和線圈等的瞬態(tài)波形的測(cè)量。充電電壓的幅值從0V~400V可調(diào)。重復(fù)頻率為25Hz。輸出電壓0V~1000V可調(diào)節(jié)，截?cái)鄷r(shí)間0μs~10μs可調(diào)節(jié)，輸出波形包括雷電沖擊全波形、雷電沖擊截波波形、操作沖擊波形，可調(diào)節(jié)內(nèi)容包括波頭電阻、波尾電阻、波頭并聯(lián)電感、主電容、負(fù)荷電容，輸出波形樣式包括單次、重復(fù)，波頭調(diào)節(jié)范圍為10Ω~15000Ω分20檔可調(diào)，波尾調(diào)節(jié)范圍為3Ω~8000Ω分20檔可調(diào)，波頭并聯(lián)電感調(diào)節(jié)范圍為10μH~100μH分10檔可調(diào)，主電容調(diào)節(jié)范圍5nF~1000nF分20檔可調(diào)，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍0.5nF~100nF分20檔可調(diào)。對(duì)絕大多數(shù)常見結(jié)果的變壓器繞組，均能調(diào)節(jié)出滿足參數(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形。

2.3 試驗(yàn)方法

按照?qǐng)D3進(jìn)行試驗(yàn)接線，在沖擊脈沖信號(hào)發(fā)生器與被試?yán)@組線端之間串聯(lián)接入可調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電容，通過調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)發(fā)生器的電容、電阻參數(shù)調(diào)節(jié)出標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形，這里需要注意的是，在脈沖信號(hào)發(fā)生器法測(cè)量變壓器入口電容值時(shí)，經(jīng)驗(yàn)反應(yīng)波前時(shí)間一般調(diào)節(jié)到0.8μs~1.0μs測(cè)量的結(jié)果最準(zhǔn)確。使用示波器通道1測(cè)量脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出電壓波形及電壓，通道2測(cè)量被試?yán)@組線端電壓波形及電壓，脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出電壓。調(diào)節(jié)可調(diào)電容器，使繞組線端電壓=50%。取可調(diào)電容器此時(shí)電容值為變壓器被測(cè)繞組入口電容值。

3 一些典型結(jié)構(gòu)變壓器測(cè)量結(jié)果

筆者對(duì)幾種典型結(jié)構(gòu)、不同電壓等級(jí)的變壓器進(jìn)行了入口電容測(cè)量，希望供讀者參考，測(cè)量結(jié)果如表1，這里需要注意的是不同廠家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同，可能與該公司產(chǎn)品測(cè)量數(shù)值存在偏差，但是偏差不會(huì)太大，在參考時(shí)還需以實(shí)際測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)。

表1 幾種典型結(jié)構(gòu)變器入口電容值

筆者對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)變壓器低壓繞組入口電容值遠(yuǎn)大于高壓繞組入口電容值，同樣高壓繞組入口電容值隨電壓等級(jí)提高而增大，這是跟線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)的。

4 結(jié)語

該文進(jìn)行了變壓器入口電容測(cè)量試驗(yàn)的研究，分析了兩種常用測(cè)量方法的原理，并在同一產(chǎn)品上進(jìn)行測(cè)量結(jié)果比對(duì)。

設(shè)計(jì)了一種變壓器入口電容測(cè)量試驗(yàn)方法，并按照該方法對(duì)幾種典型結(jié)構(gòu)的變壓器進(jìn)行了測(cè)量，提供了測(cè)量結(jié)果供讀者作為參考數(shù)值。并得出以下結(jié)論。方波脈沖信號(hào)法和沖擊脈沖信號(hào)法均能測(cè)量變壓器等效入口電容值，但是由于測(cè)量原理不同，測(cè)量結(jié)果方波脈沖信號(hào)法與沖擊脈沖信號(hào)法測(cè)量結(jié)果相差20%~30%，由于脈沖信號(hào)法測(cè)量回路與變壓器雷電沖擊試驗(yàn)回路一樣，因此測(cè)量結(jié)果更接近變壓器在遭受雷電波入侵時(shí)的等效入口電容值。

方波脈沖信號(hào)法和沖擊脈沖信號(hào)法均屬于微量檢測(cè)，影響測(cè)量結(jié)果的環(huán)境因素很多，尤其是空間、電源和地回路的干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，因此測(cè)量時(shí)要采取抗干擾措施。

在使用沖擊脈沖信號(hào)法時(shí)，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)波形可以通過調(diào)節(jié)儀器電容、電阻參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，為了保證輸出波形的陡度，盡量將波前時(shí)間調(diào)節(jié)到0.8μs~1.0μs，這樣測(cè)量結(jié)果最準(zhǔn)確。

通過比較發(fā)現(xiàn)方波脈沖信號(hào)法測(cè)量回路接線簡(jiǎn)單，測(cè)量時(shí)間較短，使用局部放電測(cè)量試驗(yàn)儀器設(shè)備即可完成測(cè)量，在對(duì)測(cè)量結(jié)果精度要求不高和無法購(gòu)置專業(yè)測(cè)量設(shè)備的情況下可以采用這種方法，對(duì)測(cè)量結(jié)果精度要求較高，建議購(gòu)置脈沖信號(hào)發(fā)生器等專用測(cè)量?jī)x器使用沖擊脈沖信號(hào)法進(jìn)行測(cè)量。