基于扫频电阻法的变压器绕组材质辨识方法及实验验证

陈俊晔, 沈子伦, 李新宇, 王亚伟, 尹忠东*, 郑志曜

(1. 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室, 北京 102206; 2. 浙江华电器材检测研究院有限公司, 杭州 310000)

变压器作为电网的核心运行设备之一,其质量直接影响电力系统的安全性与稳定性。变压器绕组的选材和设计对变压器的运行安全及寿命有重要影响,铜导体因具有电阻率低、热传导系数和熔点高、抗拉强度高、焊接工艺成熟、耐腐蚀性强等优点成为变压器绕组的首选材料。铝导体因具有资源丰富、价格低廉等特点成为变压器绕组材质的替代材料[1]。然而,铝导体的强度低、耐腐蚀性差、焊接难度大等特点,使铝绕组变压器具有更大的安全风险和更高的运行维护成本,因而中国铝导体的应用场合较少。目前,国家电网公司采购的变压器均要求为铜绕组变压器,但是部分生产厂商为了追求经济效益,以铝变压器假冒铜变压器,通过改变导线截面积、绕组匝数、铁芯尺寸等参数,使铝变压器与铜变压器的外特性一致。据统计,一台双绕组变压器,每年要承受十几次甚至几十次各种类型的短路故障,若使用“以铝代铜”的造假变压器将会给电力系统带来巨大的安全隐患[2]。

然而,目前中外还没有一种成熟的技术或仪器设备能迅速准确地鉴别出变压器绕组的材质,因此有必要对变压器绕组材质鉴别的课题进行研究。国外配电网按照铝绕组变压器运行性能进行设计,使用铝绕组变压器较多,并且诚信体制完善,会在变压器产品铭牌中表明绕组材质,因而国外对于此方面研究甚少[3-4]。中国学者们利用绕组材质本身特性和变压器性能参数之间的关系,提出了一些辨别方法。文献[5]测量某企业生产的不同导线材质的油浸式变压器的外观数据,分析了铜铝绕组配电变压器电气性能、结构尺寸、价格比例的差异,探讨了配电变压器绕组材料鉴别的可能因素。文献[6]提出了一种基于热电效应的变压器绕组材质无损鉴别方法,但是该方法受加热方式的限制,在测量油浸式变压器时需要进行吊芯处理。文献[7]提出了利用铜铝电阻温度系数的差异特性来辨别变压器材质的方法,该方法对实验条件要求高,且实验周期长,不适合大规模检测。文献[8-9]提出了通过X射线来辨别变压器绕组材质的方法,该方法测试装置复杂,对测试环境要求高,不适合在工程现场开展测试工作。文献[10]提出了一种基于改进自然降温法的变压器内部绕组材质无损检测方法,该方法通过对变压器进行升温和自然降温计算电阻温度系数,并基于此实现绕组材质检测。文献[11]通过数据搜集建立了配电变压器绕组参数标准数据库,得到绕组参数分布的概率密度曲线,再根据绕组参数的影响因子,建立分析模型综合判定变压器绕组的材质,由于变压器生产工艺较为复杂,不同时间或不同厂家生产的同种变压器结构参数会有较大不同,因此使得该方法的辨识准确性较低,只可以作为一种辅助判断方式。

除此之外,相关学者还研究了合金分析法、金属探测法、钻孔取料解剖法等辨别方法[12]。吴燕等[13]根据铜铝导线的电阻变化率曲线的转折频率不同的特性提出了基于电阻频响法的辨识方法。边美华等[14]提出电涡流检测辨识法。夏越婷等[15]对比铜铝绕组线圈在不同频次下的谐波电阻提出了基于谐波模型的变压器绕组材质辨识方法。这些检测方法一定程度上为变压器绕组材质检测提供了思路,但是深入研究发现,已有的大多数方法在实际操作中存在准确性不高,检测周期长,试验环境不稳定等问题。

