变压器入口电容测量方法探析

黄炫磊 马 斌 张冠军 王 强 张嘉楠

（1.保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071050；2.河北省输变电装备电磁与结构性能重点实验室，河北 保定 071050）

0 引言

在变电站防雷保护设计时，通常需要主要电气设备的入口电容参数，目前多数电力设备的入口电容参数很多情况下是通过能量等效法计算或估算得来的。但是对电力变压器来讲，由于不同类型变压器线圈结构不同，雷电波入侵绝缘耐受状态也不同，因此，入侵雷电波波前作用时间会影响等效电容计算值。能量等效计算法的前提是线圈在雷电波作用下越接近理想电容分布越准确，一旦出现雷电波较陡，作用时间不同会导致线圈内产生感性电流，感性电流引起的波形振荡较大，就无法通过该方法进行计算，通过测量的方式得出变压器产品实际的入口电容值成为一种有效可行的手段。

设计变压器端部绝缘耐压能力时也需要考虑影响起始电压分布的首端开口电容值。精准的变压器入口电容测量不仅能对变电站防雷保护设计提供可靠的入口电容参数，而且对变压器绝缘结构优化设计也有重要的意义。

1 测量方法

电力变压器运行时回路上雷击过电压频率一般在200kH~600kH，在这样的高频下，变压器入口电容的等效电容与变压器绝缘结构电容值有本质的区别。因此变压器入口电容测量的试验源必须是高频信号，测量结果才能更接近实际的入口电容值。目前常用的测量方法有两种：方波脉冲信号法和冲击脉冲信号法。

1.1 方波脉冲信号法

方波脉冲信号法是利用方波脉冲信号发生器输出信号进行入口电容值测量，从被试绕组套管首端注入高频方波信号，等效回路图如图1所示。

图1中C为变压器入口电容，C为高压高管电容，C为检测阻抗单元电容，当从变压器套管端头对地注入方波脉冲信号时，在C两端产生脉冲电压ΔU，其视在放电量为q，在ΔU作用下C两端的脉冲电压为e。当从高压套管端头对套管测屏注入方波脉冲信号时，在两端产生脉冲电压ΔU，其视在放电量为q，在ΔU作用下C两端的脉冲电压为e，当e=e时，图1可以推导出变压器入口电容，如图1所示。

图1 变压器入口电容方波响应法等效回路

式中：C为变压器入口电容，C为高压高管电容，q为方波信号从变压器套管端头对地注入方波信号时视在放电量，q为方波信号从变压器套管端头对测屏注入方波信号时视在放电量。

测量系统由脉冲峰值表、检测阻抗单元、测量电缆和方波脉冲信号发生器组成。

现在局部放电测试仪都自带脉冲峰值表，因此可以利用实验室的局部放电测试仪代替脉冲峰值表。检测阻抗单元通常是一个有源或者无源的二端口网络，其主要作用是把输入电流转换成电压信号输出，然后通过信号传输系统传给测量仪器，同时还可以对试验电压及谐波的低频信用予以抑制。方波脉冲信号发生器由阶跃电压脉冲发生器和电容串联组成。

测量方法为先在变压器被试绕组线端与地之间注入已知电荷，读取脉冲峰值表读数，得到分度系数=/。保持分度系数不变，在套管与测屏之间注入等量电荷q=，读取脉冲峰值表读数，测得视在放电电荷q=。因为套管电容C已知，因此代入式（1），即可求得方波脉冲信号法测量入口电容值。

这种方法的优点是不用额外购置专用仪器设备也可以完成变压器入口电容的测量。但是注入方波信号频率一般在1000Hz以内，因信号频率远低于雷电波频率，与雷电冲击波作用下变压器等效电容偏差较大一般在20%~30%。而且变压器有些绕组引出套管是没有测屏的，就无法使用该方法进行测量。

1.2 冲击脉冲信号法

冲击脉冲信号法是利用冲击脉冲信号发生器输出信号进行测量的，从被试变压器绕组套管首端注入冲击脉冲信号，等效回路如图2所示。

图2 变压器入口电容信号发生器法测量回路

根据图2推导出，变压器入口电容如公式（2）所示。

式中：C为变压器入口电容，C为可调电容器电容，U为冲击脉冲信号从变压器套管端头对地注入时可调电容器两端电压，U为冲击脉冲信号从变压器套管端头对地注入时C两端产生的脉冲电压。

