基于电测法的大型绕组类设备L/R同步测试研究*

2021-01-12张耀月张宏伟

机械研究与应用 2020年6期

张耀月，张宏伟，宋燕

(1.厦门大学马来西亚分校，福建厦门 361005； 2.国网甘肃省电力公司金昌供电公司，甘肃金昌 737100)

0 引言

直流电阻和电感参数对变压器、发电机、调相机、电抗器等大电感设备的状态评价、全寿命周期管理等工作具有重要意义。通过直流电阻的测量，可以有效地反映绕组匝间短路、绕组断股、分接开关以及导线接头接触不良等故障，也是判断三相绕组直流电阻是否平衡、调压开关档位是否正确的有效手段[1-2]。通过测量电感，可以间接判断绕组在遭受短路电流冲击后的变形情况，以做为其能否继续运行的主要判断依据。

目前，常用的绕组参数的测量方法多属于静态测量法，并且直流电阻和电感值不能做到同时测量。快速、准确并实现电阻值和电感值的同步测量，是科研人员长期研究和追求的目标。文献[3]利用有限元软件ANSYS对电力变压器铁芯和绕组进行建模，仿真计算漏电感参数[3]。文献[4]用simulink对各种测量方法进行仿真分析，并利用单片机进行系统设计实现直流电阻快速测量[4]。文献[5]在分析、比较目前现存的各种测量方法的基础上，从基本的电路出发，推导出了一种在变压器绕组的过渡过程中测量直流电阻的新方法[5]。文献[6]针对现有测量方法测量低压侧绕组直流电阻时的不足，综合助磁法和全压—恒流电源法，提出了基于这两种方法的大型变压器低压侧绕组直流电阻测量的新方法[6]。文献[7]提出了一种基于同一化原理和串联附加电感的绕组参数测量方法[7]。文献[8]使用有限元软件在计算机或单片机上，对变压器电磁特性分析及漏电感参数计算，在测量回路中串联一个已知电感和电阻，进行两次采样计算出大电感和电阻值。该方法在单片机的仿真软件Proteus中得到验证[8]。

为了实现变压器等设备绕组的L/R参数快速检测，本文提出了基于电测法的L/R同步测量技术，可直接准确测得绕组的电感L和电阻R值，用测值和初值差对绕组绝缘状态进行状态评价。

1 传统的测量方法

1.1 直流电阻的测量

直流电阻测试是变压器等设备在交接、大修和改变分接开关后必不可少的试验项目，也是故障后的重要检查项目[9-10]。

直流电阻测量原理如图1所示，当直流电压EN加于被测绕组两端，直流电源刚接通的瞬间，由于电感中的电流不能突变，所以电感L中的电流为零，即iL=0时。因此，电阻R上的压降UR=0，此时外施电压全部加在电感L两端，即UL=EN。

图1 直流电阻测量原理图

测量回路(忽略回路引线电阻)的过渡过程应满足：

(1)

电路达到稳定时间的长短，取决于时间常数τ的大小，即τ越大，达到稳定的时间越长，反之，则时间越短。由于大型变压器的τ值比小变压器的大得多，所以大型变压器达到稳定的时间相当长。回路中电流i为：

(2)

直流电阻的测量方法很多，基本的方法主要有直流压降法和平衡电桥法[11]。改进的方法有变阻快充法[12]、增压快充法、恒流源快充法[13-14]、磁通泵法[15]、短路去磁法[16]等。

(1) 直流压降法

直流压降法又称电流电压表法。压降法的测量原理是在被测绕组中通以直流电流，通过测量流过绕组的电流及绕组上的电压降，根据欧姆定律，即可算出绕组的直流电阻。

(2) 平衡电桥法

应用电桥平衡的原理来测量绕组直流电阻的方法称为电桥法。用电桥法测量时，常采用单臂电桥法和双臂电桥等专门的仪器。被测电阻10 Ω以上时采用单臂电桥，被测电阻1 Ω及以下时采用双臂电桥。

用电桥测量绕组电感时，由于电感值较大，同样需等充电电流稳定后，开始正式测量。随着变压器容量的增大，测试绕组直流电阻的电流达到稳定的时间达数小时甚至更长，不仅时间长，而且还不能保证测量准确。

(3) 微机辅助测量法

计算机辅助测量(数字式直流电阻测量仪)用于直流电阻测量，尤其是测量带有电感的线圈电阻，整个测试过程由软件控制，自动完成自检、过渡过程判断、数据采集及分析，它与传统测试方法比较，具有完善的反电势保护功能和现场抗干扰能力等优点，测试数据稳定、快速、准确。