鉴于以上研究方法的不足,现提出一种基于扫频电阻法的变压器绕组材质辨识方法,并进行相关实验验证,该方法测试设备简单,对检测环境没有特殊要求,且测试成本低,辨别准确度高,具有较高的工程应用价值。

1 变压器绕组辨识的原理

1.1 谐波电阻辨识原理

当导体中有交变电流时,其产生的交变电磁场会使导体内部电流分布不均匀,越靠近导体表面,电流密度越大,当频率高于一定值时,导体中心几乎没有电流。如图1所示,当导体内电流密度从表面向内减小到表面电流密度的1/e时的深度称为趋肤深度,其中e为自然常数。趋肤深度用δ表示,计算公式为

(1)

图1 圆导体内趋肤深度示意图Fig.1 Schematic diagram of skin depth in circular conductor

式(1)中:ω为角速度,ω=2πf;μ为导体的磁导率;ρ为导体的电阻率。

由于铜导体和铝导体的相对磁导率都接近1,可认为其磁导率相近,因此相同频率下铜铝导体的趋肤深度主要受电阻率的影响。铝导体的电阻率约为铜导体的1.5 倍,在流过相同的高频电流时,两种导体的趋肤深度会有明显不同。

工频下由于电流密度分布较为均匀,电阻的计算公式可以近似为

(2)

式(2)中:l为导体长度;S为导体截面积。

结合图1和式(1)可以得到在高频下导体的有效导流面积为

(3)

式(3)中:r0为导体截面半径。

结合式(2)和式(3),不同类型导体的趋肤深度不同,使得在施加相同频率的高频激励时导体有效导流面积不同,进而导体的谐波电阻会不同,因此考虑通过探究铜铝导体在高频下的谐波电阻特性来实现铜铝变压器的辨识。尽管由式(3)可以得到导体的有效导流面积,但是在高频下导体电流密度分布并不均匀,因此不能简单使用式(2)进行导体谐波电阻的计算。

1.2 变压器绕组的谐波电阻计算

在圆柱坐标系下,理想的圆截面长直导体具有轴对称性,则电流密度、磁场强度与φ轴和z轴无关。根据电磁场原理,有

(4)

式(4)中:j为复数单位;r0为导体截面半径;r为导体内一点距导体中心的距离;J为导体内一点的电流密度;H为磁场强度;μ为磁导率;σ为电导率。

(5)

(6)

式(6)中:ber0(u)、bei0(u)为第一类开尔文函数。

根据式(6),长直圆导体电流密度表达式(5)可以改写成

(7)

结合式(4),得出导体内的总电流为

(8)

结合式(5),得到单位长度导体电动势为

(9)

(10)

式(10)中:Rs为等效短路电阻;Xs为等效短路电抗。

进而得到高频下长直导线单位长度电阻为

(11)

对于由长直圆导体绕制而成的变压器绕组,其直流电阻为

(12)

式(12)中:N为绕组匝数;lT为绕组一圈的平均周长;rL为绕组导体单位长度电阻;D为导体直径;ρ为导体电阻率[17]。

结合长直导体的电阻计算式(11)及直流电阻计算式(12),推导得出具有Nl层线圈的绕组的交流谐波电阻计算公式为

(13)

式(13)考虑了横向磁场进入绕组时的不均匀性,使得计算结果同实际数值更加接近。表1是两台SCB13-800/10/0.4干式变压器的A相高压绕组数据,使用式(13)进行计算,得到两绕组的谐波电阻曲线如图2所示。

表1 两台800 kVA变压器A相高压绕组参数Table 1 Parameters of phase a high voltage winding of two 800 kVA transformers

图2 铜铝变压器绕组谐波电阻计算结果Fig.2 Calculation results of harmonic resistance of copper aluminum transformer winding

在基频下,两台变压器绕组谐波电阻数据接近,随着频率的升高,铝绕组的谐波电阻数值逐渐高于铜绕组且两者差值持续增大,由此可见,不同材质长直导体在高频下谐波电阻差异的特性应用在变压器绕组上依旧适用,因此可以利用这一特性进行变压器绕组材质的识别。

