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變壓器短路電抗在線監(jiān)測的模擬研究

文檔作者：徐大可鞠登峰李彥明文檔來源：西安交通大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月26日
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’ ．
‘
、 、
電 機(jī) 與 控 制 學(xué) 報(bào)
ELECTRIC M ACHINES AND C0NTR0L
Vol-2
June
NO．2
1998
變壓器短路電抗在線監(jiān)測的模擬研究
A Simulating Research on On—Line M onitoring of
Short-Circuit Reactarice of Power Transfo-rmer
√
徐大可 鞠登峰 李彥明
(西安交通大學(xué))
Xu Dake Ju Dengfeng Li Yanming
(xi an Jiaotong University1
丁 f ·
摘要研宄了通過在線測量變壓器短路電抗來監(jiān)剮電力變壓器繞組變形狀況的方法， 并在模型變
壓器上進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)． 其結(jié)果以及與離線測量結(jié)果的比較表明，在線測量方法具有較高的準(zhǔn)確度
和良好的穩(wěn)定性，變壓器運(yùn)行條件的變化以及外部因素的變化對于阻抗的測量影響很小，能夠?yàn)?
實(shí)際運(yùn)行中的變壓器繞組狀況提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的指示。
關(guān)鍵詞 絲望姐短路電抗；圭 短 電l／ }
分類號(hào) TM406
Abstract A novel strategy for monitoring the state of power transformer windings by on—line
measurement of short-circuit reactance is studied on a model transformer in lab condhion．
The results and their comparisons with those obtained in out—of—service condition show that
the on一1ine method is satisfactory fo r detecting short-circuit reactance variations with high
degree of accuracy and good stability and can be used for detecting deformation in the
Lransf0rmer windings．The changes of the operation condition of tra nsfol-flier and the externa1
factors will not exert an effective influence to the results
Keywords transf0truer；winding def0rmation；short—circuit reactance ；on—line measurement
t 引言
在電力系統(tǒng)的各種設(shè)備中， 變壓器是比較昂貴
且重要的設(shè)備 其安全運(yùn)行對于保證電網(wǎng)安全意義
重大。有關(guān)變壓器的故障分析表明，繞組是發(fā)生故
障較多的部件之一。1985～1989年全國11O kV變
壓器直接與繞組有關(guān)的事故變壓器占到總事故變壓
器臺(tái)數(shù)的38％，220 kV占到44．5％，1992年l10 kV
及以上變壓器事故損壞原因分類統(tǒng)計(jì)中，繞組占到
46．5％ 國外的統(tǒng)計(jì)數(shù)字也有類似情況。由于短路
沖擊電流引起的繞組變形并非總能馬上導(dǎo)致匝間短
路和保護(hù)動(dòng)作，這樣繞組已變形的變壓器常會(huì)在相
當(dāng)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行，如不能得到適時(shí)的維修，累積
效應(yīng)會(huì)使變形進(jìn)一步發(fā)展，即使不再出現(xiàn)系統(tǒng)短路
事故， 也會(huì)導(dǎo)致變壓器非正常退出運(yùn)行。正確及時(shí)
的變形檢測能保證變壓器故障元件能夠得到及時(shí)的
替換，無故障元件得到最大限度的使用，從而延長
變壓器的實(shí)際使用壽命。
以往的檢測方法有：測量變壓器短路電抗并與
歷史數(shù)據(jù)比較的短路電抗法；通過施加低壓脈沖并
比較響應(yīng)變化的低壓脈沖法：測量變壓器頻率響應(yīng)
并比較其變化的頻響分析法 這些方法均需使變壓
收稿日期I998一O卜f9
國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)耳(批準(zhǔn)號(hào)·5％373：)0)．
櫬太可 男 ．1q73年l0胃生，1995年畢業(yè)千西安生通蔓學(xué)電氣工程學(xué)院高電壓枝術(shù)專業(yè)．現(xiàn)為在讀博士生
豫
r
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第2期 變壓器短路電抗在線監(jiān)測的模擬研究 85