1.2 电感的测量

变压器绕组的许多绝缘故障主要是由于机械损伤造成的。在遭受故障短路电流冲击后，绕组失去稳定性，发生局部扭曲、鼓包或移位等永久变形现象，严重时将直接造成突发性损坏。即使没有立即损坏，很多情况也会给设备留下严重隐患[17]。

绕组电感的测量方法一般是在电感性绕组两端并接交流电源，通过测量电路电流、绕组两端电压的有效值以及绕组消耗的功率，计算出绕组阻抗模值Z和电阻R，进而计算出电抗值X和电感值L。

目前，国内外提出并应用于现场的绕组变形诊断方法对于绕组变形程度的描述尚未量化。由于变压器阻抗中的电感分量与绕组几何尺寸及相对位置有关，通过在线检测变压器短路电抗变化来分析绕组健康状况的技术正逐渐得到重视。近年来，国内外大量研究成果表明，利用网络分析技术，通过测量变压器各个绕组的传递函数H(jω)，并对测试结果进行纵向或横向(三相之间)比较，可灵敏、有效地诊断出绕组的扭曲、鼓包、移位等变形现象。因为当频率超过l kHz时，铁芯的作用可以忽略不计，每个绕组均可等效为一个由线性电阻、电感(互感)、电容元件组成的线性无源二端口网络，其特性在时域上可用单位冲激响应h(t)，或在频域上用传递函数H(jω)描述[18]，而H(jω)是h(t)的傅里叶变换。若忽略绕组的电阻，其绕组的等值网络可以通过传递函数H(jω)对其特性进行描述的。如果绕组发生变形，绕组内部的分布电感、电容等参数必然改变，导致其等效网络的传递函数H(jω)的零点和极点分布发生变化，从而使网络的频率响应特性发生变化。

(1) 低压脉冲法

低压脉冲法(Low Voltage Impulse)简称LVI法，波兰的Lech和Tyminski于1966年提出了用低压脉冲(LVI)法确定变压器是否通过短路试验，现已被IEC及许多国家列入电力变压器短路试验导则和测试标准[19]。

LVI法是将一比较稳定的低压脉冲电压信号(通常不超过300 V)施加于被测绕组的一端，同时记录测量绕组两端的对地电压U和q(f)，并进行相应的处理。得到该绕组的脉冲响应特性q(f)或传递函数H(jω)=UO(jω)/Ui(jω)。由于LVI法采用的是时域脉冲分析技术，在现场使用时较易受外界干扰和灵敏度校正过程的影响，需要使用一个特殊结构和精细调整的测试系统，以消除脉冲传递过程中的折反射问题和脉冲信号源的不稳定性问题，故现场使用往往较难保证测试结果的重复性。

(2) 频率响应分析法

为了克服LVI法的缺陷，加拿大的E.P.Dick和C.C.Erven于1978年提出了频率响应分析法(FRA法)[20]，并获得了较广泛的应用。

FRA法是将一稳定的正弦扫描电压信号施加到被测绕组的一端，同时记录该端和其它端点上的电压幅值及相角，从而得到该被试绕组的一组频响特性，即传递函数H(jω)。通过对H(jω)中得到的激励信号波形和响应信号波形进行分析，可以对绕组的状态作出判断。

变压器绕组的频率响应特性通常在10～1 MHz的频率范围内具有较多的谐振点。当频率低于10 kHz时，绕组的电感起主要作用，谐振点通常较少，对分布电容的变化较不敏感；而当频率超过lMHz时，绕组的电感又被分布电容所旁路，谐振点也会相应减少，对电感的变化较不敏感，而且随着频率的提高，测试回路(引线)的杂散电容也会对测试结果造成一定影响。因此，选用10～1 MHz的扫频测量范围和1000个左右的线性分布扫描频点通常会获得较好的测试效果。此时，绕组内部的分布电感和电容均发挥作用，其频率响应特性具有较多的谐振点，能够灵敏地反映出绕组电感、电容的变化情况。频率响应法测量原理如图2所示。

图2 绕组频响法测量原理图

(3) 阻抗法

阻抗法是通过测量工频电压下绕组的短路阻抗或漏抗来反映绕组的变形、移位及匝间开路和短路等缺陷。漏抗实质上是散布在绕组与绕组之间，绕组内部及绕组与油箱之间的漏磁通形成的感应磁势的反映，因此对漏磁磁路的变化比较灵敏；短路阻抗则是漏抗和绕组电阻的平方和开方。由于一般大型变压器绕组电阻比漏抗要小很多，因此阻抗可以反映漏抗的变化，而且，测量阻抗比测漏抗易于实现。阻抗法测量原理如图3所示。