1.3 变压器空载损耗对实验的影响

当对变压器绕组注入的激励频率较低时,变压器可以等效为由电感及电阻组成的集中参数电路。如图3所示,在变压器二次侧短路的情况下,变压器励磁电压较低,铁芯磁通密度较小,其等效阻抗Zm远大于两侧绕组阻抗Z1和Z2,使得空载损耗远小于短路损耗,因此可以忽略空载损耗等效支路。

Ui、Uo为变压器低频等效电路的端电压;I1为变压器低频等效电路的端电流;Ri1为绕组电阻;Xi1为绕组电抗

随着激励频率的升高,分布参数对变压器绕组回路的影响增大,需要对变压器的空载损耗从原理上做进一步分析。变压器的空载损耗主要由铁芯的磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗构成,三者随频率的变化略有不同,其中铁芯附加损耗主要受铁芯材质和制造工艺等参数的影响,其大小远小于其他损耗,对实验结果的影响较小,因此可以忽略。磁滞损耗Phy和涡流损耗Pc计算公式为

(14)

(15)

式中:d为硅钢片厚度;ρ为硅钢片电阻率;K为励磁电流波形系数。

铁芯的饱和程度随着频率的升高会减小,因此可以忽略高频下铁芯饱和问题。变压器一次侧电压和磁通的关系式为:Us=-j4.44fNBm,本文研究在进行扫频电阻测试实验时,采用恒定电压源激励,因此Us为恒定值,根据Us=-j4.44fNBm可知fBm为恒定值,即,f∝1/Bm可见随着频率的升高,Bm会减小。

根据上述分析,在铁芯不饱和和电源电压一定的情况下,随着频率的升高,二次侧短路状态下的测试回路中空载损耗将会逐渐变小。因而在进行高频短路实验时,依旧可以忽略空载损耗带来的影响,认为短路损耗近似等于铜损。

1.4 测试频率的选取

根据1.3节,随着频率的升高,变压器的空载损耗逐步降低,当加载信号的频率大于10 kHz时,变压器铁芯的励磁作用将会消失[19],此时变压器绕组会等效为一系列由电阻、电容和电感等分布参数组成的线性电路,不利于实验的测试。因此在实际测试时,测试频率的选取应该小于10 kHz。本文研究在前期探究性实验的基础上,选取了在500～5 000 Hz的频率范围内间隔500 Hz,且包含基频50 Hz在内的共11个测试点进行试验。

2 实验对象及扫频电阻测量法的原理

2.1 实验对象及接线方式

配网变压器通常有干式变压器、油浸式变压器和非晶合金变压器3种,本试验测试对象为3类10 kV三相双绕组配网变压器。由于配电网的特殊结构使得配电网变压器常用联结组别为Dyn11。图4所示是一台SB22-400/10/0.4型油浸式变压器外观图。

A、B、C为高压侧出线端子;a、b、c、n为低压侧出线端子

电力系统要求设备三相对称,因此在变压器绕组材质辨识时,可以检测三相中的任何一个单相绕组,但是由于配电网变压器通常高压侧为角形接法,无法只从出线端对变压器的单相绕组进行测试。同时考虑到三相测试增加测试成本和测试难度,不适宜开展大规模测试,因此采用了图5所示接法的测试回路检测。

XA、XB、XC分别为高压侧A、B、C相绕组的电抗;Xa、Xb、Xc分别为低压侧a、b、c相绕组的电抗; RA、RB、RC分别为高压侧A、B、C相绕组的电阻;Ra、Rb、Rc分别为低压侧a、b、c相绕组的电阻

该测试回路将低压侧三相同中性线进行短接,高压侧AB相串联。此时,由于C相出线端子悬空,可认为A相绕组和C相绕组在串联以后和B相绕组并联构成了高压侧等效绕组。低压侧每相绕组自身的等效电阻和等效电抗构成了各自的回路,即

(16)

