（测试计量技术及仪器专业论文）变压器综合检测系统的研制.pdf

上海交通大学硕：l 学位论文 摘要 电力变压器的性能参数测量是变压器出厂前的质量保证措施以及运行时状 态监测的一项重要任务，是保证电力系统正常运行的关键措施。现有的测试手段 多采用专用仪器手工测试，由此带来了精度低、操作烦琐、重复度差的缺点。现 有的综合测试系统多采用智能化仪器堆叠的方式构建，这样的系统往往不够紧 凑，而且价格偏高。 为实现真正高度集成的自动化测试系统，本文中论述了一个使用虚拟仪器 技术实现变压器性能测试的系统设计。虚拟仪器设计的核心思想是使用统一的硬 件平台配合不同的软件实现各种不同的测量功能，使系统中的每一个硬件部分都 能最大限度的发挥作用。选用合适的测试方法、软件结构和信号处理算法是虚拟 仪器测试系统设计的三个关键部分。 f 测试手段方面，本文介绍了空载负载损耗试验、直流电阻测量等变压器测 试项目的虚拟仪器实现。文中提出了使用阶跃响应法测量感性电阻的方法。该方 法突破了传统测试方法受制于时间常数需等待线圈中电流稳定下来再进行测量 的缺陷，直接通过测量线圈中电流上升的动态过程来推算线圈的直流电阻，因此 测量速度更快且更安全。 软件结构方面，本文介绍了使用c o m 组件技术实现软件系统设计的方法， 包括c o m 原理与特性、不同系统组成形式下的c o m 运行方式，说明为什么c o m 技术使测试系统软件实现了真正的模块化，并给软件开发、测试功能的增加与更 新、系统构建的灵活性等方面带来了巨大的优势。 信号处理算法方面，本文着重论述了使用傅立叶变换和正交解调测量相位 的方法。基于频谱分析的傅立叶变换法不但能测量相位，还能实现谐波分析，所 以是一种相当好的测试方法。由于泄漏的影响，信号频谱需要进行校正后才能用 于测量。文中归纳、总结了利用正弦窗及余弦窗进行信号加窗及校正的原理与方 法。余弦窗族的解析分析比较简单，正弦窗族具有统一的校正公式形式，具体使 用上各有利弊，需要根据实际系统的要求做选择。最后，文中通过仿真计算给出 了各种窗函数及其校正公式在不同情况下精度，并通过实测数据说明该方法的实 际测量效果与参数选择原则。卜7 刁7 关键词：变压器试验，直流电阻测量，组件技术，相位检测，傅立叶变换，窗谱 校正 上海交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a n s f o r m e rp a r a m e t e rm e a s u r e m e n ti sak e yp r o c e s sf o rp r e - d e l i v e rq u a l i t y a s s u r a n c ea n dr u n t i m em o n i t o r i n g ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ew e l l - o p e r a t i o no f e l e c t r i c i t y n e t w o r kc u r r e n tm e a s u r e m e n tm e t h o d o l o g i e sm o s t l yr e l yo nm a n u a l t e s t i n gw i t hs p e c i a li n s t r u m e n t s ，w h i c hi n c u r r e dt h ed r a w b a c k ss u c h a sl o w p r e c i s i o n ， b u r d e n e dh a n d l i n ga n db a dr e p e a t a b i l i t y c u r r e n tc o m p r e h e n s i v em e a s u r es y s t e m s a r em o s t l ys t a c k e di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ，w h i c ha r eg e n e r a l l yc l u m s ya n de x p e n s i v e t o d e s i g n a h i g h l yi n t e g r a t e d a u t o m a t i cm e a s u r e m e n t s y s t e m ，t h i sp a p e r p r e s e n t e dad e s i g nu s i n gt h ep r i