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大型变压器低压侧绕组直流电阻快速测试
方法
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的研究
甄旭锋,梁志瑞
(华北电力大学电气工程学院,河北 保定 071003)
摘 要:介绍了测量大型变压器低压侧绕组直流电阻的几种
方法,详述和分析了其测试过程和测量结果。并针对现有测
量方法测量低压侧绕组的直流电阻时的不足,综合助磁法和
全压-恒流电源法,提出了基于这两种方法的一种新方法。
关键词:直流电阻;助磁法;绕组;全压-恒流电源法;快
速测量
0 引言
电力变压器绕组直流电阻的测量是其试验中
的重要项目之一,它是确定短路损耗的重要数据,
通过直流电阻的测量,可检查线圈质量、分接开关
位置接触是否良好、线圈或引线有无折断、并联支
路的正确性、有无短路现象。因此在交接、预试、
大修和调换分接开关后均需进行此项试验。近年来
随着电力工业和机械制造水平的不断发展,电力系
统的容量越来越大,单台变压器的容量也不断加
大。大型变压器线圈的容量越大,电压等级越高,
电感与电阻的比值就越大。一般大型变压器的电感
高达几百甚至几千亨,电阻值却只有几毫欧至几
欧。因此大型变压器的绕组直流回路的稳定时间可
能长达数十分钟甚至更长,如何快速准确测量电力
变压器绕组的直流电阻一直是人们研究和追求的
主要目标。
1 基本原理[1]
变压器绕组等效
电路
模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案
是一个阻值很小的电
阻元件R和一个较大电感的电感元件L串联组
合,绕组直流电阻测量的基本电路如图1-1
k L R
E
图1-1电力变压器绕组电阻测量基本原理图
当t=0时合上开关k,回路电压方程为
di
E L iR
dt
当t=0时i=0,则加一直流电压时绕组电流为
(1 ) (1 )
t t
E
i e I e
R
经过计算,各与电流的关系见表1
表1-1 充电时间与电流的关系
t 0.5 2 3 4 5
i 0.394I 0.632I 0.865I 0.95I 0.98I 0.993I
这样一个一阶的动态电路,要准确地测得直流电阻
必须等电路达到稳定后才能读数测试,就是在实际
工作中达到需要的精度,至少需要5时间。 因此
采用快速测试,缩短测量时间,提高试验工作效率,
对具体测试工作有着重要的意义。
由时间常数表达式
L
R
来看,减小缩短时间有两
种方法,一是减小电感,二是增大回路电阻。
电感可由下式表示
KIns Kns
L
I lI l
(1-1)
式中 60.4 10 HK
m
n—匝数
s—铁心截面
l—铁心回路长度
µ—导磁系数
从上式可以看出,电力变压器绕组的电感量L
决定于绕组的匝数﹑铁心的几何尺寸和硅钢片的
导磁系数。对被测变压器来说n﹑s﹑l是已知的,只
有µ是能改变的。磁通密度B与磁场强度H,导磁系
数µ与磁场强度H的关系曲线如图1-2
B µ
B
µ
H
2
图 1-2 磁通密度 B、导磁系数 µ与磁场强度 H的关系曲线
可以看出,当磁场强度 H 很大,铁芯磁通密度趋于
饱和时,导磁系数 µ就大幅下降,电力变压器的电
感 L 也随之减小。从 H=NI/L 来看,要增大 H,就
要增大 I,也就是提高稳定电流,才能有效的减小电
感 L。另一方面,在回路中串入一个电阻 R,增大
了回路电阻,同样可减小时间常数 。
减小电感、串入回路电阻在大型变压器直阻测
量中都有应用。但由于它自身电感大的特点,同时
电阻的引入还需要提高电源容量,实际测量中采用
减少电感的方法效果好,下面介绍几种常用的方
法。
2 测量方法
直流电阻的测量方法很多,基本方法包括直流
压降法和电桥法,此外还有高压充电低压测量法、
磁通泵法、二阶振荡法、动态测量法、短路去磁法
[1]和恒流源法等。本文主要介绍几种与大电感绕组
直流电阻测量相关的方法。
2.1 增大回路电阻的电路突变法[2]
增大回路电阻的电路突变法原理电路如图所示,测
量电流与时间的关系如图所示
AN
E
K
R
Rx
Lx
图2-1 测量原理电路图
t 3 t 2
i
I
1
2
i '
i ' '
I = E / R + R x
t
图2-2 测量电流的指数曲线
当k闭合,AN也闭合时,回路电流方程为:
' '1( )
x
t
E
i e
R