式(16)中:URa、URb、URc分别为变压器低压侧a、b、c相绕组电阻两端的电压;UXa、UXb、UXc分别为变压器低压侧a、b、c相绕组电抗两端的电压。

根据图5可以看到,使用AB两相串联的测试回路,可以有效地将三相绕组的阻抗参数均反映到测试回路中,因此基于此测试回路的一种等效电路如图6所示。

图6 扫频电阻法测试回路等效电路Fig.6 Equivalent circuit of sweep resistance test circuit

该等效电路的电气关系为

Us=Is(Rs+jXs)

(17)

式(17)中:Us为等效电路的端电压;Is为等效电路的端电流。

实际上,该测试回路不仅适用于Dyn11的联结组别,当变压器绕组为其他联结组别时,该测试回路依旧可以反映出三相绕组的谐波参数。

2.2 扫频电阻法的测量原理及误差分析

对于2.1节提到的测试回路,为提高变压器绕组辨识的准确度,需要对等效电路中的电阻部分进行较为精准的测试。电气设备的直流电阻参数通常是基于欧姆定律来进行测量,即先行测量待测元器件两侧的电压和测试回路中的电流,再通过计算得到电阻参数。使用欧姆定律测量交流电阻参数时,需要利用电压和电流的相位关系来区分测得的阻抗值中的电阻和电抗参数[20]。将图4中变压器的绕组电阻值及感抗值随频率变化的曲线绘制在图7中,可以看出,变压器绕组线圈感抗值较大,电阻值较小,并且随着频率的升高这一差异会更大,若采用直接激励的方式进行扫频电阻测量会带来较大误差[21]。

图7 变压器绕组电阻值及感抗值随频率变化曲线Fig.7 Curve of transformer winding resistance and inductance versus frequency

目前,阻抗参数较为精准的扫频测量方法主要有电桥法、谐振法、I-V法、射频I-V法、网络分析法和自动平衡电桥法等,选用基于自动平衡电桥法测量设备进行测试。自动平衡电桥法的基本原理图如图8所示。图8中电路中激励信号U1大小固定且相角为0,Rs为标准电阻,Cx为待测电容,G为待测电阻,AC支路为待测器件支路,U2为可调电压源,和U1同频率,在测试过程中会随着待测支路参数自动变化以满足电桥平衡。Ucd为C、D两点之间的电压,理想情况下,当电路达到平衡时,由于Ucd=0,可以推导出电桥的平衡方程为

(18)

图8 自动平衡电桥法测量原理图Fig.8 Principle diagram of automatic balancing bridge method

式(18)中:U1、Rs、ω均为已知的固定参数,U2=U2x+jU2y,是设备为使误差信号电压为零所提供的电压,其大小和相位可由控制电路给定,误差较小,其中U2x为U2的有功分量,U2y为U2的无功分量。因此,测试系统的主要误差来源于电压检测器。

在实际测试中,无法确保Ucd完全为零,因此设电桥达到平衡判定条件Ucd

(19)

该测量原理的测量误差主要来源于电桥平衡的判断,只要确保误差信号足够小,就能够较为精确地得到待测电路的G值。由式(19)知,当Ucd趋近于0时,待测参数为

(20)

目前的技术手段可以使平衡桥的误差极小,因此该方法具有较高的测试准确度。本文研究中采用该测量原理的测试设备进行变压器绕组扫频电阻的测量。测试示意图如图9所示,测量模块接收由上位机软件发出的控制信号进行测试,并返回测试数据,上位机软件设计可视化界面便于人机交互,同时软件具备接收测量数据并进行相应处理和展示的功能。改变频率重复测试,即可得到待测器件的扫频电阻曲线。

图9 扫频电阻法测试示意图Fig.9 Test schematic of sweep resistance method

3 扫频阻抗测试系统性能及特点

3.1 数据采集系统

文中选用优策高频LCR数字电桥测试仪UC2876进行实验,设备界面如图10所示,该设备可提供5～200 kHz的连续正弦波激励,Rs内阻为10 Ω,设备测试精确度为0.5%,满足2.2节中变压器绕组电阻参数的测量,设备辐射干扰按GB6833.10标准设计,符合文中的测试环境。