n c i p l e so f v i r t u a li n s t r u m e n t t h e k e ym e t h o d o l o g y o fv ii st o i m p l e m e n td i f f e r e n tm e a s u r e m e n tf u n c t i o n sb ys o f t w a r e o nau n i f i e d h a r d w a r ep l a t f o r m s e l e c t i o no fm e a s u r e m e n tm e t h o d o l o g y , s o f t w a r es t r u c t u r ea n d d s p a l g o r i t h m a r et h r e ek e yi s s u e so f v id e s i g n i n g o nm e a s u r e m e n tm e t h o d o l o g y , t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h ev ii m p l e m e n t a t i o no f t r a n s f o r m e r p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，s u c h a sl o a d n o l o a dp o w e r c o n s u m p t i o nt e s t i n g ， d cr e s i s t a n c em e a s u r e m e n t ，e t c t h i sp a p e rp r e s e n t e dan e wm e t h o df o ri n d u c t i v e r e s i s t a n c em e a s u r e m e n tb a s e do nm e a s u r i n gs t e pr e s p o n s eo ft h ec o i l u n l i k et h e t r a d i t i o n a lm e t h o d st h a th a v et ow a i tf o rt h es t a b i l i z a t i o no fc o i lc u r r e n td u et ot i m e f a c t o r , t h i sm e t h o dd i r e c t l ym e a s u r e st h ed y n a m i cr e s p o n s eo fc u r r e n tf o ras h o r t p e r i o do ft i m et oc a l c u l a t et h er e s i s t a n c e ，w h i c hm a k e st h em e a s u r e m e n t m o r eq u i c k a n ds a f e o ns o f t w a r e s t r u c t u r e ，t h i sp a p e rp r e s e n t e d t h e u s i n g o fc o mi n s y s t e m c o n s t r u c t i n g ，w h i c h i n c l u d e s p r i n c i p l e o fc o m ，r u n t i m es t r u c t u r eo fc o mo n v a r i o u se n v i r o n m e n t s ，e t c t h i ss h o w sh o wc o m c o m p o s i t e st h es y s t e mi nar e a l m o d u l a rw a y , a n dh o wi t b r i n g sg r e a ta d v a n t a g e st os o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，a d d i n g a n du p d a t i n gm e a s u r e m e n tf u n c t i o n s ，a n df l e x i b l es y s t e ms t r u c t u r e o nd s pa l g o r i t