短路阻抗法變壓器繞組變形測試儀的基本原理與測試方法
1、文章前言
變壓器是電力系統(tǒng)中主要電氣設(shè)備之一，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著重大的作用。在變壓器的運(yùn)行過程中，其繞組難免要承受各種各樣的短路電動(dòng)力的作用，從而引起變壓器不同程度的繞組變形。繞組變形以后的變壓器，其抗短路能力急劇下降，可能在再次承受短路沖擊甚至在正常運(yùn)行電流的作用下引起變壓器徹底損壞。為避免變壓器缺陷的擴(kuò)大，按華東電力公司和省電力局的有關(guān)變壓器類設(shè)備的反事故技術(shù)措施的要求，對已承受過短路沖擊的變壓器，必須進(jìn)行變壓器繞組變形測試。
變壓器繞組變形測試的方法主要有短路阻抗法、低壓脈沖法和頻響分析法等3種。現(xiàn)就短路阻抗法變壓器繞組變形測試技術(shù)問題作進(jìn)一步的分析和研究。
2、短路阻抗法變壓器繞組變形測試的基本原理
變壓器的短路阻抗是指該變壓器的負(fù)荷阻抗為零時(shí)變壓器輸入端的等效阻抗。短路阻抗可分為電阻分量和電抗分量，對于110kV及以上的大型變壓器，電阻分量在短路阻抗中所占的比例非常小，短路阻抗值主要是電抗分量的數(shù)值。變壓器的短路電抗分量，就是變壓器繞組的漏電抗。變壓器的漏電抗可分為縱向漏電抗和橫向漏電抗兩部分，通常情況下，橫向漏電抗所占的比例較小。變壓器的漏電抗值由繞組的幾何尺寸所決定的，變壓器繞組結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變勢必引起變壓器漏電抗的變化，從而引起變壓器短路阻抗數(shù)值的改變。以圓筒型雙繞組變壓器為例，繞組布置示意圖見圖1。
(1)
變壓器是電力系統(tǒng)中主要電氣設(shè)備之一，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著重大的作用。在變壓器的運(yùn)行過程中，其繞組難免要承受各種各樣的短路電動(dòng)力的作用，從而引起變壓器不同程度的繞組變形。繞組變形以后的變壓器，其抗短路能力急劇下降，可能在再次承受短路沖擊甚至在正常運(yùn)行電流的作用下引起變壓器徹底損壞。為避免變壓器缺陷的擴(kuò)大，按華東電力公司和省電力局的有關(guān)變壓器類設(shè)備的反事故技術(shù)措施的要求，對已承受過短路沖擊的變壓器，必須進(jìn)行變壓器繞組變形測試。
變壓器繞組變形測試的方法主要有短路阻抗法、低壓脈沖法和頻響分析法等3種。現(xiàn)就短路阻抗法變壓器繞組變形測試技術(shù)問題作進(jìn)一步的分析和研究。
2、短路阻抗法變壓器繞組變形測試的基本原理
變壓器的短路阻抗是指該變壓器的負(fù)荷阻抗為零時(shí)變壓器輸入端的等效阻抗。短路阻抗可分為電阻分量和電抗分量，對于110kV及以上的大型變壓器，電阻分量在短路阻抗中所占的比例非常小，短路阻抗值主要是電抗分量的數(shù)值。變壓器的短路電抗分量，就是變壓器繞組的漏電抗。變壓器的漏電抗可分為縱向漏電抗和橫向漏電抗兩部分，通常情況下，橫向漏電抗所占的比例較小。變壓器的漏電抗值由繞組的幾何尺寸所決定的，變壓器繞組結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變勢必引起變壓器漏電抗的變化，從而引起變壓器短路阻抗數(shù)值的改變。以圓筒型雙繞組變壓器為例，繞組布置示意圖見圖1。
