黃炫磊 馬 斌 張冠軍 王 強(qiáng) 張嘉楠

（1.保定天威保變電氣股份有限公司，河北 保定 071050；2.河北省輸變電裝備電磁與結(jié)構(gòu)性能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071050）

0 引言

在變電站防雷保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要主要電氣設(shè)備的入口電容參數(shù)，目前多數(shù)電力設(shè)備的入口電容參數(shù)很多情況下是通過能量等效法計(jì)算或估算得來的。但是對電力變壓器來講，由于不同類型變壓器線圈結(jié)構(gòu)不同，雷電波入侵絕緣耐受狀態(tài)也不同，因此，入侵雷電波波前作用時(shí)間會(huì)影響等效電容計(jì)算值。能量等效計(jì)算法的前提是線圈在雷電波作用下越接近理想電容分布越準(zhǔn)確，一旦出現(xiàn)雷電波較陡，作用時(shí)間不同會(huì)導(dǎo)致線圈內(nèi)產(chǎn)生感性電流，感性電流引起的波形振蕩較大，就無法通過該方法進(jìn)行計(jì)算，通過測量的方式得出變壓器產(chǎn)品實(shí)際的入口電容值成為一種有效可行的手段。

設(shè)計(jì)變壓器端部絕緣耐壓能力時(shí)也需要考慮影響起始電壓分布的首端開口電容值。精準(zhǔn)的變壓器入口電容測量不僅能對變電站防雷保護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的入口電容參數(shù)，而且對變壓器絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也有重要的意義。

1 測量方法

電力變壓器運(yùn)行時(shí)回路上雷擊過電壓頻率一般在200kH~600kH，在這樣的高頻下，變壓器入口電容的等效電容與變壓器絕緣結(jié)構(gòu)電容值有本質(zhì)的區(qū)別。因此變壓器入口電容測量的試驗(yàn)源必須是高頻信號，測量結(jié)果才能更接近實(shí)際的入口電容值。目前常用的測量方法有兩種：方波脈沖信號法和沖擊脈沖信號法。

1.1 方波脈沖信號法

方波脈沖信號法是利用方波脈沖信號發(fā)生器輸出信號進(jìn)行入口電容值測量，從被試?yán)@組套管首端注入高頻方波信號，等效回路圖如圖1所示。

圖1中C為變壓器入口電容，C為高壓高管電容，C為檢測阻抗單元電容，當(dāng)從變壓器套管端頭對地注入方波脈沖信號時(shí)，在C兩端產(chǎn)生脈沖電壓ΔU，其視在放電量為q，在ΔU作用下C兩端的脈沖電壓為e。當(dāng)從高壓套管端頭對套管測屏注入方波脈沖信號時(shí)，在兩端產(chǎn)生脈沖電壓ΔU，其視在放電量為q，在ΔU作用下C兩端的脈沖電壓為e，當(dāng)e=e時(shí)，圖1可以推導(dǎo)出變壓器入口電容，如圖1所示。

圖1 變壓器入口電容方波響應(yīng)法等效回路

式中：C為變壓器入口電容，C為高壓高管電容，q為方波信號從變壓器套管端頭對地注入方波信號時(shí)視在放電量，q為方波信號從變壓器套管端頭對測屏注入方波信號時(shí)視在放電量。

測量系統(tǒng)由脈沖峰值表、檢測阻抗單元、測量電纜和方波脈沖信號發(fā)生器組成。

現(xiàn)在局部放電測試儀都自帶脈沖峰值表，因此可以利用實(shí)驗(yàn)室的局部放電測試儀代替脈沖峰值表。檢測阻抗單元通常是一個(gè)有源或者無源的二端口網(wǎng)絡(luò)，其主要作用是把輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，然后通過信號傳輸系統(tǒng)傳給測量儀器，同時(shí)還可以對試驗(yàn)電壓及諧波的低頻信用予以抑制。方波脈沖信號發(fā)生器由階躍電壓脈沖發(fā)生器和電容串聯(lián)組成。

測量方法為先在變壓器被試?yán)@組線端與地之間注入已知電荷，讀取脈沖峰值表讀數(shù)，得到分度系數(shù)=/。保持分度系數(shù)不變，在套管與測屏之間注入等量電荷q=，讀取脈沖峰值表讀數(shù)，測得視在放電電荷q=。因?yàn)樘坠茈娙?span id="aw0smok" class="emphasis_italic">C已知，因此代入式（1），即可求得方波脈沖信號法測量入口電容值。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不用額外購置專用儀器設(shè)備也可以完成變壓器入口電容的測量。但是注入方波信號頻率一般在1000Hz以內(nèi)，因信號頻率遠(yuǎn)低于雷電波頻率，與雷電沖擊波作用下變壓器等效電容偏差較大一般在20%~30%。而且變壓器有些繞組引出套管是沒有測屏的，就無法使用該方法進(jìn)行測量。