h m ，t h i s p a p e rp r e s e n t e d t h ef o u r i e rt r a n s f o r ma n d i e d e m o d u l a t i o nm e t h o d sf o rp h a s em e a s u r e m e n t b a s e do ns p e c t r u ma n a l y s i s ，f ti s q u i t eg o o db e c a u s ei t sc a p a b l eo f b o t hp h a s em e a s u r e m e n ta n dh a r m o n i ca n a l y s i s d u et o l e a k a g e ，s p e c t r u m a f t e rt r a n s f o r m i n gc a l l tb eu s e dw i t h o u ti n t e r p o l a t i o n t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ep r i n c i p l eo fs i g n a lw i n d o w i n ga n di n t e r p o l a t i n gm e t h o d s u s i n gs i n ea n dc o s i n ew i n d o wf a m i l y c o s i n ef a m i l yi se a s i e rt oa n a l y z e ，a n ds i n e f a m i l yh a v eau n i f o r mi n t e r p o l a t i o nf o r m u l a c h o i c es h o u l db em a d eb a s e do n p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , s i m u l a t i o n a n da c t u a lm e a s u r e m e n tr e s u l t sa r e p r e s e n t e dt os h o w t h ed i f f e r e n c eo fv a r i o u sm e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dt h ec r i t e r i ao f p a r a m e t e r s e l e c t i o n k e y w o r d ：t r a n s f o r m e rt e s t ，d cr e s i s t a n c em e a s u r e m e n t ，p h a s em e a s u r e m e n t ，c o m p o n e n t ， f o u r i e r t r a n s f o r m ，s p e c t r u mi n t e r p o l a t i o n 海交通大学顺士学位论文绪论 1 1 引言 剩l 章绪论第一章绪论 从2 0 世纪初开始，电力系统逐渐成为人类社会中的关键环节，从最普通 的电灯到最先进的电脑，从小小的电风扇到巨大的电力机车，绝大多数现代社 会设备的运行都依赖于电力的供给。很难想象，没有电力供给，世界将是何等 景象? 作为电力供给链中的关键环节，大型电力变压器因此面临着巨大的市场 需求。对于新出厂的变压器而言，需要满足电网的适配要求，实现高效率、高 安全性的送变电要求；对于正在服役变压器而言，由于在运行中承受着运行电 压、负载，甚至在短时期承受过电过载的作用，加上恶劣气候、温度等的不利 影响，以及制造、使用和维修技术上的某些不完善之处，使它们不可避免的在 运行中出现不同类型的缺陷，并影响到运行的可靠性。因此，获得电力变压器 的性能参数是变压器作为出厂前的质量保证措施以及运行时状态监测的一项重 要任务，是保证电力系统正常运行的关键措施。 为降低变压器损耗，提高变压器运行的可靠性，加快变压器试验自动化的 程度，各国都对变压器的测试标准进行了规定。日本、瑞士、德国等国家相继 采用i e c 7 6 标准对变压器进行检测和试验，在变压器微机检测的开发、试验和 应用上都领先一步。这些国家变压器的计算机自动测试技术已经从试验研制开 发阶段过渡到生产实用阶段。 当前国内对电力变压器的性能测试基本上仍处于手工测量的阶段，每项性 能指标都由专用的仪器进行测量，很多测试项目仍采用一些指针式仪表，存在 读数误差大、费工、耗时等问题。