基于中低頻零序掃描阻抗的配電變壓器容量檢測方法

繆宇峰，汪李忠，郭 強，俞嘯玲，留 毅，池 源，張金鑫

(1.杭州電力設(shè)備制造有限公司余杭群力成套電氣制造分公司，浙江 杭州 311100；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310000；3.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學)，重慶 400044)

1 引言

變壓器是傳輸電能的電力設(shè)備，額定容量是它的核心參數(shù)，表征變壓器傳輸電能的能力[1,2]。而配電變壓器通常是指運行在配電網(wǎng)中，并直接向終端用戶供電的電力變壓器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城市等終端用能領(lǐng)域，是配網(wǎng)的重要電氣設(shè)備之一[3-5]。

配電變壓器容量的選擇是供電部門根據(jù)變壓器的位置、負荷及正常過負荷能力、事故過負荷的承受能力和變壓器的經(jīng)濟運行綜合考慮的[6]。但目前實際配網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛存在以下兩種現(xiàn)象：①由于采用階梯電價收費，少量電力用戶為了少交電費而更改配電變壓器銘牌容量，將大容量變壓器的銘牌更換為小容量的。②變壓器生產(chǎn)企業(yè)在變壓器招投標中，出現(xiàn)以小容量、高損耗的配電變壓器來冒充大容量、低損耗的配電變壓器以達到牟利的目的。這兩種情況會導致配電變壓器的實際容量與額定容量出現(xiàn)偏差，造成變壓器過載或者輕載，影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[7]。因此，對配電變壓器容量進行準確的檢測對于配網(wǎng)的安全運行具有重要的意義?，F(xiàn)有的變壓器容量檢測方法多數(shù)為損耗比較法、阻抗電壓法、三元素法和在線檢測法。損耗比較法是將實際測得的空載損耗與短路損耗與國標中的損耗進行比較，從而確定變壓器容量的一種方法[8]。但是僅僅依賴損耗的比較結(jié)果，容量判斷精度不夠。阻抗電壓法是通過短路電壓標準實驗測得阻抗電壓百分比，再據(jù)此確定變壓器容量[9,10]。文獻[10]基于短路阻抗法設(shè)計一種變壓器容量檢測儀，文獻[11]研究了阻抗電壓法的原理并給出了具體測試系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。三元素法是結(jié)合了短路阻抗電壓、空載損耗以及短路損耗的綜合檢測方法，較前兩種方法，此種方法準確度有所提高[12,13]。在線檢測法是為了解決聯(lián)網(wǎng)運行的配電變壓器容量存疑的情況下，對變壓器容量進行檢測的方法[14,15]。文獻[14]根據(jù)變壓器模型得到變壓器短路阻抗與電壓、電流的線性擬合，進行容量的在線測量。但這些方法本質(zhì)上仍是以工頻短路阻抗為核心，輔助其他參數(shù)實現(xiàn)變壓器容量的檢測，參考數(shù)據(jù)過于單一，準確度有待提高，因此亟需一種變壓器額定容量檢測方法。

掃描阻抗分析法是通過向變壓器內(nèi)部注入穩(wěn)定的掃頻信號后比較響應(yīng)變化的方法，可在一次測試中獲得變壓器繞組掃頻阻抗曲線和短路阻抗值，而且測試裝置簡單易攜，有很強的抗干擾能力，因此被廣泛用來檢測變壓器繞組變形、檢測繞組材質(zhì)等方面[16-19]。變壓器的容量與鐵心的大小、材質(zhì)和繞組的材質(zhì)、線徑大小息息相關(guān)[20]，因此，本文考慮將掃頻阻抗法用于檢測標準變壓器容量的大小，而變壓器零序阻抗與繞組排列方式和變壓器的實際結(jié)構(gòu)相關(guān)性更密切,零序阻抗參數(shù)對變壓器特性反映更靈敏。