圖1 雙繞組變壓器繞組示意圖
假設(shè)：繞組高度等于其軸向配置的高度；安匝數(shù)均勻分布；忽略鐵芯的臨近效應(yīng)和繞組的直流電阻。則短路阻抗可用下式表示：
(1) 式中 Zk─短路阻抗；
Xk─漏感抗；
μ0=4π×0－7；
ω─ｘ繞組匝數(shù)；
Q1─羅果夫系數(shù)；
h─繞組高度；
DCP─主泄汛通道的平均直徑
δ─主泄汛通道的有效寬度；由于Dcp>>b1、b2，故δ≈C＋(b1＋b2)/3。
由式(1)可知，ZK的變化實(shí)際上僅取決于繞組的變形，也就是繞組幾何尺寸的變化。
假如變壓器內(nèi)部線圈在擠壓力的作用下，其直徑減少2ΔX(見圖1)，在式(1)中用：D′CP=DCP－ΔX代替DCP，δ′=δ＋ΔX代替δ即可求出Z′K。
因此，繞組變形引起短路阻抗ZK的變化量為：
ΔZK=Z′K－ZK≈(m－n)ΔX (2)
Xk─漏感抗；
μ0=4π×0－7；
ω─ｘ繞組匝數(shù)；
Q1─羅果夫系數(shù)；
h─繞組高度；
DCP─主泄汛通道的平均直徑
δ─主泄汛通道的有效寬度；由于Dcp>>b1、b2，故δ≈C＋(b1＋b2)/3。
由式(1)可知，ZK的變化實(shí)際上僅取決于繞組的變形，也就是繞組幾何尺寸的變化。
假如變壓器內(nèi)部線圈在擠壓力的作用下，其直徑減少2ΔX(見圖1)，在式(1)中用：D′CP=DCP－ΔX代替DCP，δ′=δ＋ΔX代替δ即可求出Z′K。
因此，繞組變形引起短路阻抗ZK的變化量為：
ΔZK=Z′K－ZK≈(m－n)ΔX (2)
式中
由式(2)可知，短路阻抗的變化量ΔZK與變形量ΔX直接相關(guān)。
根據(jù)短路阻抗的變化量來判斷繞組是否變形，只要將測得的短路阻抗與變壓器正常時(shí)的測量值(如出廠數(shù)據(jù))相比即可。
3、變壓器繞組變形測試對試驗(yàn)儀器的基本要求
用于現(xiàn)場變壓器繞組變形測試的短路阻抗測試儀除必須具備攜帶方便、操作簡單、具有良好的測試精度及測試重復(fù)性外，還必須具有良好的抗干擾能力。現(xiàn)場的干擾主要來自于以下幾個(gè)方面：
(1)試驗(yàn)電源諧波的影響；
(2)試驗(yàn)電源電壓的不穩(wěn)定性；
(3)試驗(yàn)現(xiàn)場的50Hz同頻干擾。現(xiàn)就以上三方面因素對短路阻抗測試值的影響及消除措施簡述如下。
3.1 消除試驗(yàn)電源諧波對測試結(jié)果的影響
試驗(yàn)用的電源，難免有各種各樣的諧波存在，而且諧波分量的幅值是不穩(wěn)定的。高次諧波對變壓器短路阻抗的測試值有較大的影響。設(shè)被試變壓器在無諧波情況下的短路阻抗值為Z，當(dāng)施加具有諧波分量的測試電壓u=α1sin(ωt＋ψ)＋α2sin(3ωt＋ψ1)時(shí)，流過變壓器的電流為：
根據(jù)短路阻抗的變化量來判斷繞組是否變形，只要將測得的短路阻抗與變壓器正常時(shí)的測量值(如出廠數(shù)據(jù))相比即可。
3、變壓器繞組變形測試對試驗(yàn)儀器的基本要求
用于現(xiàn)場變壓器繞組變形測試的短路阻抗測試儀除必須具備攜帶方便、操作簡單、具有良好的測試精度及測試重復(fù)性外，還必須具有良好的抗干擾能力。現(xiàn)場的干擾主要來自于以下幾個(gè)方面：
