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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)		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月26日
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’ ．
‘
、 、
電 機 與 控 制 學(xué) 報
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
壓器上進行了模擬實驗． 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確度
和良好的穩(wěn)定性，變壓器運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，能夠為
實際運行中的變壓器繞組狀況提供實時準確的指示。
關(guān)鍵詞 絲望姐短路電抗；圭 短 電l／ }
分類號 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)計中，繞組占到
46．5％ 國外的統(tǒng)計數(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
路和保護動作，這樣繞組已變形的變壓器常會在相
當時間內(nèi)繼續(xù)運行，如不能得到適時的維修，累積
效應(yīng)會使變形進一步發(fā)展，即使不再出現(xiàn)系統(tǒng)短路
事故， 也會導(dǎo)致變壓器非正常退出運行。正確及時
的變形檢測能保證變壓器故障元件能夠得到及時的
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)基金重點資助項耳(批準號·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
器退出運行即均屬離線方法，而不能隨時監(jiān)測變壓器
繞組狀況并及時發(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，眭及準確度，本文利
用一臺模型變壓器，通過模擬不同位置不同程度的
變形．在實驗室條件下對此方法進行了試驗研究
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基本假定：
(1)假定在運行中變壓器的激磁電流不變化。認
為在額定狀態(tài)或不同分接狀態(tài)下，本文中補償裝置
對于空載電流的補償已可保證短路電抗的測量準確
度，不再考慮在實際運行中隨激磁電流的變化對補
償裝置進行同步調(diào)整。
(2)假定在運行中電流互感器和電壓互感器的誤
差不變化。認為在空載狀態(tài)下補償裝置對于電流互
感器和電壓互感器的誤差的消減在運行中保持成
立。也可選擇適當電流投入本裝置進行測量以減小
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、，)，可以直接進行比較。 與
zc。組成分壓器且 可調(diào)． 目的是補償激磁電流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三點的電壓為
= ／(K K )
一 ／( + 。)
l， ／K ／(K K )
則B、C兩點的電壓差D 。 為
= 彘 V1一
1 I瓦ZcD ．一 )= 1[一彘
+ (z2 +五)+ z1 J (5)
當變壓器處于空載狀態(tài)J =0時，式(5)變?yōu)?
去一(彘 十 - 1(6)
此時調(diào)節(jié) ，使DV =O，則由式(6)得
z1 彘 ( )
表明在 上的壓降補償了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
載狀態(tài)下時，可以認為式(7)保持成立， 則有
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電 機 與 控 制 學(xué) 報 第2卷
DV =—專(互+五 ) (8)
為分析簡便，通過適當?shù)膮?shù)選取， 可以使變壓器
二次側(cè)電流信號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De"。
與電流信號 ，經(jīng)過分析計算就可得到變壓器工作
狀態(tài)下的短路電抗。
如果負載大小或功率因數(shù)發(fā)生變化， 會隨之
變化，tt9 會變化，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，即對于各種可能
的分接位置獲得一系列不同分接位置時的z 值，
并存儲下來待負載時根據(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． 對短路電抗計算公式
- DV—
q／I~-DV s'm~o
求導(dǎo)可得短路電抗 的誤差計算式
= 等= 一警+ ?
式中 為R 和z 的夾角。則6x 的最大值為上
式中三項絕對值的和， 即
X~,(nrax)=l l+{警l+I l(12
式(12)中前兩項為幅值誤差，第三項為相位誤
差 若使用0．5級的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∞ 組成的補償裝
置不僅補償了Ln在一次側(cè)阻抗上的壓降，而且補償
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?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)；電流和電壓信號中的直流．諧波分量及噪聲等
可以通過數(shù)字信號分析技術(shù)予以消除； 隨機誤差可
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(包括負載大小，
負載功率因數(shù)以及分接位置)可不影響測量結(jié)果的
準確度。
3 變壓器短路電抗在線測量的實驗室
模擬
使用這一在線測量方法在實驗室35 kV／10 kV
模型變壓器上進行了模擬試驗。模型變壓器的中相
( 相)原邊設(shè)有54個抽頭， 試驗中， 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|， 、
通過阻抗調(diào)節(jié)器進行補償后送入差分放大器， 得到
電壓差信號D9 ．使用計算機采集信號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』 ，并使用軟件對采集到的信號進行計算分析后
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
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(包括負載大小變化、負載功率因數(shù)
變化以及改變分接等)的短路電抗進行了離線與在
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． 負載
功率因數(shù)∞s =0．8，負載減小一半
狀態(tài)五：在線測量，變壓器為額定分接、負載
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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
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
機志 正常狀恚比較f％ 耐8
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一
與 咕一比較』％ 一LJ6 一【9 一【顯 一】42 一j 52 —1 2 一】m
扯塞 IlIII 枷 7 7 7 4 2 7冀·【 耐j 76鐘
三與t睦二挖較f％ +0 O26 +n∞9 +~．014 +O +O．OL4 +0939 +n∞9
mH m 7 764．5 )24．0 3 9 731 8 763] 7~4．5
四與 噸二比輕f％ 一0．0]3 +O．Ol3 一n0{】 一Og[3 一n幔1 一Oh[3 一n皿6
0『l】H 聊 764．3 T24．4 ％4 L 732．1 7633 764．6
五 托 二比較肼 O —O．Ot3 +0．0[4 +0nI3 +n0l4 +0g1 3 —0．0~3
杖杰 IlIII 7 0 7 B 7 8 7 【
殼與正常狀態(tài)比較／％ 弼O —n —i 一024 —4 一0．79 一n垃
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
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)的準確度和精度沒有影響．而這一測量結(jié)果與額
定分接時的測量結(jié)果(狀態(tài)七與狀態(tài)一)相比， 是
有變化的
(4)比較改變負載功率因數(shù)和負載大小前后的在
線測量結(jié)果(狀態(tài)三、四與狀態(tài)一)可以看出， 負
戴功率因數(shù)和負載大小的改變對在線測量系統(tǒng)的準
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)由于實驗條件所限， 本文未對鄰相進行測量
4 結(jié)論
本文使用短路電抗在線測量方法， 在實驗室條
件下對一臺模型變壓器在正常運行狀態(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確度和精度，并且具有良
好的穩(wěn)定性。變壓器運行條件的變化， 包括分接位
置， 負載功率因數(shù)，負載大小和運行時間， 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及國標均以電力變壓器短路耐受試驗前后
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)測運行中變壓器繞組變
形程度的一個指示，而短路電抗的在線測量正可提
供這樣一個手段
本文認為，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，它具有實時、
不受干擾．判據(jù)明確等特點，在實際運行中能夠為
繞組狀況提供實時準確的指示．在必要時使變壓器
退出運行，為保障變壓器在電力系統(tǒng)中的安全運行
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
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