工人每次手工接上一套仪器，完成一个参数 的测量，再拆线，换另一套仪器。这样的测量弊端是十分明显的：首先是速度 慢，效率低；其次仪器多，每个仪器有各有自己的使用方法，给测量人员带来 了使用、维护与管理上的不便；再次，手工测量的精度、重复性、可信度也较 差。由于在测试手段上的缺陷也使外国客商对我国变压器系统的性能心存疑虑， 影响了产品的对外销售。由于这些原因，国内厂商迫切需要一套综合性的电力 变压器测试系统，能够将各种不同的测量设备集中到一个统一的系统中，实现 一次接线自动完成各种测量功能，同时还具有数据分析管理、报表生成等自动 化测量能力，以实现电力变压器测量的简便化与自动化，方便用户使用，提高 产品的竞争力。过去的几十年中，国内外的厂家都对这个目标做出过各种尝试。 在国内，内蒙古变压器厂曾研制过一套综合测试系统，将各种测量功能集 中到了一个系统中去，这是一个十分有益的尝试。但由于当时系统集成技术相 对落后，其集成方式是将各种不同的模块化测量仪器放置在一个大机柜中，通 海交通人学颂j 学位论文绪论 过一个统一的显示设备输出结果。这样的系统在本质上仍然是分立测试仪器的 简单组合，系统的内在联结度很差，因此使用、维护上的问题仍然很多，产品 性能不能让人满意，后来也未见其推广应用。 在国外，英国也曾推出过这样的综合测试系统的产品，其原理与内蒙古变 压器厂的类似，采用的是分立仪器自动测量的技术，仪器接口采用g p i b ( g e n e r a l p u r p o s e i n s t r u m e n t b u s ) ，属于8 0 年代水平，现在已相对落后。 1 2 实现系统集成的方法 对一台电力变压器所做的性能试验要包括多个测试项目，现在一般采用多 种传统仪器进行组合测试，测试周期长，测试手段烦琐；如果采用单台智能化 测试仪器堆叠式组合的方式，虽然可以达到测试功能的要求，但是此类系统由 于各部分硬件功能重复导致成本昂贵，难以广泛推广与使用。要真正实现测试 仪器的集成化，而不是堆叠化，关键在于使用同一个部件实现各种测试功能中 类似的子功能，也就是将不同测试功能的相同部分进行合并，使得系统中每一 个部件都能最大限度的发挥作用，这样才能实现具有优良性价比的综合测试系 统。 通过对各类测试装置的分析可以知道，通常检测装置是由以下三大功能块 组成的：信号采集与控制、信号分析和处理、结果输出和表达。后两个功能块 主要是由各种软件组成的，是实现不同的测试功能的主体。第一个功能块虽然 有性能指标上的巨大差异，但都不外乎a d 、d a 与信号调理，完成的功能都 是将实际信号转换成计算机能识别的数字信号，或者将计算机的数字信号转换 成实际的电控制信号；同时，大多数仪器信号分析与处理、结果输出和表达模 块都可以使用相同的数字硬件系统实现；因此这些模块在功能上具有极大的共 通性，完全可以通过适当的组合方式使各种不同的分析处理软件模块都使用相 同硬件输出的数字信号，并使用同一个数字计算硬件系统运行这些软件模块。 从这个思路出发，使用虚拟仪器技术来实现变压器综合检测系统就是十分自然 的想法了。1 2 1 所谓虚拟仪器就是利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软 件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低 价的新型仪器 3 1 。它利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破 传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对 其进行维护、扩展、升级等。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代 表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的 发展和工业生产将产生巨大的影响。目前国际上基于通用计算机系统的虚拟仪 器系统技术丁f 以不可逆转的力量推动着自动化测控技术的革命。以往独立分散 e 海交通人学烦l 学位论文 绪论 的测试领域，在引入虚拟仪器的概念后，正在逐渐靠拢，并形成新的技术方法 和规范。1 4 1 虚拟化测试设备同以往的常规及智能测试设备的不同之处主要在于其灵 活性和功能扩展方面。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输 出，软件才是整个仪器系统的关键。