(1)試驗(yàn)電源諧波的影響；
(2)試驗(yàn)電源電壓的不穩(wěn)定性；
(3)試驗(yàn)現(xiàn)場的50Hz同頻干擾。現(xiàn)就以上三方面因素對短路阻抗測試值的影響及消除措施簡述如下。
3.1 消除試驗(yàn)電源諧波對測試結(jié)果的影響
試驗(yàn)用的電源，難免有各種各樣的諧波存在，而且諧波分量的幅值是不穩(wěn)定的。高次諧波對變壓器短路阻抗的測試值有較大的影響。設(shè)被試變壓器在無諧波情況下的短路阻抗值為Z，當(dāng)施加具有諧波分量的測試電壓u=α1sin(ωt＋ψ)＋α2sin(3ωt＋ψ1)時(shí)，流過變壓器的電流為：
考慮諧波以后的變壓器短路阻抗有效值為:
由上式可知，由于測試電源諧波的存在，實(shí)測短路阻抗值與無諧波情況下的短路阻抗值之間具有一定的差異。
欲消除測試電源諧波對短路阻抗測試結(jié)果的影響，短路阻抗測試儀必須具有優(yōu)良的濾波性能。通常用硬、軟件相結(jié)合的方法，可以基本消除測試電源諧波對短路阻抗測試結(jié)果的影響，滿足變壓器繞組變形測試分析、判斷的需要。
3.2 試驗(yàn)電源電壓的不穩(wěn)定性對測試結(jié)果的影響
試驗(yàn)電源電壓的基波分量在測量周期內(nèi)的不穩(wěn)定性對測試結(jié)果有直接的影響。由于短路阻抗為一感性阻抗，電流與電壓之間具有一定的相位差，當(dāng)測試周期內(nèi)的電壓基波分量發(fā)生變化時(shí)，電流不可能同步發(fā)生變化，從而會(huì)產(chǎn)生測量誤差。
為減小試驗(yàn)電源電壓不穩(wěn)定性帶來的短路阻抗測試誤差，通常的方法是通過多次測量求平均值的方法來解決，但效果并不很理想，同時(shí)還會(huì)延長測試時(shí)間。欲有效解決上述問題，短路阻抗測試儀必須對測量周期內(nèi)所采集到的信號進(jìn)行分析與運(yùn)算，較大程度地減小測試誤差，同時(shí)也不延長測試時(shí)間。
3.3 試驗(yàn)現(xiàn)場的50Hz同頻干擾
試驗(yàn)現(xiàn)場的50Hz同頻干擾主要來自變電所運(yùn)行設(shè)備的電暈干擾和試驗(yàn)儀器用的220V交流電源耦合到測量回路所產(chǎn)生的干擾。
欲減小試驗(yàn)現(xiàn)場的50Hz同頻干擾對短路阻抗測試結(jié)果的影響，測試儀器必須從硬件上最大限度地抑制由于220V交流電源耦合引起的同頻干擾，當(dāng)測試現(xiàn)場電暈干擾較大時(shí)可采用測試儀器換極性的方法，并適當(dāng)提高被試變壓器的試驗(yàn)電壓、電流。
4、短路阻抗法測試連接方式
變壓器短路阻抗測量采用伏安法。該方法適用于單相和三相變壓器。測試前將變壓器的一側(cè)出線短接，短接用的導(dǎo)線須有足夠的截面積，并保持各出線端子接觸良好，以減小引線的回路電阻。變壓器的另一側(cè)施加試驗(yàn)電壓，從而產(chǎn)生流經(jīng)阻抗的電流，同時(shí)測量加在阻抗上的電流和電壓，此電壓、電流的基波分量的比值就是被試變壓器的短路阻抗。
變壓器短路阻抗測試時(shí)，通常在變壓器的高壓繞組側(cè)加壓，在低壓繞組側(cè)短路。