綜上所述，本文提出一種基于中低頻零序掃描阻抗的配電變壓器容量檢測方法。該方法首先對常規(guī)配電變壓器的中低頻激勵下的零序阻抗掃頻曲線進行了大量測量，得到不同容量的變壓器零序阻抗參考頻譜曲線，其次因傳統(tǒng)阻抗掃描法電源加在變壓器高壓側(cè)，實驗要求高，本文提出了在變壓器低壓側(cè)進行實驗的斷線法，然后利用斷線方法測量變壓器的零序掃描阻抗掃描曲線，并定義了基于中低頻零序阻抗掃描曲線的幅值相似度指標，通過判斷待測變壓器的零序掃描阻抗掃描曲線與參考曲線的相似度來檢測變壓器的容量。最后，通過仿真和實驗驗證了本文所提方法的有效性。

2 常規(guī)配電變壓器零序阻抗的掃頻曲線

圖1 零序掃描阻抗法的測試平臺

(1)

GB/T 6451—2015《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》對10 kV配電變壓器的容量參數(shù)做了規(guī)定，根據(jù)常用配電變壓器的容量等級，本文選擇容量400～1 600 kV·A之間作為參考，共包含400 kV·A、500 kV·A、630 kV·A、800 kV·A、1 000 kV·A、1 250 kV·A、1 600 kV·A七個容量等級，通過測試平臺對來自不同廠家的不同容量變壓器進行掃頻測試，測試結(jié)果如圖2所示。

通過測試不同廠家的不同容量變壓器的零序阻抗掃描曲線(圖2)，同一容量不同廠家的零序阻抗掃描曲線分布集中，而不同容量同一廠家的零序阻抗掃描曲線分布相距較遠，因此本文考慮通過零序阻抗掃描曲線識別變壓器的容量。且因為傳統(tǒng)的阻抗掃描法電源是加在變壓器高壓側(cè)，需要增加功率放大器，對實驗要求較高，因此本文引入斷線法，將在變壓器低壓側(cè)進行測試。

3 中低頻激勵下的配電變壓器容量檢測

3.1 中低頻激勵下零序阻抗掃描曲線

常見的配電變壓器有Yyn0和Dyn11兩種不同聯(lián)結(jié)型號。兩種類型的配電變壓器繞組接線方式的不同使得其對應(yīng)的電氣特性也有所不同，Yyn0型號的變壓器，當所掛負荷出現(xiàn)三相不平衡時會產(chǎn)生中性點偏移；Dyn11型號的變壓器即使所掛負荷出現(xiàn)三相不平衡，也不會出現(xiàn)中性點偏移，還具有輸出電壓質(zhì)量高、防雷性能好等優(yōu)點，是配電變壓器的主要聯(lián)結(jié)方式。因此本文主要針對D/y-11接線配電變壓器進行分析。

為了克服傳統(tǒng)測試方法的測試電源位于變壓器的高壓側(cè)、實驗復雜度高的缺點，本文提出測試電源置于變壓器低壓側(cè)的零序阻抗斷線測量方法。

3.1.1 一相斷線

在低壓側(cè)施加三相電源E1，為了得到零序回路需將低壓側(cè)A相繞組開路，高壓繞組短路接地(圖3)，則復合序網(wǎng)圖如圖4所示，圖4中ZP-1、ZP-2、ZP-0分別為配電變壓器高壓側(cè)三相的正序、負序、零序阻抗；ZS-1、ZS-2、ZS-0分別為低壓側(cè)三相的正序、負序、零序阻抗；Zsr-1、Zsr-2分別為電源的正序和負序內(nèi)阻抗；I1、I2、I0分別為正序、負序、零序電流。

圖3 一相斷線時配電變壓器實驗接線圖

圖4 一相斷線時配電變壓器復合序網(wǎng)圖

變壓器存在三角形連接時需要考慮高、低壓側(cè)電壓和電流的30°相移，則線電流為：

(2)

為消去零序電流的影響，則線電流差值為：

(3)

(4)

圖5 一相斷線測試的各相序電流電壓相量圖

(5)

因此可得：

(6)

而零序電流為：

I0=-(I1+I2)

(7)

(8)

(9)

最終可得配電變壓器的零序阻抗為：

(10)

式中，ZPS-1=ZP-1+ZS-1。

3.1.2 兩相斷線

圖6 兩相斷線測試時配電變壓器復合序網(wǎng)圖

(11)

因復合序網(wǎng)為三序串聯(lián)，V2與正序電壓V1相位相反，而電壓的計算公式與一相斷線類似。則據(jù)此可以得到零序阻抗。

(12)

