短路阻抗法变压器绕组变形测试技术探讨

1　前言

变压器是电力系统中主要电气设备之一，对电力系统的安全运行起着重大的作用。在变压器的运行过程中，其绕组难免要承受各种各样的短路电动力的                                                                   

变压器绕组变形测试的方法主要有短路阻抗法、低压脉冲法和频响分析法等3种。现就短路阻抗法变压器绕组变形测试技术问题作进一步的分析和研究。

2　短路阻抗法变压器绕组变形测试的基本原理

　　变压器的短路阻抗是指该变压器的负荷阻抗为零时变压器输入端的等效阻抗。短路阻抗可分为电阻分量和电抗分量，对于110kV及以上的大型变压器，电阻分量在短路阻抗中所占的比例非常小，短路阻抗值主要是电抗分量的数值。变压器的短路电抗分量，就是变压器绕组的漏电抗。变压器的漏电抗可分为纵向漏电抗和横向漏电抗两部分，通常情况下，横向漏电抗所占的比例较小。变压器的漏电抗值由绕组的几何尺寸所决定的，变压器绕组结构状态的改变势必引起变压器漏电抗的变化，从而引起变压器短路阻抗数值的改变。以圆筒型双绕组变压器为例，绕组布置示意图见图1。

图1 双绕组变压器绕组示意图

　　假设：绕组高度等于其轴向配置的高度；安匝数均匀分布；忽略铁芯的临近效应和绕组的直流电阻。则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绕组匝数；
　　　Q1─罗果夫系数；
　　　h─绕组高度；
　　　DCP─主泄汛通道的平均直径
　　　δ─主泄汛通道的有效宽度；由于Dcp>>b1、b2，故δ≈C＋(b1＋b2)/3。
　　由式(1)可知，ZK的变化实际上仅取决于绕组的变形，也就是绕组几何尺寸的变化。
　　假如变压器内部线圈在挤压力的作用下，其直径减少2ΔX(见图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，绕组变形引起短路阻抗ZK的变化量为：

ΔZK=Z′K－ZK≈(m－n)ΔX　　　(2)

　　式中　　　　　　　　　　

　　由式(2)可知，短路阻抗的变化量ΔZK与变形量ΔX直接相关。
　　根据短路阻抗的变化量来判断绕组是否变形，只要将测得的短路阻抗与变压器正常时的测量值(如出厂数据)相比即可。

3　变压器绕组变形测试对试验仪器的基本要求

　　用于现场变压器绕组变形测试的短路阻抗测试仪除必须具备携带方便、操作简单、具有良好的测试及测试重复性外，还必须具有良好的抗干扰能力。现场的干扰主要来自于以下几个方面：
　　(1)试验电源谐波的影响；
　　(2)试验电源电压的不稳定性；
　　(3)试验现场的50Hz同频干扰。现就以上三方面因素对短路阻抗测试值的影响及消除措施简述如下。
3.1　消除试验电源谐波对测试结果的影响
　　试验用的电源，难免有各种各样的谐波存在，而且谐波分量的幅值是不稳定的。高次谐波对变压器短路阻抗的测试值有较大的影响。设被试变压器在无谐波情况下的短路阻抗值为Z，当施加具有谐波分量的测试电压u=α1sin(ωt＋ψ)＋α2sin(3ωt＋ψ1)时，流过变压器的电流为：

　　考虑谐波以后的变压器短路阻抗有效值为:

　　由上式可知，由于测试电源谐波的存在，实测短路阻抗值与无谐波情况下的短路阻抗值之间具有一定的差异。
　　欲消除测试电源谐波对短路阻抗测试结果的影响，短路阻抗测试仪必须具有优良的滤波性能。通常用硬、软件相结合的方法，可以基本消除测试电源谐波对短路阻抗测试结果的影响，满足变压器绕组变形测试分析、判断的需要。
3.2　试验电源电压的不稳定性对测试结果的影响
　　试验电源电压的基波分量在测量周期内的不稳定性对测试结果有直接的影响。由于短路阻抗为一感性阻抗，电流与电压之间具有一定的相位差，当测试周期内的电压基波分量发生变化时，电流不可能同步发生变化，从而会产生测量误差。
　　为减小试验电源电压不稳定性带来的短路阻抗测试误差，通常的方法是通过多次测量求平均值的方法来解决，但效果并不很理想，同时还会延长测试时间。欲有效解决上述问题，短路阻抗测试仪必须对测量周期内所采集到的信号进行分析与运算，较大程度地减小测试误差，同时也不延长测试时间。
3.3　试验现场的50Hz同频干扰
　　试验现场的50Hz同频干扰主要来自变电所运行设备的电晕干扰和试验仪器用的220V交流电源耦合到测量回路所产生的干扰。
　　欲减小试验现场的50Hz同频干扰对短路阻抗测试结果的影响，测试仪器必须从硬件上限度地抑制由于220V交流电源耦合引起的同频干扰，当测试现场电晕干扰较大时可采用测试仪器换极性的方法，并适当提高被试变压器的试验电压、电流。

4　短路阻抗法测试连接方式

　　变压器短路阻抗测量采用伏安法。该方法适用于单相和三相变压器。测试前将变压器的一侧出线短接，短接用的导线须有足够的截面积，并保持各出线端子接触良好，以减小引线的回路电阻。变压器的另一侧施加试验电压，从而产生流经阻抗的电流，同时测量加在阻抗上的电流和电压，此电压、电流的基波分量的比值就是被试变压器的短路阻抗。
　　变压器短路阻抗测试时，通常在变压器的高压绕组侧加压，在低压绕组侧短路。
　　为保证测试，电压测量回路应直接接在被试变压器的出线端子上，以免引入电流引线上的电压降。试验用调压器的额定电流不能小于10A，试验时流经被试变压器绕组的试验电流以在其额定电流的0.5％～0.1％的数量级上或2～10A为宜，试验电流不能太大，否则由于电源的过载使试验电压波形严重畸变，影响测试。
　　通过对使用CS－8型短路阻抗仪测得的46台各种类型变压器的短路阻抗测量值的分析，发现三相间接短路阻抗值的差异皆小于2％。现场测试值与出厂值相比具有较大的分散性，但一般皆小于4％。

5　变压器绕组变形测试分析判断原则

　　绕组变形以后的变压器，运行中检测参数的改变包括电气和机械两个方面，因此，变压器绕组变形的分析、判断不是一个片面的问题而是一个综合的问题。短路阻抗法变压器绕组变形测试必须综合考虑以下几个方面的影响：
　　(1)变压器三相间的短路阻抗测试结果是否平衡；
　　(2)与出厂值相比，短路阻抗的变化情况；
　　(3)运行中的电气试验、绝缘油色谱分析情况；
　　(4)运行中变压器是否有异常的声音及绝缘油的运行温度等。

6　结论

　　(1)短路阻抗值的变化直接与变压器绕组的结构相关，短路阻抗法可以用于变压器绕组的变形测试。
　　(2)常规的电流表、电压表不能满足以变压器绕组变形测试为目的的变压器短路阻抗测量。
　　(3)以变形测试为目的的变压器绕组短路阻抗测试仪，除应具有良好的测试外，尚要有良好的垢扇拍芰Α＊?BR>　　(4)变压器绕组三相间的短路阻抗值的差异一般皆小于2％，三相间短路阻抗值3％的差异应认为是变压器短路阻抗的明显变化，必须引起足够的重视。
　　(5)变压器绕组变形测试分析判断时，当用同一试验仪器、同一测试方法测试结果的差异大于2％，应引起注意。