, ' x
x
L
R
(2-1)
AN断开时,回路电流方程为:
'' ''1( )
x
t
U
i e
R R
, ''
x
x
L
R R
(2-2)
由于R>>Rx,所以 。测量时,将按钮AN闭
合,附加电阻R短路,使全部电压加在被试绕组上,
电流沿曲线1以较大的速率上升,一直达到预定的
电流I(
x
E
I
R R
) 时断开按钮AN,则电流i由曲线1
立即稳定到曲线2的稳定值,绕组的充电时间将由
t2(t2≈5 '' )缩短到t3。若采用常规测量方法的充电时
间为t1(t1=5 ),则 13 2t t t ,可见该方法能缩短
测量的时间。
近年来,在电阻突变法基础上,进一步进行研究和
发展,提出了全压-恒流电源法。它是建立在电路
的强制稳态的基础上,目的是研究大电感电路的过
渡过程。
2.2 全压-恒流电源法[3]
全压—恒流电源法是建立在电路的强制稳态
的基础上,强调开始加全压(高压)来迅速提高线
圈的电流,缩短过渡过程。然后,用小电流恒流源
稳定电流来进行测量,是研究大电感电路的过渡过
程比较好的方法。
全压—恒流电源法的原理如图2所示
E
Rc
D
I0
R
L
+
-
k
比较放
大和
执行
UR
+
-
图2-3 全压—恒流电源法的原理图
试验开始,比较放大和执行单元中的开关K 闭合,
全压电源通过采样电阻Rc和全压开关K加到被试品
绕组的两端,对被测量绕组进行充电.E的值取决于
测量绕组的L、R所要求的充电时间的恒流值I0。当
充电至t1时,回路电流瞬时值为I0 ,采样电阻压降
Un=I0*Rc,这时比较放大和执行单元通过分析,动
作断开K。于是,隔离二极管D自动导通,恒流源向
被测量绕组供给I0电流。电路的电流被强迫稳定在
I0上,电路进入强制稳态。读UR的值,计算出直流电
阻值。全压—恒流充电时间很短,与测量时间相比,
可以忽略,这就提高了工作效率。
2.3 助磁法[4]
“助磁法”就是迫使铁芯迅速趋于饱和,从而
降低自感效应,减小回路电感,缩短测试时间。把
高压绕组、低压绕组串联起来,通以电流测量,采
3
用同相位和同极性的高压绕组助磁。 由于高压绕
组的匝数远比低压绕组匝数多,借助于高压绕组的
励磁安匝数,用较小的电流就可使铁芯饱和,从而
使绕组电感大大减小, 以缩短测试时间, 而达到
快速测试的目的。这就是助磁法快速测量大容量变
压器低压绕组直流电阻的原理。下图为/接法的
变压器“助磁法”测量的原理接线图,其他接法的
原理图类。
uac+ -
A B C
a b c
+
-
I0
图2-4 测Rac
+ -
A B C
a b c
+
-
ubc
I0
图2-5 测Rbc
Uab+ -
A B C
a b c
+
-
I0
图2-6 测Rab
图2-4接线原理图中,引出a、c端线接一个电压表测
量电压Uac,精密恒流源I0提供测量电源,由于高压
侧助磁的作用,低压侧磁通饱和,电感值变小,过
渡过程缩短,很短时间内就可以读数值。据公式
0
ac
ac
U
R
I
,同理,利用原理图2-5、2-6接线测量,
能快速的得到Rbc、Rab数据,据
( )a b c
ac
a b c
R R R
R
R R R
( )c a b
bc
a b c
R R R
R
R R R
( )b a c
ab
a b c
R R R
R
R R R
,解可得Ra、
Rb、Rc值,测量误差在允许的范围内。
3 目前几种方法测试结果的分析与比较
用普通方法测试大型变压器低压侧绕组的直
流电阻值,测量两相阻值Rbc、Rac各需要30分钟左
右电流达到稳定,测量Rab 时电流稳定则需要一个
至两个小时,有时依然不稳定,导致导线与仪器的
发热,不能继续工作。数据的精度也达不到要求。
总体看来,这么长的时间的测量及较大的测量误
差,在工作中是不能接受的。
依据“2.3 助磁法”中的原理接线图对保定变
压器厂的变压器成品进行出厂前低压侧绕组直流
电阻测量,变压器型号为SFP-720000/500,低压侧绕
组助磁法测试结果见表3-1:
表3-1 助磁法测试结果
相别 数值/ 充电稳定时
间/min
稳定状况 恒流源充
电电流
ac 0.0006959 11 稳定 20A
ab 0.0006929 16 稳定 20A
bc 0.0008878 13 稳定 20A
由以上数据看出测量时间缩短到十几分钟,测
试速度提高了一倍多,同时三相电路状态均达到稳
定,经计算,测量误差也远小于所要求的±2%。由