器退出運(yùn)行即均屬離線方法，而不能隨時(shí)監(jiān)測變壓器
繞組狀況并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障
基于變壓器短路阻抗及阻抗中的電感分量與繞
組幾何尺寸和相對位置有關(guān)，通過在線檢測變壓器短
路電抗變化來分析繞組狀況的技術(shù)正逐漸得到重
視 一。為探討這種方法的可行，眭及準(zhǔn)確度，本文利
用一臺(tái)模型變壓器，通過模擬不同位置不同程度的
變形．在實(shí)驗(yàn)室條件下對此方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究
2 短路電抗在線測量的基本原理
2．1 基本假定 ．
在本文的工作中有兩個(gè)基本假定：
(1)假定在運(yùn)行中變壓器的激磁電流不變化。認(rèn)
為在額定狀態(tài)或不同分接狀態(tài)下，本文中補(bǔ)償裝置
對于空載電流的補(bǔ)償已可保證短路電抗的測量準(zhǔn)確
度，不再考慮在實(shí)際運(yùn)行中隨激磁電流的變化對補(bǔ)
償裝置進(jìn)行同步調(diào)整。
(2)假定在運(yùn)行中電流互感器和電壓互感器的誤
差不變化。認(rèn)為在空載狀態(tài)下補(bǔ)償裝置對于電流互
感器和電壓互感器的誤差的消減在運(yùn)行中保持成
立。也可選擇適當(dāng)電流投入本裝置進(jìn)行測量以減小
誤差。
2。2 短路電抗在線測量基本公式
以單相雙繞組變壓器為研究對象、圖1為其等
救電蹄圖
固1 變壓器等效電路圖
離線測量短路電抗是通過測量電壓、電流和功
率來計(jì)算出短路電抗也．從理論角度出發(fā)，短路
電抗的在線測量也可以通過測量電壓和電流來實(shí)現(xiàn)。
在圖l中．令D =V．一V2 則
D = — 1,z．+ z =zl +(z +z2 )12 (1)
設(shè) 為 和厶 的夾角， 則電壓差DV中垂直于
的分量DV 可表示為
D =( +置 ) +( +ooszz—Rl sin~)l10 (2)
顯然． 由于式(2)中后一項(xiàng)的存在，短蹄電抗 =X．
+ 不能通過直接測量D 和 并相除來得到，
否則引起的偏差相對要測量的電抗變化量而言是不
可忽略的。
式(1)可變換為
D =(三+ )12 = 一Z．j．。一 =I， 一 (3)
D 中垂直于厶 的D 可表示為
- D =(XI十 )厶 (4)
根據(jù)式(4)， 短路電抗 可以通過直接測量DI"9
和 并相除來得到。依照以上原理設(shè)計(jì)的單相變壓
器短路電抗在線測量等效電路圖如圖2所示。三相
情況可以推廣而得。
圖2 變壓器短路電抗在線測量等效電路圈
圖2中電壓互感感~廠rl的變比為K，K ~廠r2
的變比為K ．使得一次側(cè)與二次側(cè)的引出電壓近
似相同(通常為l00、，)，可以直接進(jìn)行比較。 與
zc。組成分壓器且 可調(diào)． 目的是補(bǔ)償激磁電流1
在一次側(cè)阻抗上的壓降， 如下述。
根據(jù)圖2可得A．B、C三點(diǎn)的電壓為
= ／(K K )
一 ／( + 。)
l， ／K ／(K K )
則B、C兩點(diǎn)的電壓差D 。 為
= 彘 V1一
1 I瓦ZcD ．一 )= 1[一彘
+ (z2 +五)+ z1 J (5)
當(dāng)變壓器處于空載狀態(tài)J =0時(shí)，式(5)變?yōu)?
去一(彘 十 - 1(6)
此時(shí)調(diào)節(jié) ，使DV =O，則由式(6)得
z1 彘 ( )
表明在 上的壓降補(bǔ)償了J．。在一次側(cè)阻搞上的壓
降 考慮到在電壓變化有限的情況下．激磁電流J
垂直且正比于E．，近似正比于礦．，因而變壓器在負(fù)
載狀態(tài)下時(shí)，可以認(rèn)為式(7)保持成立， 則有
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電 機(jī) 與 控 制 學(xué) 報(bào) 第2卷
DV =—專(互+五 ) (8)
為分析簡便，通過適當(dāng)?shù)膮?shù)選取， 可以使變壓器
二次側(cè)電流信號(hào)J 為
Io= ／( K)=』2 I(K ) (9)
因此
D ／』 =D sin~o ／i：
= (z．4- )sin@ = + (1O)
式中 為D 和 的夾角。
使用雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集電壓差信號(hào)De"。
與電流信號(hào) ，經(jīng)過分析計(jì)算就可得到變壓器工作
狀態(tài)下的短路電抗。
如果負(fù)載大小或功率因數(shù)發(fā)生變化， 會(huì)隨之
變化，tt9 會(huì)變化，但只要一次側(cè)電壓 保持不
變， 式(7)將保持成立， 因而式(10)依然成立。如
果改變分接．則一次側(cè)阻抗三會(huì)隨之改變，式(7)
不再保持成立，需要重新調(diào)節(jié)z 使之成立； 或者
在空載狀態(tài)調(diào)節(jié) 使D =0時(shí)，即對于各種可能
的分接位置獲得一系列不同分接位置時(shí)的z 值，
并存儲(chǔ)下來待負(fù)載時(shí)根據(jù)分接位置情況選擇使用。
2．3 變壓器短路電抗在線測量的準(zhǔn)確度分析
短路電抗測量的系統(tǒng)誤差可分為兩部分： 幅度
和相位． 對短路電抗計(jì)算公式
- DV—
q／I~-DV s'm~o
求導(dǎo)可得短路電抗 的誤差計(jì)算式
= 等= 一警+ ?