软件对硬件采集到的数字信号进行加工、 分析，得到各种所需要的信息。随着数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展， 工程技术人员使用数字手段几乎可以完成对模拟信号的一切操作，进而可以完 成许多模拟方法无法完成的信号处理分析工作。几乎所有的实体仪器的测量功 能都可以归结为使用数字方式对某个( 些) 数字波形进行运算以得到结果的过 程，完全可以使用不同的软件替代各种不同的测量仪器，所以有“软件就是仪 器”之说。另一方面，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地 改变、增减仪器系统的功能与规模；虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪 器由厂家定义，用户无法改变的模式。虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己 的才能、想象力的空问f 5 】。用户可自由组合计算机平台、相关测试的软硬件以 及完成应用系统所需的附件；而传统的测试设备往往功能固定、相互独立，当 测试项目变更时，需要重新配置测试仪器，接线任务繁琐。随着微电子技术的 迅猛发展，智能化测试仪器的功能越来越多，使用方法也越来越复杂。特别是 高精度仪器，为与其高昂价格相配，往往有很多的附加功能，结果很难找出一 个使用方便又具有很高精度的测试设备。这样的复杂仪器不能摆脱手动操作的 模式，在较复杂场合还容易造成误操作，对测试仪器或待测设备都会造成定 的伤害，其局限性十分明显。各种仪器之间的比较如表1 - 1 所示。 仪器种类传统仪器智能仪器虚拟仪器 测试选用设备仪器组合对应智能仪器同台虚拟仪器 多台仪器对一台可对一台设备进可对一台设备进 测试项目设备的单一项目行一个或多个项行全部项目的测 测试目的测试讥 操作需丰富操作经验无需经验，但步骤无需经验，步骤简 繁琐 照 测试精度较差较高高 测试周期较长较短短 灵活性较好差较好 成本低较高较低 体积大较小小 接线复杂简单简单 表1 1 各种仪器的比较 f i g 1 1c o m p a r i s o n so f d i f f e r e n tk i n d so f i n s t r u m e n t s 采用虚拟化技术，可以用较少的资金，短时间内开发出功能较多、可靠性 海交通大学顾l 学位论文 更高的产品；可根据实际工程需要，建立起性能恰好适应测试项目要求的综合 测控系统，功能则不多也不少，性能不过分超前而满足要求。这样可以避免投 入大量资金到单一功能仪器的采购而导致很多资金消耗在实际上并不需要的功 能上。 基于以上的比较，可见虚拟仪器系统的性能相对于传统仪器与智能仪器具 有极大的优越性。【6 】 1 3 项目设计目标 一般电力变压器所做的主要测试项目主要包括变比试验、绝缘电阻试验、 漏电流试验、直流和工频耐压试验、介质损耗角试验等。传统的试验采用摇表、 各种凋压设备、试验变压器、仪用互感器、各型电工仪表、示波器和电桥等多 种仪器，接线繁琐，操作复杂，极易误操作。随着自动化技术引入测试领域， 发展为接线较为简单、操作方便、功能较多的智能化测试设备，这类设备一般 能完成某一类设备功能的测量任务，如自动介质损耗测试仪、耐压测试仪、局 部放电测试仪等自动化程度较高的综合测试设备，但单台设备相对价格较高， 而要完成现场所有的测试任务又必须进行逐台设备的购置，从经济上用户很难 承受，同时由于各种测试设备的生产厂家各异，要熟悉设备的操作对试验操作 技术人员素质要求较高。生成的试验报告格式也各异，不利于统一管理。 本项目是为了改变国内落后的变压器测试技术状况，提高产品性能和可靠 性，创立国产变压器知名品牌而设立的。其设计目标是利用虚拟仪器技术将各 种不同的测量功能用一个统一的硬件平台加以实现，各种测量模块以软件的形 式存在于系统中。这样的系统具有硬件上的统一性，并且各种功能的扩充、更 新可以简单的通过软件更新来实现，可以使系统的使用、维护大大的简化”1 。 通过将数据采集、数据处理、测试结果显示、输出及测试过程的控制进行系统 集成，大大地减小了系统的规模，成本将大大降低，功能集成化程度更高，并 能方便地实现和扩展各种测试功能。由于采用全数字化测试，从原理上消除了 原先模拟仪器的时间漂移问题，从而可以大幅度地提高检测的效率与精度。不 同试验的操作方式和操作环境基本一致，可缩短设备测试周期，消除误操作对 设备的损害，同时能够准确迅速地自动生成统一格式的试验报告。 海交通大学顺e 学位论文测量方法设计 第二章测量方法的设计 2 1 测量对象简介 该系统主要针对的测量对象是上海变压器厂出产的三相电力变压器。