為保證測試精度，電壓測量回路應(yīng)直接接在被試變壓器的出線端子上，以免引入電流引線上的電壓降。試驗(yàn)用調(diào)壓器的額定電流不能小于10A，試驗(yàn)時(shí)流經(jīng)被試變壓器繞組的試驗(yàn)電流以在其額定電流的0.5％～0.1％的數(shù)量級上或2～10A為宜，試驗(yàn)電流不能太大，否則由于電源的過載使試驗(yàn)電壓波形嚴(yán)重畸變，影響測試精度。
通過對使用TPRBC型短路阻抗儀測得的50臺(tái)各種類型變壓器的短路阻抗測量值的分析，發(fā)現(xiàn)三相間接短路阻抗值的差異皆小于2％。現(xiàn)場測試值與出廠值相比具有較大的分散性，但一般皆小于4％。
5、變壓器繞組變形測試分析判斷原則
繞組變形以后的變壓器，運(yùn)行中檢測參數(shù)的改變包括電氣和機(jī)械兩個(gè)方面，因此，變壓器繞組變形的分析、判斷不是一個(gè)片面的問題而是一個(gè)綜合的問題。短路阻抗法變壓器繞組變形測試必須綜合考慮以下幾個(gè)方面的影響：
(1)變壓器三相間的短路阻抗測試結(jié)果是否平衡；
(2)與出廠值相比，短路阻抗的變化情況；
(3)運(yùn)行中的電氣試驗(yàn)、絕緣油色譜分析情況；
(4)運(yùn)行中變壓器是否有異常的聲音及絕緣油的運(yùn)行溫度等。
6、文章結(jié)語
(1)短路阻抗值的變化直接與變壓器繞組的結(jié)構(gòu)相關(guān)，短路阻抗法可以用于變壓器繞組的變形測試。
(2)常規(guī)的電流表、電壓表不能滿足以變壓器繞組變形測試為目的的變壓器短路阻抗測量。
(3)以變形測試為目的的變壓器繞組短路阻抗測試儀，除應(yīng)具有良好的測試精度外，尚要有良好的抗干擾能力。
(4)變壓器繞組三相間的短路阻抗值的差異一般皆小于2％，三相間短路阻抗值3％的差異應(yīng)認(rèn)為是變壓器短路阻抗的明顯變化，必須引起足夠的重視。
(5)變壓器繞組變形測試分析判斷時(shí)，當(dāng)用同一試驗(yàn)儀器、同一測試方法測試結(jié)果的差異大于2％，應(yīng)引起注意。
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欲消除測試電源諧波對短路阻抗測試結(jié)果的影響，短路阻抗測試儀必須具有優(yōu)良的濾波性能。通常用硬、軟件相結(jié)合的方法，可以基本消除測試電源諧波對短路阻抗測試結(jié)果的影響，滿足變壓器繞組變形測試分析、判斷的需要。
3.2 試驗(yàn)電源電壓的不穩(wěn)定性對測試結(jié)果的影響
試驗(yàn)電源電壓的基波分量在測量周期內(nèi)的不穩(wěn)定性對測試結(jié)果有直接的影響。由于短路阻抗為一感性阻抗，電流與電壓之間具有一定的相位差，當(dāng)測試周期內(nèi)的電壓基波分量發(fā)生變化時(shí)，電流不可能同步發(fā)生變化，從而會(huì)產(chǎn)生測量誤差。
為減小試驗(yàn)電源電壓不穩(wěn)定性帶來的短路阻抗測試誤差，通常的方法是通過多次測量求平均值的方法來解決，但效果并不很理想，同時(shí)還會(huì)延長測試時(shí)間。欲有效解決上述問題，短路阻抗測試儀必須對測量周期內(nèi)所采集到的信號進(jìn)行分析與運(yùn)算，較大程度地減小測試誤差，同時(shí)也不延長測試時(shí)間。
3.3 試驗(yàn)現(xiàn)場的50Hz同頻干擾