图10 测试设备界面图Fig.10 Interface diagram of test equipment

该设备具有RS232通信接口,可通过RS232系统指令集进行测试数据的传输和控制信号的输入。考虑到测试软件的可移植性和测试设备的一体化设计,文中采用支持多操作系统的labview平台搭建上位机软件,并借助软件内VISA模块实现与测试设备的通讯。如图11为实验设备图。

图11 实验设备图Fig.11 Experimental equipment chart

3.2 实验测量的重复性与准确性

扫频电阻测试系统的重复性是指在相同的测试条件下,包括接线、环境、程序及仪器等条件不变的状态下,在不同的时间内重复测试,评价扫频电阻曲线之间一致性,通常使用扫频范围内测量值的标准偏差来进行衡量。

使用3.1节中的测试设备,将激励电压设置为1 V,对1.3节提到的两台型号为SCB13-800/10/0.4的干式变压器进行多次测试,得到各频率内标准差如表2所示。

表2 多次测试得到的标准偏差Table 2 Standard deviation from multiple tests

由表2中数据可知,在频率为50～5 000 Hz时,标准偏差的最大值为0.198,出现在4 000 Hz的频率点位置,在该点多次测量电阻值的最大值为102.079 Ω,最小值为101.64 Ω,差值为0.439 Ω,重复测量误差为0.4%,多次测量结果差异极小,故设备对变压器的扫频电阻曲线测试具有较好的可重复性。

为了进一步验证该测试系统的稳定性,对其中一台变压器平均间隔24 h进行了7次测试,7次测试的数据结果及标准偏差如图12所示。

图12 间隔24 h的7次实验测试结果及标准偏差Fig.12 Seven test results and standard deviation of 24 h interval

从图12中可以看出,在50～5 000 Hz的测试点中,7条扫频电阻曲线基本相同,且在3 500 Hz左右的标准差最大,约为0.45。结合图2和图12(a)可知,铜铝变压器之间的谐波电阻差值远大于测试误差,因此可以认为在进行变压器绕组材质辨识实验时,扫频电阻测试系统具有良好的测试重复性和稳定性。

由于部分变压器可能存在绕组变形等故障,可能会对实验辨识结果产生影响,需要做进一步分析。对于一般的绕组变形故障,可以通过短路阻抗法进行判断,即认为变压器绕组产生变形故障后,50 Hz短路阻抗值会有较为明显的偏差。因此进一步使用定义法测量基频时测试回路的交流电阻,以验证扫频电阻测试系统在50 Hz时的测量准确性,从而更为准确地对绕组变形故障进行排除。用定义法测量时,首先采用50 Hz工频电源对2.1节中的测试回路进行激励,之后利用高精度电能质量分析仪测量,得到前文变压器的基频等效短路阻抗值。提取图12(a)中7条曲线在50 Hz时测得的电阻和感抗值,计算得到等效短路阻抗值。对两种方式测得的等效短路阻抗值进行比较,如表3所示。

表3 两种方法测得的等效短路阻抗值Table 3 The equivalent short-circuit impedance measured by the two methods

由表3可以看出,使用常规定义法进行测试和使用扫频阻抗测试设备测试得到的变压器等效回路短路阻抗值基本相同,该结果验证了文中所提设备在基频下测试的准确性。因此,可以利用该设备在50 Hz时测得的阻抗值来排除变压器绕组变形故障对绕组辨识结果的影响。

3.3 短路线具对实验的影响

文中的实验测试回路需要对变压器二次侧进行短接,短接线及其夹具会给测试回路引入一定的误差。油浸式变压器接线端子之间距离较小,短路线所引起的谐波损耗较小,干式变压器接线端子之间间距较大,例如1 000 kVA干式变压器相邻接线端距离可达50 cm,在进行高频测试时引入的误差较大。为探究短路接线及其夹具对实验结果的影响程度,文中使用四条不同的短路线对同一台变压器进行扫频电阻测试,选取测试结果中的高频部分绘制在图13中。

