短路阻抗法變壓器繞組變形測(cè)試儀的基本原理與測(cè)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(duì)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(guò)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(lèi)設(shè)備的反事故技術(shù)措施的要求，對(duì)已承受過(guò)短路沖擊的變壓器，必須進(jìn)行變壓器繞組變形測(cè)試。
變壓器繞組變形測(cè)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?，F(xiàn)就短路阻抗法變壓器繞組變形測(cè)試技術(shù)問(wèn)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(cè)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(duì)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(shì)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(jiàn)圖1。
(1)
變壓器是電力系統(tǒng)中主要電氣設(shè)備之一，對(duì)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(guò)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(lèi)設(shè)備的反事故技術(shù)措施的要求，對(duì)已承受過(guò)短路沖擊的變壓器，必須進(jìn)行變壓器繞組變形測(cè)試。
變壓器繞組變形測(cè)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?，F(xiàn)就短路阻抗法變壓器繞組變形測(cè)試技術(shù)問(wèn)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(cè)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(duì)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(shì)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(lái)判斷繞組是否變形，只要將測(cè)得的短路阻抗與變壓器正常時(shí)的測(cè)量值(如出廠數(shù)據(jù))相比即可。
3、變壓器繞組變形測(cè)試對(duì)試驗(yàn)儀器的基本要求
用于現(xiàn)場(chǎng)變壓器繞組變形測(cè)試的短路阻抗測(cè)試儀除必須具備攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、具有良好的測(cè)試精度及測(cè)試重復(fù)性外，還必須具有良好的抗干擾能力。現(xiàn)場(chǎng)的干擾主要來(lái)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(chǎng)的50Hz同頻干擾?，F(xiàn)就以上三方面因素對(duì)短路阻抗測(cè)試值的影響及消除措施簡(jiǎn)述如下。
3.1 消除試驗(yàn)電源諧波對(duì)測(cè)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(duì)變壓器短路阻抗的測(cè)試值有較大的影響。設(shè)被試變壓器在無(wú)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(cè)試電壓u=α1sin(ωt＋ψ)＋α2sin(3ωt＋ψ1)時(shí)，流過(guò)變壓器的電流為：
根據(jù)短路阻抗的變化量來(lái)判斷繞組是否變形，只要將測(cè)得的短路阻抗與變壓器正常時(shí)的測(cè)量值(如出廠數(shù)據(jù))相比即可。
3、變壓器繞組變形測(cè)試對(duì)試驗(yàn)儀器的基本要求
用于現(xiàn)場(chǎng)變壓器繞組變形測(cè)試的短路阻抗測(cè)試儀除必須具備攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、具有良好的測(cè)試精度及測(cè)試重復(fù)性外，還必須具有良好的抗干擾能力。現(xiàn)場(chǎng)的干擾主要來(lái)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(chǎng)的50Hz同頻干擾?，F(xiàn)就以上三方面因素對(duì)短路阻抗測(cè)試值的影響及消除措施簡(jiǎn)述如下。
3.1 消除試驗(yàn)電源諧波對(duì)測(cè)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(duì)變壓器短路阻抗的測(cè)試值有較大的影響。設(shè)被試變壓器在無(wú)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(cè)試電壓u=α1sin(ωt＋ψ)＋α2sin(3ωt＋ψ1)時(shí)，流過(guò)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(cè)試電源諧波的存在，實(shí)測(cè)短路阻抗值與無(wú)諧波情況下的短路阻抗值之間具有一定的差異。
欲消除測(cè)試電源諧波對(duì)短路阻抗測(cè)試結(jié)果的影響，短路阻抗測(cè)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(cè)試電源諧波對(duì)短路阻抗測(cè)試結(jié)果的影響，滿足變壓器繞組變形測(cè)試分析、判斷的需要。
3.2 試驗(yàn)電源電壓的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響
試驗(yàn)電源電壓的基波分量在測(cè)量周期內(nèi)的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)量誤差。
為減小試驗(yàn)電源電壓不穩(wěn)定性帶來(lái)的短路阻抗測(cè)試誤差，通常的方法是通過(guò)多次測(cè)量求平均值的方法來(lái)解決，但效果并不很理想，同時(shí)還會(huì)延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間。欲有效解決上述問(wèn)題，短路阻抗測(cè)試儀必須對(duì)測(cè)量周期內(nèi)所采集到的信號(hào)進(jìn)行分析與運(yùn)算，較大程度地減小測(cè)試誤差，同時(shí)也不延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間。
3.3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的50Hz同頻干擾
試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的50Hz同頻干擾主要來(lái)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(cè)量回路所產(chǎn)生的干擾。