测量系统由脉冲信号发生器、可调电容和示波器组成。

测量方法，由公式（2）可知当冲击脉冲信号发生器输入信号电压，通过调节可调电容C，用示波器2个通道测量电压值，当U=U=50%时，C=C，可调电容器电容值为变压器入口电容值。

使用冲击脉冲信号法测量的优点是可通过调节冲击脉冲信号发生器本身电容、电阻实现输出标准雷电冲击波形。输出电压很低，一般选择100V的输出电压进行测量，对变压器被试绕组无任何破坏。冲击脉冲信号法测量可调电容和套管端头电压，即便是套管没有测屏引出，仍然可以完成测量。测量使用的可调电容器精度很高，准确度：10×1uF组+0.2%，10×01uF组 +0.2%，10×0.01μF组 +0.2%，10×0.001μF组 +0.5%，10×0.0001uF组 +2%，10×0.00001uF组+5%。

1.3 检测时的干扰和抗干扰措施

方波脉冲信号法和冲击脉冲信号法的测量电压都很低，一般在100V以内，属于一种微量检测，检测环境中的各种干扰信号对检测影响很大，因此无论在屏蔽良好的实验室内还是工程现场，都会受到干扰影响。测量干扰的来源主要有无线电波、电力系统的载波信号、电焊作业、附近的高压电场、电动工具的使用、已经供电网中整流设备的可控硅元件的开闭等。为了精准地测量，常用降低干扰的措施是屏蔽、滤波和接地，即将试验区域内所有不参与试验的金属部件牢靠接地，试验供电电源通过滤波器供电。冲击脉冲信号法测量时需要将试验回路所有接地线通过绝缘支撑保证一点接地。

1.4 两种测量方法应用比较

为了验证方波脉冲信号法和冲击脉冲信号法在实际应用时的偏差，选择在同样的测量条件下测量一台型号为DFP-250000/220的电力变压器高压绕组入口电容值，并将测量结果进行对比。

试验前确定变压器状态满足测量条件，使用方波信号发生器由该变压器高压绕组A相首端对地注入方波电量500pC，频率设置1000Hz，该变压器高压套管电容值285pF，将分度系数设为1，则在同样分度系数为1的情况下，在首端与测屏之间接入方波信号，测得视在放电量为1750pC，调整方波信号发生器发出信号频率500Hz，测得实在放电量也为1750pC，说明这两个频率测量结果偏差极小。

将变压器套管值和测量的视野在放电量代入公式（1）可得该方法下测量该台变压入口电容为C=285×1750/500=998pF。

试验前确认变压器状态满足测量要求。使用冲击信号发生器输出电压信号通过可调电容串联接高压A端头，其余端子接地，调节冲击信号发生器电容、电阻参数，使输出脉冲波形波头时间=0.9μs，波尾时间=45.0μs。用示波器通道1测得输出电压100V，将电容箱电容值从0开始调节调整至通道2波形电压值50V，读取此时电容箱电容值1300pF，即冲击脉冲测量法测得该变压器入口电容值1300pF。

通过比对可以发现方波脉冲信号法测量结果比冲击信号测量法值偏差30%左右。

2 一种变压器入口电容测量方法

通过分析比较发现冲击脉冲信号发生器的试验接线回路与雷电冲击试验接线回路一致，而且电压信号产生原理近似，因此选择由冲击脉冲信号法测量得到的变压器入口电容值更接近变压器遭受雷电波入侵时的等效入口电容，根据该方法原理设计一种变压器入口电容试验方法。变压器入口电容试验是一种特殊试验，一般在技术协议中要求将测量值提供给用户即可。

2.1 试验接线

一般在变压器装配后满足试验条件，会按国标要求顺序进行试验，因试验接线近似，入口电容测量试验一般在变压器雷电冲击试验前后进行，试验接线如图3所示。

图3 变压器入口电容测量试验接线图

在进行变压器入口电容测量时，冲击脉冲信号发生器与被试变压器绕组端头之间的连接线应尽量短，避免测量线路干扰对测量结果造成误差。

2.2 试验仪器

试验系统主要使用设备参数如下。

示波器。示波器的作用主要用来采集测量波形，为了保证测量的精度，采样率应不低于60MSa/s，垂直分辨率在9bits以上，因为采样率太低将无法满足波形参数的计算要去，垂直分辨率的高低直接影响着测量的精度。该研究选用的示波器参数为带宽200 MHz，采样率2.5GSa/S，记录长度10m，模拟通道4，数字通道16，上升时间2ns，能够满足测量要求。