图13 不同短路线下的扫频电阻测试结果Fig.13 Test results of sweep resistance under different short circuit lines

通过图13及其数据可知,当频率大于3 500 Hz以后,不同短路线将会产生较为明显的差距,5 000 Hz时,误差达到20 Ω。根据实验数据,50 Hz下不同短路线的测量结果也会有3～5 Ω的误差,这是由不同短路线的夹具咬合力度等不同所带来的接触电阻引起的误差。因此实际测试中,需要先测量得到短路线及其夹具的扫频电阻曲线,之后在后续测量中减去由短路线和夹具所带来的误差。

3.4 多台铜变压器数据测试

在验证了扫频电阻系统的测试性能后,利用扫频电阻法15台SB25-400/10/0.4非晶合金铜绕组变压器进行实验测试,其中5台为不同厂家生产,10台为同一厂家生产,将测试结果分别绘制在图14和图15中。

图14 5台不同厂家生产的铜绕组变压器Fig.14 Copper winding transformers produced by 5 different manufacturers

图15 10台同厂家生产的铜绕组变压器Fig.15 10 copper winding transformers produced by the same manufacturer

图14中的变压器为不同厂家生产,从图14中曲线可以看出,对于相同绕组材质的变压器,其谐波电阻曲线也会有一定差异,这是由于不同厂家或同一厂家在不同批次生产变压器时,存在制作工艺的差异所造成的。图15中同一厂家同一批次生产的变压器的扫频电阻曲线重合度更高。根据图2可知,铝绕组变压器在高频次下的谐波电阻值远大于图14中铜绕组变压器所覆盖的曲线范围。因此不同厂家变压器测试曲线的分散性误差对测试结果的影响较小。另外,在测试时选取较高的频率能够使铜铝之间的谐波电阻差异远大于工艺结构对测试结果引入的误差。因此在实际应用中,可以根据铝绕组变压器的实际曲线来对辨识方案进行优化。

4 扫频阻抗法的实际应用

4.1 实验流程及数据库的建立

对测试系统的性能及铜变压器的测试曲线进行了分析,为验证扫频电阻测试设备在实际应用中的辨识可靠性,使用扫频设备测试多种铜绕组变压器建立变压器数据库,并根据实验数据建立辨识依据及辨识标准。

考虑到不同损耗标准的变压器在高频激励下的谐波电阻会有差异,对同一容量,不同损耗等级的变压器分开建立数据库。首先采用正态分布对每个测试点的数据进行分布归类,剔除误差等情况引起的无效测试数据后建立有效数据集合,针对有效数据分别寻找各组数据的有效区间,并确定铜变压器的扫频电阻范围作为辨识依据。实际的检测流程如图16所示,检测时,软件在采集到测试数据以后,会在自动减去短路线引入的测试误差后,将数据同数据库中的标准曲线进行对比后,保存数据并返回对比结果。

图16 实验测试流程Fig.16 Experimental test process

考虑到在实际检测试验中会存在测试误差,且不同制作工艺下的变压器数据具有分散性差异,因此在初步选取铜变压器的扫频电阻数据范围后,针对铜变数据阈值选取裕度系数kc=1.2作为判别标准进行测试,即当测试变压器数据超出标准数据库铜变压器扫频电阻数据kc倍时,认为测试变压器疑似铝绕组变压器。

4.2 干式变压器的测试

选取8台S13型10 kV干式变压器进行实测,该类型变压器外形如图17所示。

图17 S13型630 kVA干式变压器示意图Fig.17 The schematic diagram of S13 630 kVA dry transformer

实验测试的8台变压器均为Dyn11联结组模式,其容量为630 kVA。实验测试前,将8台变压器分接头均调至10/0.4档位,即额定电压处。经过测试,发现有5台变压器测试数据落在了铜变压器范围内,3台变压器数据落在铜变压器范围外,测试结果如表4所示。