欲減小試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的50Hz同頻干擾對(duì)短路阻抗測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)電暈干擾較大時(shí)可采用測(cè)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(cè)試連接方式
變壓器短路阻抗測(cè)量采用伏安法。該方法適用于單相和三相變壓器。測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試精度，電壓測(cè)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(jí)上或2～10A為宜，試驗(yàn)電流不能太大，否則由于電源的過(guò)載使試驗(yàn)電壓波形嚴(yán)重畸變，影響測(cè)試精度。
通過(guò)對(duì)使用TPRBC型短路阻抗儀測(cè)得的50臺(tái)各種類(lèi)型變壓器的短路阻抗測(cè)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％?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)試分析判斷原則
繞組變形以后的變壓器，運(yùn)行中檢測(cè)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(wèn)題而是一個(gè)綜合的問(wèn)題。短路阻抗法變壓器繞組變形測(cè)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(cè)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(yǔ)
(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(cè)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(cè)試為目的的變壓器短路阻抗測(cè)量。
(3)以變形測(cè)試為目的的變壓器繞組短路阻抗測(cè)試儀，除應(yīng)具有良好的測(cè)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(cè)試分析判斷時(shí)，當(dāng)用同一試驗(yàn)儀器、同一測(cè)試方法測(cè)試結(jié)果的差異大于2％，應(yīng)引起注意。
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欲消除測(cè)試電源諧波對(duì)短路阻抗測(cè)試結(jié)果的影響，短路阻抗測(cè)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(cè)試電源諧波對(duì)短路阻抗測(cè)試結(jié)果的影響，滿足變壓器繞組變形測(cè)試分析、判斷的需要。
3.2 試驗(yàn)電源電壓的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響
試驗(yàn)電源電壓的基波分量在測(cè)量周期內(nèi)的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)量誤差。
為減小試驗(yàn)電源電壓不穩(wěn)定性帶來(lái)的短路阻抗測(cè)試誤差，通常的方法是通過(guò)多次測(cè)量求平均值的方法來(lái)解決，但效果并不很理想，同時(shí)還會(huì)延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間。欲有效解決上述問(wèn)題，短路阻抗測(cè)試儀必須對(duì)測(cè)量周期內(nèi)所采集到的信號(hào)進(jìn)行分析與運(yùn)算，較大程度地減小測(cè)試誤差，同時(shí)也不延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間。
3.3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的50Hz同頻干擾
試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的50Hz同頻干擾主要來(lái)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(cè)量回路所產(chǎn)生的干擾。
欲減小試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的50Hz同頻干擾對(duì)短路阻抗測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)電暈干擾較大時(shí)可采用測(cè)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(cè)試連接方式
變壓器短路阻抗測(cè)量采用伏安法。該方法適用于單相和三相變壓器。測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試精度，電壓測(cè)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(jí)上或2～10A為宜，試驗(yàn)電流不能太大，否則由于電源的過(guò)載使試驗(yàn)電壓波形嚴(yán)重畸變，影響測(cè)試精度。
通過(guò)對(duì)使用TPRBC型短路阻抗儀測(cè)得的50臺(tái)各種類(lèi)型變壓器的短路阻抗測(cè)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％?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)試分析判斷原則
繞組變形以后的變壓器，運(yùn)行中檢測(cè)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(wèn)題而是一個(gè)綜合的問(wèn)題。短路阻抗法變壓器繞組變形測(cè)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(cè)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(yǔ)
(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(cè)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(cè)試為目的的變壓器短路阻抗測(cè)量。
(3)以變形測(cè)試為目的的變壓器繞組短路阻抗測(cè)試儀，除應(yīng)具有良好的測(cè)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(cè)試分析判斷時(shí)，當(dāng)用同一試驗(yàn)儀器、同一測(cè)試方法測(cè)試結(jié)果的差異大于2％，應(yīng)引起注意。
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