精密电容箱，选用旋钮式十进电容箱，可工作在直流或交流电路中，由不同个数的十进开关组件组合而成，每个十进开关组件由几个不同容量的电容并联组成1~10个步进。最大容量 0.00001μF~11.11110μF，最小步级 0.00001μF，可变范围 0.00000μF~11.11110μF。

脉冲信号发生器，一种模拟发生各种冲击脉冲波形的仪器。通过选择开关改变冲击冲线路中不同的参数，可以得到不同的类似于高压实验室里高压冲击脉冲波发生器的波形。可用于电机、电抗器、电力变压器，仪用变压器等线圈内部冲击脉冲电压分布的模拟试验和绝缘缺陷的定位。对线圈无任何损坏。还可用于高压冲击脉冲发生器中波前、波尾电阻等参数预置，测试系统的传输特性以及电缆和线圈等的瞬态波形的测量。充电电压的幅值从0V~400V可调。重复频率为25Hz。输出电压0V~1000V可调节，截断时间0μs~10μs可调节，输出波形包括雷电冲击全波形、雷电冲击截波波形、操作冲击波形，可调节内容包括波头电阻、波尾电阻、波头并联电感、主电容、负荷电容，输出波形样式包括单次、重复，波头调节范围为10Ω~15000Ω分20档可调，波尾调节范围为3Ω~8000Ω分20档可调，波头并联电感调节范围为10μH~100μH分10档可调，主电容调节范围5nF~1000nF分20档可调，负荷调节范围0.5nF~100nF分20档可调。对绝大多数常见结果的变压器绕组，均能调节出满足参数要求的标准冲击波形。

2.3 试验方法

按照图3进行试验接线，在冲击脉冲信号发生器与被试绕组线端之间串联接入可调节标准电容，通过调节脉冲信号发生器的电容、电阻参数调节出标准雷电冲击波形，这里需要注意的是，在脉冲信号发生器法测量变压器入口电容值时，经验反应波前时间一般调节到0.8μs~1.0μs测量的结果最准确。使用示波器通道1测量脉冲信号发生器输出电压波形及电压，通道2测量被试绕组线端电压波形及电压，脉冲信号发生器输出电压。调节可调电容器，使绕组线端电压=50%。取可调电容器此时电容值为变压器被测绕组入口电容值。

3 一些典型结构变压器测量结果

笔者对几种典型结构、不同电压等级的变压器进行了入口电容测量，希望供读者参考，测量结果如表1，这里需要注意的是不同厂家产品结构不同，可能与该公司产品测量数值存在偏差，但是偏差不会太大，在参考时还需以实际测量结果为准。

表1 几种典型结构变器入口电容值

笔者对表1数据进行分析，发现变压器低压绕组入口电容值远大于高压绕组入口电容值，同样高压绕组入口电容值随电压等级提高而增大，这是跟线圈结构相关的。

4 结语

该文进行了变压器入口电容测量试验的研究，分析了两种常用测量方法的原理，并在同一产品上进行测量结果比对。

设计了一种变压器入口电容测量试验方法，并按照该方法对几种典型结构的变压器进行了测量，提供了测量结果供读者作为参考数值。并得出以下结论。方波脉冲信号法和冲击脉冲信号法均能测量变压器等效入口电容值，但是由于测量原理不同，测量结果方波脉冲信号法与冲击脉冲信号法测量结果相差20%~30%，由于脉冲信号法测量回路与变压器雷电冲击试验回路一样，因此测量结果更接近变压器在遭受雷电波入侵时的等效入口电容值。

方波脉冲信号法和冲击脉冲信号法均属于微量检测，影响测量结果的环境因素很多，尤其是空间、电源和地回路的干扰对测量结果影响很大，因此测量时要采取抗干扰措施。

在使用冲击脉冲信号法时，因为输出信号波形可以通过调节仪器电容、电阻参数进行调节，为了保证输出波形的陡度，尽量将波前时间调节到0.8μs~1.0μs，这样测量结果最准确。

通过比较发现方波脉冲信号法测量回路接线简单，测量时间较短，使用局部放电测量试验仪器设备即可完成测量，在对测量结果精度要求不高和无法购置专业测量设备的情况下可以采用这种方法，对测量结果精度要求较高，建议购置脉冲信号发生器等专用测量仪器使用冲击脉冲信号法进行测量。