式中 為R 和z 的夾角。則6x 的最大值為上
式中三項(xiàng)絕對值的和， 即
X~,(nrax)=l l+{警l+I l(12
式(12)中前兩項(xiàng)為幅值誤差，第三項(xiàng)為相位誤
差 若使用0．5級(jí)的VT和CT，兩者幅值誤差均小
于0．5％，VT的相位偏差在士6mrad以內(nèi)．CT的相
位偏差在士12 mead以內(nèi)． 和z∞ 組成的補(bǔ)償裝
置不僅補(bǔ)償了Ln在一次側(cè)阻抗上的壓降，而且補(bǔ)償
了空載狀態(tài)下vT引入的一次和二次側(cè)電壓的幅值
和相位偏差． 因此幅值誤差小于4-0．5％，而短路電
抗中電感分量與電阻分量的比 尺 =培 ≥15，
因此相位誤差在士0．08％ 之內(nèi)。
另外，使用高分辨率采集系統(tǒng)和適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)
定， 可以使數(shù)據(jù)采集部分的誤差限制在很小范圍
內(nèi)；電流和電壓信號(hào)中的直流．諧波分量及噪聲等
可以通過數(shù)字信號(hào)分析技術(shù)予以消除； 隨機(jī)誤差可
以通過取多次采集的平均值來消減。因此總誤差可
穩(wěn)定控制在1％ 以內(nèi)。
由上可知， 工作狀態(tài)的改變(包括負(fù)載大小，
負(fù)載功率因數(shù)以及分接位置)可不影響測量結(jié)果的
準(zhǔn)確度。
3 變壓器短路電抗在線測量的實(shí)驗(yàn)室
模擬
使用這一在線測量方法在實(shí)驗(yàn)室35 kV／10 kV
模型變壓器上進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。模型變壓器的中相
( 相)原邊設(shè)有54個(gè)抽頭， 試驗(yàn)中， 通過短接抽
頭來模擬繞組不同部位的故障而引起的短路電抗的
變化。圖3為模擬試驗(yàn)接線圖。將變壓器一次及二
次側(cè)的電壓經(jīng)互感器vT后的低壓輸出信號(hào)|， 、
通過阻抗調(diào)節(jié)器進(jìn)行補(bǔ)償后送入差分放大器， 得到
電壓差信號(hào)D9 ．使用計(jì)算機(jī)采集信號(hào)Dr／o 以及
變壓器二次側(cè)電流J 經(jīng)互感器CT后輸出的電流信
號(hào)』 ，并使用軟件對采集到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析后
即可得到所測電抗。
數(shù)據(jù)采集采用雙通道、10位．采樣額率50 kS／s．
采集長度為4 k采樣點(diǎn)
圖3 變壓器短路電抗在線{曼9量接線圈
基于以上給出的測量系統(tǒng)． 對模型變壓器在各
種工作狀態(tài)下(包括負(fù)載大小變化、負(fù)載功率因數(shù)
變化以及改變分接等)的短路電抗進(jìn)行了離線與在
線測量，測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成電感， 由表1示出。
表中狀態(tài)說明：
狀態(tài)一：離線測量，變壓器為額定分接。
狀態(tài)二：在線測量，變壓器為額定分接． 負(fù)載
功率因數(shù)∞s =0．8
狀態(tài)三：在線測量、變壓器為額定分接、負(fù)載
功率因數(shù)COS~O=0．99。
狀態(tài)四：在線測量，變壓器為額定分接． 負(fù)載
功率因數(shù)∞s =0．8，負(fù)載減小一半
狀態(tài)五：在線測量，變壓器為額定分接、負(fù)載
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第2期 變壓器短路電抗在線監(jiān)測的模擬研究 87
功率因數(shù)cosq) O．8，一星期后再測量。
狀態(tài)六：離線測量，變壓器為非額定分接。
狀態(tài)七：在線測量．變壓器為非額定分接 負(fù)
載功率因數(shù)oDs =O．8
表l 變壓器短路電抗的離線與在線測量結(jié)果
批矗 IlIII 瑚
O
7 6 7醯5 5Ⅱ 3 5 7 ‘
一 正它壯志比較／％ 一n抖 一171 —0 4 一^7 L —O 一n
IlIII 764 4 7M3 764_0 732 0 7632 7 7