1.2 沖擊脈沖信號法

沖擊脈沖信號法是利用沖擊脈沖信號發(fā)生器輸出信號進(jìn)行測量的，從被試變壓器繞組套管首端注入沖擊脈沖信號，等效回路如圖2所示。

圖2 變壓器入口電容信號發(fā)生器法測量回路

根據(jù)圖2推導(dǎo)出，變壓器入口電容如公式（2）所示。

式中：C為變壓器入口電容，C為可調(diào)電容器電容，U為沖擊脈沖信號從變壓器套管端頭對地注入時(shí)可調(diào)電容器兩端電壓，U為沖擊脈沖信號從變壓器套管端頭對地注入時(shí)C兩端產(chǎn)生的脈沖電壓。

測量系統(tǒng)由脈沖信號發(fā)生器、可調(diào)電容和示波器組成。

測量方法，由公式（2）可知當(dāng)沖擊脈沖信號發(fā)生器輸入信號電壓，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容C，用示波器2個(gè)通道測量電壓值，當(dāng)U=U=50%時(shí)，C=C，可調(diào)電容器電容值為變壓器入口電容值。

使用沖擊脈沖信號法測量的優(yōu)點(diǎn)是可通過調(diào)節(jié)沖擊脈沖信號發(fā)生器本身電容、電阻實(shí)現(xiàn)輸出標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形。輸出電壓很低，一般選擇100V的輸出電壓進(jìn)行測量，對變壓器被試?yán)@組無任何破壞。沖擊脈沖信號法測量可調(diào)電容和套管端頭電壓，即便是套管沒有測屏引出，仍然可以完成測量。測量使用的可調(diào)電容器精度很高，準(zhǔn)確度：10×1uF組+0.2%，10×01uF組 +0.2%，10×0.01μF組 +0.2%，10×0.001μF組 +0.5%，10×0.0001uF組 +2%，10×0.00001uF組+5%。

1.3 檢測時(shí)的干擾和抗干擾措施

方波脈沖信號法和沖擊脈沖信號法的測量電壓都很低，一般在100V以內(nèi)，屬于一種微量檢測，檢測環(huán)境中的各種干擾信號對檢測影響很大，因此無論在屏蔽良好的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還是工程現(xiàn)場，都會(huì)受到干擾影響。測量干擾的來源主要有無線電波、電力系統(tǒng)的載波信號、電焊作業(yè)、附近的高壓電場、電動(dòng)工具的使用、已經(jīng)供電網(wǎng)中整流設(shè)備的可控硅元件的開閉等。為了精準(zhǔn)地測量，常用降低干擾的措施是屏蔽、濾波和接地，即將試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)所有不參與試驗(yàn)的金屬部件牢靠接地，試驗(yàn)供電電源通過濾波器供電。沖擊脈沖信號法測量時(shí)需要將試驗(yàn)回路所有接地線通過絕緣支撐保證一點(diǎn)接地。

1.4 兩種測量方法應(yīng)用比較

為了驗(yàn)證方波脈沖信號法和沖擊脈沖信號法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的偏差，選擇在同樣的測量條件下測量一臺(tái)型號為DFP-250000/220的電力變壓器高壓繞組入口電容值，并將測量結(jié)果進(jìn)行對比。

試驗(yàn)前確定變壓器狀態(tài)滿足測量條件，使用方波信號發(fā)生器由該變壓器高壓繞組A相首端對地注入方波電量500pC，頻率設(shè)置1000Hz，該變壓器高壓套管電容值285pF，將分度系數(shù)設(shè)為1，則在同樣分度系數(shù)為1的情況下，在首端與測屏之間接入方波信號，測得視在放電量為1750pC，調(diào)整方波信號發(fā)生器發(fā)出信號頻率500Hz，測得實(shí)在放電量也為1750pC，說明這兩個(gè)頻率測量結(jié)果偏差極小。