表4 630 kVA干式变压器测试结果Table 4 Test results of 630 kVA dry transformer

编号2～6的变压器测试数据的测试数据落在铜变压器标准数据内,可基本判断为铜绕组变压器。对编号1、7、8的3台变压器做进一步探测,确认3台变压器均为铝绕组变压器,验证了文中所述测试方法及测试设备的准确性。

将实验测得的8条曲线均绘制到图18中,可以看到3台铝变压器的曲线也具有较大差异,其中编号7、8的变压器数据重合,编号1的曲线低于其他两台铝变。

图18 8台630 kVA干式变压器测试结果Fig.18 Test results of 8 630 kVA dry transformers

观察这3台变压器的结构发现,编号为1的铝变压器其绕组高度偏高,直径偏小,符合常规认识下的铝绕组变压器的外观特性,编号为7和8的2台铝变压器外观尺寸则和铜变压器无明显差异,这是由于不同厂家在生产铝代铜变压器时的制作工艺及材料价格等所引起的,因而单从外观来进行变压器绕组材质识别的方法不具备可行性。由1.1节的分析可知,厂家需要增大铝导体的截面积或减少铝导体的长度来实现铝代铜变压器和铜变压器具有相同的基频参数,因此采用不同的截面积或不同的铝导体长度会对铝绕组变压器的谐波电阻数据产生影响,但是由1.2节的分析可知,由于铝绕组电阻率大于铜绕组,因此尽管铝绕组变压器的扫频电阻具有较大的分散性,但是其测试值依旧大于铜导体。

另外,从测试结果可以看出,铝绕组变压器的谐波电阻值远大于本文所建立的铜绕组变压器标准数据库所选取的数据阈值,进一步验证了文中所述判别方法的可行性。

4.3 油浸式变压器的测试

干式变压器通常应用在高层建筑或需要防火、防爆的场所,因此其使用数量相对较少。油浸式变压器因过载能力更好,且在同容量下更具有经济优势,在电力系统中具有更广泛的应用场景,因此油浸式变压器的检测具有重要意义。选取32台10 kV电压等级、630 kVA容量的油浸式变压器进行测试,测试变压器由不同的厂家提供,其中2台为铝绕组变压器,30台为铜绕组变压器,在测试前将分接头均调节至10/0.5档位。图19是测试变压器的扫频电阻的测试结果。

图19 32台油浸式变压器扫频电阻测试结果Fig.19 Test results of sweep resistance of 32 oil-immersed transformers

从测试结果可以看出,该组中有30台变压器测试曲线位于铜变阈值范围内,2台变压器测试曲线位于铜变阈值范围外。2台异常变压器均由同一厂商提供,其曲线也较为接近,符合前述分析。该组实验验证了文中所述方法对油浸式变压器进行检测可行性。

5 结论

提出了一种新型变压器绕组材质检测方案——基于平衡电桥的扫频电阻法,并利用实测结合理论分析,研究了该检测方案的特性,主要得出以下结论。

(1)基频下铜铝绕组变压器参数基本一致,不利于材质的辨识,需要在更高频率下依据不同材质导体趋肤深度不同的特性来进行辨识,但由于分布参数的影响,频率的选择不宜过高,在5 000 Hz以内为佳。

(2)扫频电阻法具有良好的测试重复性和测试效率,其在相同测试环境下对同一台变压器连续7 d的测试偏差值小于1 Ω,且其较小的设备体积和较快的测试速度实现了在原位无损的情况下对变压器进行检测。

(3)较长的短路线的谐波电阻对变压器测试数据有一定影响,在实际测试时可以将短路线引入的误差进行单独测试排除。

(4)不同的分接头和不同的损耗等级对测试结果有影响,在实际测试中可以对不同分接头和损耗等级的变压器分开建立数据库进行比对。

(5)分别选择了干式变压器和油浸式变压器进行测试,测试结果显示,本文提出的基于平衡电桥的扫频阻抗法可以有效识别铝绕组变压器,辨识效果明显。