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五 托 二比較肼 O —O．Ot3 +0．0[4 +0nI3 +n0l4 +0g1 3 —0．0~3
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L'mH 767,4 711．5 767 L 瑚5 D 7616
狀志與正常狀態(tài)比較』％ _j — n 一5．70 一O5 7 —4町 一O 7【 一05 L
L
與靛杰殼地較 ％ 一L,72 一I吐一I薛 一【5S 一【 一【H 一【∞
在對以上測量結(jié)果進(jìn)行比較分析后，可以看出：
f1)從模擬故障狀態(tài)測量結(jié)果可知， 對應(yīng)于繞組
不同程度的模擬故障，在線測量系統(tǒng)可以測出大小
不等的電抗變化，最小可達(dá)0．4％， 與故障位置無關(guān)。
(2)在線和離線的測量結(jié)果存在一定的偏差．這
可能是系統(tǒng)誤差造成的，不影響對結(jié)果的分析。若
忽略這一偏差，則兩者吻合得較好，如額定分接時(shí)
兩者偏差在一1．62％ 到一1．42％ 之間，在略去整體
偏差后．兩者偏差在一0．2％ 以內(nèi)。而且兩者變化趨
勢一致
(3)比較改變分接后的離線和在線測量結(jié)果(狀
志六與狀態(tài)七)可以看出， 改變分接對在線測量系
統(tǒng)的準(zhǔn)確度和精度沒有影響．而這一測量結(jié)果與額
定分接時(shí)的測量結(jié)果(狀態(tài)七與狀態(tài)一)相比， 是
有變化的
(4)比較改變負(fù)載功率因數(shù)和負(fù)載大小前后的在
線測量結(jié)果(狀態(tài)三、四與狀態(tài)一)可以看出， 負(fù)
戴功率因數(shù)和負(fù)載大小的改變對在線測量系統(tǒng)的準(zhǔn)
確度和精度沒有影響。
(5)比較一星期前后相同工作條件下的在線測量結(jié)
果(狀態(tài)五與狀態(tài)一)可以看出，在線測量系統(tǒng)的穩(wěn)定
性較好，可以滿足在線膿 4變壓器繞組狀態(tài)的需要。
(61另外，本文對于影響低壓脈沖法(LⅥ)和顙
響法(FRA)的一些因素(如測試現(xiàn)場周圍物體的接
地方式，引線的長短及引線位置等)進(jìn)行了考察．測
量結(jié)果顯示出了良好的重復(fù)性，表明外部因素對于
本測量系統(tǒng)的影響很小
7)由于實(shí)驗(yàn)條件所限， 本文未對鄰相進(jìn)行測量
4 結(jié)論
本文使用短路電抗在線測量方法， 在實(shí)驗(yàn)室條
件下對一臺(tái)模型變壓器在正常運(yùn)行狀態(tài)和不同部位
不同程度的繞組模擬故障狀態(tài)下的短路電抗進(jìn)行了
測量。其結(jié)果以及與離線測量結(jié)果的比較表明， 在
線測量方法具有較高的準(zhǔn)確度和精度，并且具有良
好的穩(wěn)定性。變壓器運(yùn)行條件的變化， 包括分接位
置， 負(fù)載功率因數(shù)，負(fù)載大小和運(yùn)行時(shí)間， 及一
些外部因素，如測試現(xiàn)場周圍物體的接地方式， 引
線的長短及引線位置等，對于本測量系統(tǒng)的影響很
小 IEC及國標(biāo)均以電力變壓器短路耐受試驗(yàn)前后
的短路電抗的變化不超過某一限值(如5％，?，6％、
依變壓器型式而定)作為變壓器耐受短路能力的判
據(jù)， 此判據(jù)也可考慮作為監(jiān)測運(yùn)行中變壓器繞組變
形程度的一個(gè)指示，而短路電抗的在線測量正可提
供這樣一個(gè)手段
本文認(rèn)為，在線測量變壓器短l蹄電抗用來監(jiān)測
變壓器繞組變形狀況的方法是可行的，它具有實(shí)時(shí)、
不受干擾．判據(jù)明確等特點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行中能夠?yàn)?
繞組狀況提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的指示．在必要時(shí)使變壓器
退出運(yùn)行，為保障變壓器在電力系統(tǒng)中的安全運(yùn)行
以及電網(wǎng)的正常供電提供了方便快捷的監(jiān)測方法。
參考文獻(xiàn)
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