將變壓器套管值和測量的視野在放電量代入公式（1）可得該方法下測量該臺(tái)變壓入口電容為C=285×1750/500=998pF。

試驗(yàn)前確認(rèn)變壓器狀態(tài)滿足測量要求。使用沖擊信號發(fā)生器輸出電壓信號通過可調(diào)電容串聯(lián)接高壓A端頭，其余端子接地，調(diào)節(jié)沖擊信號發(fā)生器電容、電阻參數(shù)，使輸出脈沖波形波頭時(shí)間=0.9μs，波尾時(shí)間=45.0μs。用示波器通道1測得輸出電壓100V，將電容箱電容值從0開始調(diào)節(jié)調(diào)整至通道2波形電壓值50V，讀取此時(shí)電容箱電容值1300pF，即沖擊脈沖測量法測得該變壓器入口電容值1300pF。

通過比對可以發(fā)現(xiàn)方波脈沖信號法測量結(jié)果比沖擊信號測量法值偏差30%左右。

2 一種變壓器入口電容測量方法

通過分析比較發(fā)現(xiàn)沖擊脈沖信號發(fā)生器的試驗(yàn)接線回路與雷電沖擊試驗(yàn)接線回路一致，而且電壓信號產(chǎn)生原理近似，因此選擇由沖擊脈沖信號法測量得到的變壓器入口電容值更接近變壓器遭受雷電波入侵時(shí)的等效入口電容，根據(jù)該方法原理設(shè)計(jì)一種變壓器入口電容試驗(yàn)方法。變壓器入口電容試驗(yàn)是一種特殊試驗(yàn)，一般在技術(shù)協(xié)議中要求將測量值提供給用戶即可。

2.1 試驗(yàn)接線

一般在變壓器裝配后滿足試驗(yàn)條件，會(huì)按國標(biāo)要求順序進(jìn)行試驗(yàn)，因試驗(yàn)接線近似，入口電容測量試驗(yàn)一般在變壓器雷電沖擊試驗(yàn)前后進(jìn)行，試驗(yàn)接線如圖3所示。

圖3 變壓器入口電容測量試驗(yàn)接線圖

在進(jìn)行變壓器入口電容測量時(shí)，沖擊脈沖信號發(fā)生器與被試變壓器繞組端頭之間的連接線應(yīng)盡量短，避免測量線路干擾對測量結(jié)果造成誤差。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)系統(tǒng)主要使用設(shè)備參數(shù)如下。

示波器。示波器的作用主要用來采集測量波形，為了保證測量的精度，采樣率應(yīng)不低于60MSa/s，垂直分辨率在9bits以上，因?yàn)椴蓸勇侍蛯o法滿足波形參數(shù)的計(jì)算要去，垂直分辨率的高低直接影響著測量的精度。該研究選用的示波器參數(shù)為帶寬200 MHz，采樣率2.5GSa/S，記錄長度10m，模擬通道4，數(shù)字通道16，上升時(shí)間2ns，能夠滿足測量要求。

精密電容箱，選用旋鈕式十進(jìn)電容箱，可工作在直流或交流電路中，由不同個(gè)數(shù)的十進(jìn)開關(guān)組件組合而成，每個(gè)十進(jìn)開關(guān)組件由幾個(gè)不同容量的電容并聯(lián)組成1~10個(gè)步進(jìn)。最大容量 0.00001μF~11.11110μF，最小步級 0.00001μF，可變范圍 0.00000μF~11.11110μF。

脈沖信號發(fā)生器，一種模擬發(fā)生各種沖擊脈沖波形的儀器。通過選擇開關(guān)改變沖擊沖線路中不同的參數(shù)，可以得到不同的類似于高壓實(shí)驗(yàn)室里高壓沖擊脈沖波發(fā)生器的波形?？捎糜陔姍C(jī)、電抗器、電力變壓器，儀用變壓器等線圈內(nèi)部沖擊脈沖電壓分布的模擬試驗(yàn)和絕緣缺陷的定位。對線圈無任何損壞。還可用于高壓沖擊脈沖發(fā)生器中波前、波尾電阻等參數(shù)預(yù)置，測試系統(tǒng)的傳輸特性以及電纜和線圈等的瞬態(tài)波形的測量。充電電壓的幅值從0V~400V可調(diào)。重復(fù)頻率為25Hz。輸出電壓0V~1000V可調(diào)節(jié)，截?cái)鄷r(shí)間0μs~10μs可調(diào)節(jié)，輸出波形包括雷電沖擊全波形、雷電沖擊截波波形、操作沖擊波形，可調(diào)節(jié)內(nèi)容包括波頭電阻、波尾電阻、波頭并聯(lián)電感、主電容、負(fù)荷電容，輸出波形樣式包括單次、重復(fù)，波頭調(diào)節(jié)范圍為10Ω~15000Ω分20檔可調(diào)，波尾調(diào)節(jié)范圍為3Ω~8000Ω分20檔可調(diào)，波頭并聯(lián)電感調(diào)節(jié)范圍為10μH~100μH分10檔可調(diào)，主電容調(diào)節(jié)范圍5nF~1000nF分20檔可調(diào)，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍0.5nF~100nF分20檔可調(diào)。對絕大多數(shù)常見結(jié)果的變壓器繞組，均能調(diào)節(jié)出滿足參數(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形。