主要 产品的电压等级为l o k v6 5 k v ，容量范围为3 0 1 0 0 0 0 k v a 。根据国家标准g b 1 0 9 4 1 1 9 9 6 电力变压器第一部分总则的规定，电力变压器要进行三类试 验：例行试验( 每台变压器在出厂前都要进行的出厂试验) 、型式试验和特殊试 验项目吼这些试验包括：绕组电阻测量、电压比测量和联结组标号的检定、 短路阻抗和负载损耗的测量、空载电流和空载损耗的测量、绕组对地绝缘电阻 和( 或) 绝缘系统电容的介质损耗因数( t a n6 ) 的测量、绝缘例行试验、有载 分接开关试验、绝缘油试验、温升试验、绝缘型式试验、绝缘特殊试验、绕组 对地和绕组间电容的测定、暂态电压传输特性的测定、三相变压器零序阻抗的 测量、短路承受能力试验、声级测定、空载电流谐波的测量、风扇和油泵电机 所吸取功率的测量等。当然，不是每台变压器都需要执行这么多的试验项目， 而是根据变压器的类别以及厂商、客户之间的协议而确定的。 变压器试验的内容非常多，无法一一详述，因此文中只简单介绍几种比较 关键且具有虚拟仪器测量特点的试验项目。 2 2 空载试验 2 2 1 概述 空载损耗和空载电流测量是确定变压器全部励磁特性的根据。【9 j 进行空载试验的目的是：测量变压器的空载损耗和空载电流；验证变压器 铁心的设计计算、工艺制造是否满足标准和技术条件的要求；检查变压器铁心 是否存在缺陷，如局部过热、局部绝缘不良。 空载损耗主要是由电工钢带的磁滞损耗和涡流损耗组成，还包括由空载电 流在励磁绕组上产生的损耗( 12 r ) 和绝缘介质中的损耗。空载电流是指在变压 器铁心中产生磁通和空载损耗所需要的输入励磁绕组的电流。其无功部分用于 产生磁通，有功部分则供空载损耗。 空载损耗是施加电压和频率的函数，空载损耗中的涡流损耗和空载电流对 施加电压的波形十分敏感。基于这个原因，g b1 0 9 4 卜1 9 9 6 中对电源电压的波 海交通人学坝j ：学位论文测量方法设计 形规定为：电源电压的波形近似于正弦波；当电压波形中总谐波含量不大于5 ， 偶次谐波含量不大于1 ，则认为电压波形近似为正弦波。因此进行空载损耗测 量时还必须进行谐波分析。空载损耗中的磁滞损耗与磁通密度最大值有关。 变压器的空载电流是滞后于施加电压近9 0 。的感性电流，而且含有高次 谐波电流，以3 、5 、7 次为主，使波形发生畸变。图2 一i 是一台单相变压器在 额定电压下的输入电压和空载电流的波形图。 图2 - 1空载电压和电流的波形 f i g 2 1v o l t a g ea n d c u r r e n tw a v e p a t t e r nw h e n n ol o a di sc o n n e c t e d 在同样大小的有效值电压下，这样一个含有大量高次谐波、波形畸变的感 性电流( 如图2 一l 中的波形，其电压谐波总量达7 5 ，三次谐波为6 2 ，波形 因数高于1 n ) 在铁心中产生的损耗要比正弦波形电压下的损耗低，空载电流 也小。如果是平顶波形的话情况正好相反，但在空载试验时一般情况下不会出 现平顶波形电压的。 励磁电压波形的变化使实测空载损耗与正弦波形电压下空载损耗之间产 生偏差，因此对测得的空载损耗必须进行波形校正，而对空载电流国家标准未 规定要进行校正。 2 2 2 空载试验的方法与电路 空载损耗和空载电流通常是对被试变压器低压绕组施加额定频率的正弦 波形额定电压，其他绕组开路，在此条件下测量损耗和电流。i i u j 三相变压器可采用二功率表法测量。由于- - = k h 磁路的不对称，三相空载电 流也就不平衡、不对称。为了减小由此而引起的测量误差，美国标准规定应依 次以三相中的一相做公用线进行三次测量，取其三次平均值作为空载损耗的实 测值。 为了校正励磁电压波形对空载损耗的影响，试验时要用平均值电压表。测 量相电压( 有中性点) 或线电压( 无中性点或三角型接法) 时，同时用一测量 方均根值电压的电压表与平均值电压表并联，以平均值电压表为基准施加额定 巾压进行励磁。 6 上海交通人学坝一：学位论文 测量方法设计 2 2 3 空载试验接线 以单相不使用互感器的测量为例，接线方法如图2 2 所示。这表示了空载 图2 - 2 单相无互感器的试验接线 f i g2 2w i r ec o n n e c t i o nf o rs i n g l e p h a s et r a n s f o r m e r w i t h o u tt r a n s d u c e r 试验的基本原理。i i l l 变压器的a x 端输入测试电源，a x 端开路，功率表w 的电压线圈并联在 ax 端，电流线圈串联在a x 端，并使用一个频率计测试输入电源频率的稳定 性。 