助磁法测变压器直流电阻

1 大型变压器低压侧绕组直流电阻快速测试方法的研究 甄旭锋，梁志瑞 （华北电力大学电气学院，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]；保定， 华北电力大学图馆，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