2.3 試驗(yàn)方法

按照圖3進(jìn)行試驗(yàn)接線，在沖擊脈沖信號發(fā)生器與被試?yán)@組線端之間串聯(lián)接入可調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電容，通過調(diào)節(jié)脈沖信號發(fā)生器的電容、電阻參數(shù)調(diào)節(jié)出標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形，這里需要注意的是，在脈沖信號發(fā)生器法測量變壓器入口電容值時(shí)，經(jīng)驗(yàn)反應(yīng)波前時(shí)間一般調(diào)節(jié)到0.8μs~1.0μs測量的結(jié)果最準(zhǔn)確。使用示波器通道1測量脈沖信號發(fā)生器輸出電壓波形及電壓，通道2測量被試?yán)@組線端電壓波形及電壓，脈沖信號發(fā)生器輸出電壓。調(diào)節(jié)可調(diào)電容器，使繞組線端電壓=50%。取可調(diào)電容器此時(shí)電容值為變壓器被測繞組入口電容值。

3 一些典型結(jié)構(gòu)變壓器測量結(jié)果

筆者對幾種典型結(jié)構(gòu)、不同電壓等級的變壓器進(jìn)行了入口電容測量，希望供讀者參考，測量結(jié)果如表1，這里需要注意的是不同廠家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同，可能與該公司產(chǎn)品測量數(shù)值存在偏差，但是偏差不會(huì)太大，在參考時(shí)還需以實(shí)際測量結(jié)果為準(zhǔn)。

表1 幾種典型結(jié)構(gòu)變器入口電容值

筆者對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)變壓器低壓繞組入口電容值遠(yuǎn)大于高壓繞組入口電容值，同樣高壓繞組入口電容值隨電壓等級提高而增大，這是跟線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)的。

4 結(jié)語

該文進(jìn)行了變壓器入口電容測量試驗(yàn)的研究，分析了兩種常用測量方法的原理，并在同一產(chǎn)品上進(jìn)行測量結(jié)果比對。

設(shè)計(jì)了一種變壓器入口電容測量試驗(yàn)方法，并按照該方法對幾種典型結(jié)構(gòu)的變壓器進(jìn)行了測量，提供了測量結(jié)果供讀者作為參考數(shù)值。并得出以下結(jié)論。方波脈沖信號法和沖擊脈沖信號法均能測量變壓器等效入口電容值，但是由于測量原理不同，測量結(jié)果方波脈沖信號法與沖擊脈沖信號法測量結(jié)果相差20%~30%，由于脈沖信號法測量回路與變壓器雷電沖擊試驗(yàn)回路一樣，因此測量結(jié)果更接近變壓器在遭受雷電波入侵時(shí)的等效入口電容值。

方波脈沖信號法和沖擊脈沖信號法均屬于微量檢測，影響測量結(jié)果的環(huán)境因素很多，尤其是空間、電源和地回路的干擾對測量結(jié)果影響很大，因此測量時(shí)要采取抗干擾措施。

在使用沖擊脈沖信號法時(shí)，因?yàn)檩敵鲂盘柌ㄐ慰梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)儀器電容、電阻參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，為了保證輸出波形的陡度，盡量將波前時(shí)間調(diào)節(jié)到0.8μs~1.0μs，這樣測量結(jié)果最準(zhǔn)確。

通過比較發(fā)現(xiàn)方波脈沖信號法測量回路接線簡單，測量時(shí)間較短，使用局部放電測量試驗(yàn)儀器設(shè)備即可完成測量，在對測量結(jié)果精度要求不高和無法購置專業(yè)測量設(shè)備的情況下可以采用這種方法，對測量結(jié)果精度要求較高，建議購置脈沖信號發(fā)生器等專用測量儀器使用沖擊脈沖信號法進(jìn)行測量。