3.2 配電變壓器容量檢測

為了有效通過多頻激勵下零序掃描曲線得到變壓器的容量，定義了基于零序阻抗掃描曲線的幅值相似度指標計算公式為：

(13)

式中，ZHg-0,i為已測等效阻抗的幅值數(shù)據(jù)；ZHg-0m,i為待比較等效阻抗的幅值數(shù)據(jù)。據(jù)此，本文所提出的變壓器容量檢測流程如圖7所示，具體步驟如下：

圖7 變壓器容量辨識流程圖

(1)通過零序阻抗掃描法獲得已知不同容量不同廠家的標準配電變壓器的零序阻抗掃描曲線。

(2)計算出相同容量下不同廠家獲得的阻抗掃描曲線的均值曲線分布(n條)。

(3)通過3.1節(jié)方法獲得待測變壓器的零序阻抗掃描曲線。

(4)根據(jù)式(13)計算待測變壓器零序阻抗與已知容量的變壓器零序阻抗幅值相似度MSzm，m=1, 2,…,n。

(5)求出零序阻抗幅值相似度的最大值MSzm,max，具體步驟如下：首先令MSzm,max=MSzm,1，k=1，i=1；然后i=i+1，判斷MSzm,max與MSzm,i的大小，若MSzm,maxn。

(6)若幅值相似度的最大值MSzm,max大于50%，則最大值對應(yīng)的第k條已知零序阻抗掃描曲線的容量即為待測變壓器的容量，否則認為待測容量超過測試范圍。

4 案例分析

在Matlab/Simulink軟件中構(gòu)建了變壓器仿真系統(tǒng)圖，擬對提出的變壓器容量檢測方法進行驗證。首先利用3.1節(jié)中給出的斷線實驗方法進行零序阻抗掃描，掃描范圍從10～400 Hz，掃描頻率間隔為5 Hz。然后將零序阻抗掃描結(jié)果與已知的不同容量變壓器的零序阻抗頻譜均值(圖2)進行對比，計算的幅值相似度指標MSzm如圖8所示。圖8中，橫坐標表示的是已知零序阻抗頻譜的變壓器對應(yīng)容量，而圖標表示的是待測變壓器的實際容量。觀察可知，一相斷線和兩相斷線都可以進行變壓器的零序阻抗掃描曲線測量，且本文所提方法能夠有效地檢測出變壓器的容量。

圖8 待測變壓器的幅值相似度MSzm

為了驗證本文所提方法的工程實踐應(yīng)用效果，針對某變電站10 kV等級不同容量配電變壓器進行實驗驗證，實驗的原理接線圖和實驗平臺如圖9所示，測試結(jié)果見表1，為了保證實驗安全性，在一次側(cè)增加了接地電阻Rc。

圖9 變壓器零序阻抗測量原理圖和實驗平臺

從表1中可知，實驗測試得到的幅值相似度結(jié)果整體較仿真數(shù)值略小一點，這與實驗設(shè)備精確度選擇與接地電阻接入相關(guān)，但是實驗結(jié)果仍能確保變壓器實際容量相符，驗證了所提方法的有效性。

表1 實驗測得的待測變壓器幅值相似度結(jié)果

5 結(jié)論

針對目前配電變壓器容量與實際不相符的問題，提出了一種基于中低頻零序掃描阻抗的配電變壓器容量檢測方法：

(1)利用一相斷線或者兩相斷線測量待測變壓器的零序阻抗掃描曲線，實現(xiàn)了測試電源置于變壓器低壓側(cè)，降低了實驗難度和復雜度。

(2)定義了待測變壓器零序阻抗掃描曲線與已知的不同容量變壓器的零序阻抗掃描曲線的幅值相似度指標，用于確定變壓器的容量。結(jié)果表明，在待測變壓器與實際變壓器容量一致時得到的幅值相似度指標都超過了50%，所提方法有效實現(xiàn)了變壓器容量的檢測。

本文所提方法雖然克服了傳統(tǒng)檢測的實驗難度，可以實現(xiàn)變壓器容量的有效檢測，但是對容量的檢測主要集中在標準變壓器，后續(xù)仍需繼續(xù)研究如何實現(xiàn)非標準變壓器容量等級的檢測。