試驗(yàn)現(xiàn)場的50Hz同頻干擾主要來自變電所運(yùn)行設(shè)備的電暈干擾和試驗(yàn)儀器用的220V交流電源耦合到測量回路所產(chǎn)生的干擾。
欲減小試驗(yàn)現(xiàn)場的50Hz同頻干擾對短路阻抗測試結(jié)果的影響，測試儀器必須從硬件上最大限度地抑制由于220V交流電源耦合引起的同頻干擾，當(dāng)測試現(xiàn)場電暈干擾較大時(shí)可采用測試儀器換極性的方法，并適當(dāng)提高被試變壓器的試驗(yàn)電壓、電流。
4、短路阻抗法測試連接方式
變壓器短路阻抗測量采用伏安法。該方法適用于單相和三相變壓器。測試前將變壓器的一側(cè)出線短接，短接用的導(dǎo)線須有足夠的截面積，并保持各出線端子接觸良好，以減小引線的回路電阻。變壓器的另一側(cè)施加試驗(yàn)電壓，從而產(chǎn)生流經(jīng)阻抗的電流，同時(shí)測量加在阻抗上的電流和電壓，此電壓、電流的基波分量的比值就是被試變壓器的短路阻抗。
變壓器短路阻抗測試時(shí)，通常在變壓器的高壓繞組側(cè)加壓，在低壓繞組側(cè)短路。
為保證測試精度，電壓測量回路應(yīng)直接接在被試變壓器的出線端子上，以免引入電流引線上的電壓降。試驗(yàn)用調(diào)壓器的額定電流不能小于10A，試驗(yàn)時(shí)流經(jīng)被試變壓器繞組的試驗(yàn)電流以在其額定電流的0.5％～0.1％的數(shù)量級上或2～10A為宜，試驗(yàn)電流不能太大，否則由于電源的過載使試驗(yàn)電壓波形嚴(yán)重畸變，影響測試精度。
通過對使用TPRBC型短路阻抗儀測得的50臺(tái)各種類型變壓器的短路阻抗測量值的分析，發(fā)現(xiàn)三相間接短路阻抗值的差異皆小于2％。現(xiàn)場測試值與出廠值相比具有較大的分散性，但一般皆小于4％。
5、變壓器繞組變形測試分析判斷原則
繞組變形以后的變壓器，運(yùn)行中檢測參數(shù)的改變包括電氣和機(jī)械兩個(gè)方面，因此，變壓器繞組變形的分析、判斷不是一個(gè)片面的問題而是一個(gè)綜合的問題。短路阻抗法變壓器繞組變形測試必須綜合考慮以下幾個(gè)方面的影響：
(1)變壓器三相間的短路阻抗測試結(jié)果是否平衡；
(2)與出廠值相比，短路阻抗的變化情況；
(3)運(yùn)行中的電氣試驗(yàn)、絕緣油色譜分析情況；
(4)運(yùn)行中變壓器是否有異常的聲音及絕緣油的運(yùn)行溫度等。
6、文章結(jié)語
(1)短路阻抗值的變化直接與變壓器繞組的結(jié)構(gòu)相關(guān)，短路阻抗法可以用于變壓器繞組的變形測試。
(2)常規(guī)的電流表、電壓表不能滿足以變壓器繞組變形測試為目的的變壓器短路阻抗測量。
(3)以變形測試為目的的變壓器繞組短路阻抗測試儀，除應(yīng)具有良好的測試精度外，尚要有良好的抗干擾能力。
(4)變壓器繞組三相間的短路阻抗值的差異一般皆小于2％，三相間短路阻抗值3％的差異應(yīng)認(rèn)為是變壓器短路阻抗的明顯變化，必須引起足夠的重視。
(5)變壓器繞組變形測試分析判斷時(shí)，當(dāng)用同一試驗(yàn)儀器、同一測試方法測試結(jié)果的差異大于2％，應(yīng)引起注意。
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