此看来,助磁法是一个比较好的测试方法。
全压-恒流电源法对大容量变压器的测试,与普通
方法相比,测量速度与测量精度都有很大的提高,
但与助磁法相比测量时间还要长些。
综上所述,现有的测量方法存在以下几点的问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
和
不足:
(1)三相绕组的测量时间最短仍有四十分钟左右,
还有进一步缩短的空间和必要。
(2)当用助磁法测量不同相的电阻值时,要注意绕
组中剩磁对测量电源产生磁通的抵消作用,试
验中看到如果两者方向相反,对测量的速度和
准确性有严重影响。
(3)由于大型变压器低压侧绕组呈Δ连接,并联绕
组存在互感,使得充电时间变长。使测试数据
的不稳定,不仅使测试数据缺乏可信度,更增
加了对设备状况判断的难度。
(4)试验表明:Δ低压侧接线的变压器低压侧直流
电阻测试时,总是存在着“两快一慢”问题,
有一相绕组的测量时间会很明显的比其它两相
4
的长很多,甚至充电电流不能达到仪器所要求
的稳定程度,使三相测试数据不具备可信的比
较判断作用。因此,对于大型变压器低压侧Δ
型接线直流电阻的测试,还必需进行进一步方
法上的研究。
4 新测量方法的研究
为进一步更加快速、准确的测得大电感低压侧
绕组的直流电阻值,减小测量误差,提出了全压-
恒流电源法与助磁法相结合一种新的测量方法。新
方法测量Rac的原理接线图如下:
E
D
I0
+
-
k
比较放
大和
执行
uac+ -
A B C
a b c
Rc
图4-1 新方法测Rac原理图
图4-1看出,新方法引入全压-恒流电源作为测
量电源,比单纯用恒流源供电优点是以较高的电压
能更快速提升电感中的电流值,缩短达到稳定的时
间。由于被测品不是一个的绕组线圈,而是两个绕
组线圈组的串联,所以瞬间加在低压测a,c端的电压
Uac应小于直流电压值E,然后逐渐稳定,总体趋势
是下降的。电流的变化规律正相反,总趋势是上升
到稳定。其电压、电流变压波形如图4-2:
u、i
I0
Uac
i
u
t0 t1 t
E
t20
图4-2 新方法充电过程电压-电流波形图
t0时刻电流升至I0,直流电压源断开,恒流源通过二
极管供电,t1时刻稳定到I0值。t2时刻电压表也达到
稳定值,这样计算可得电阻值。其他两相的电阻值
同理可得。
经计算机仿真试验,其测量速度和精度都优于
助磁法和全压-恒流电源法所得结果。
试验过程中还发现比较执行单元的良好性能是这
种方法的快速测量成败的关键。如果动作过晚,电
路中电流较大,有可能对器件造成损害;倘如过早,
电流会有很长的上升时间,不能快速进入稳态,影
响测量的快速性,失去了使用此方法的意义。
同时稳定性能更好﹑纹波系数更小的全压电压源
和精密恒流源的研发制作,是进一步研究的方向。
5 结论
1) 采用高压-小电流恒流电源可以实现对大型
变压器绕组电阻的快速测量。这样助磁法中的
“两快一慢”问题也有很大的改观,“两快”
绕组的测量时间与“一慢”绕组的测量时间的
差距明显缩小,充电电流很快就能达到仪器所
要求的稳定程度。
2) 整个测量过程中电压源的断开和恒流源的接
入都是自动完成的,不仅测试方便,还消除了
人为操作带来的误差。
3) 有较高的精度,调节Rc值,能实现较宽的测量
范围。
4) 测量当中,针对助磁法中剩磁消磁的问题,只
要接线时,注意测量时铁芯中的磁通方向与测
试其他相后剩磁方向相同,即保持它们的一致
性,以达到剩磁助磁而不是剩磁消磁的目的,
就可以解决。
5) 对于并联绕组存在互感问题,这个新方法没有
从消除互感影响入手来解决问题,而是加全压
来迅速提高线圈的电流,在短时间内使过渡过
程强制稳定,大大提高了数据的可信度。
参考文献
[1] 王亮,电力变压器直流电阻快速测量的研究:[学位论文];保定,
华北电力大学图书馆,2002
[2] 李满坤,周理兵 大型变压器直流电阻测试的方法及特点,变压器,
2000,(7):35-39
[3] 王景吾,变压器实验技术,变压器,1998,35(12);39-42
[4] 王朗珠,姚一平 "助磁法"在大型变压器低压侧直流电阻测试中的
运用,高压电器,2003,(2) :59-60
作者简介:
甄旭锋,(1977-)男,河北保定人,汉族,硕士研究生,
主要研究方向为电力系统运行,分析与控制。Email:
zhenxufeng921@163.com。
梁志瑞,教授,主要研究方向电力系统监测与控制、电气设
备故障诊断分析