当被试变压器的励磁电压、电流超过仪器量程时，就需要在测量电路中接 入电压、电流互感器，也就是将图中电压电流表分别用电压电流表加互感器 的组合代替。由于变压器空载时的功率因数很低，所以必须使用高精度互感器 ( 精度不低于0 2 级) d 2 1 ，以保证测量结果的正确。变压器容量越大，精度应 越高。 2 2 4 虚拟仪器测量实现方法 采用虚拟仪器对空载损耗进行测量时，只需对输入端的电压、电流波形进 行采样，通过对波形的计算就可实现功率测量。 1 3 】 根据功率的定义得： 旷彬 ，。u ， p = 二= 一= 一，i = 1 n ( 2 1 ) rrr 其中p 为功率，w 为功率，t 为采样周期，n 为采样点数，t ，妒表示每个 时刻采样到的电压、电流值。 另外，通过对采集到的波形进行谐波分析，可以得到波形中的谐波成分的 大小，以决定波形校正的参数。 对于空载电压、电流的测量，需根据要求选择计算公式： 7 上海交通人学顺i 学位论文 测量方法设计 平均值电压：己，。= 土。，z u 有效值电压：u 。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 因为采集卡只有对电压波形采样的能力，对电流的测量就必须转换为对电 压的测量。考虑到对大电流的承受力，一个比较合适的方法是使用一个低温度 系数的锰镍铜合金元件，可以测出的电压0 5 0 0 m y ，电流范围o i o o a 。p 4 1 合金 f i g 2 - 3 m e a s u r e m e n to fc u r r e n t 2 2 5 三相功率的测量 - , g 功率的测量一般使用两功率表法。当电源电压不平衡时，可以考虑使 用三功率表法。当变压器有中性引出点时，必须采用三功率表法。 不带互感器的两功率表法试验接线方法如图2 4 所示。 啭 - o 伊 o争 心 _ o 伊 幽2 - 4 三相两功率表测试接线 f i g 2 4w i r i n gf o rt h r e e p h a s et w o - m e t e r p o w e rm e a s u r e m e n t a b c 图2 - 5 三相功率计算 f i g 2 5t h r e e p h a s ep o w e r c a l c u l a t i o n 不论变压器是接法还是y 型接法，它的有功功率必为各相有功功率之和 即p = 只+ 巴+ 只。以y 型接法为例，如图2 - 5 所示。 由此可得：p ：u i a + u 。j 。+ 6 。j 。( 2 5 ) l 海交通人学坝士学位论文 测量方法址| 十 其中u 一、，一、u 。、i e 、u c 、i c 分别为电压、电流的向量形式。 假设三相均衡，则j 一+ j s + j 。= 。，所以一( ja + j 。 = j c 由此得到： ，= ：，一j 一+ ，。；。一6 c 1 - ( j 一十j 。) = j 一( 6 一玉c ) + j 一( 痧。玉c cz s ， = 1 4 u 月c + 1 r u 月。 其中u c 表示a 相相对于c 相的线电压矢量。余同。 式( 2 - 6 ) 表示三相功率可以用其中两相相对于第三相的线电压与线电流 的矢量内积表示，这也就是双功率表法的原理。当采用虚拟仪器测量时，电流 矢量就是向量形式的波形数据，同样使用内积的算法就能得到功率，即： ，= ( ，- ，) ，u = 眇1 ) 一，u 。) j p = 1 u 。( 2 7 ) 对于型接法的变压器，因为接法此时的输入、输出等同于三相完全均 衡的y 接法，可以使用y 一变换将其转换成y 型分析( 条件是 ( ，- 、，一、( ，。、e 、【，c 、j c 都相同) 。显然，接法的变压器也可以使用两功率表 法进行空载损耗的计算。 当三相不均衡时，需要采用三功率表法进行测量。这样反而比较简单，只 须同时测量三相上的电压、电流，根据p = 鼻- k 只+ 只就可以得到空载损耗的功 率了。 2 2 6 数据处理 空载损耗主要是铁心硅钢片中的磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗是铁心中 磁通密度最大值的函数，与磁通的波形无关。磁通密度的最大值与平均值电压 相对应。因此把试验电压的平均值调到正弦波形下额定电压时的平均值，且保 持额定频率不变，就可得到正弦波形下额定磁通密度时的磁滞损耗。 涡流损耗是随励磁电压的方均根值的平方变化，与电压的波形有关。试验 时用平均值电压表测量到的实加电压与方均根值电压之间有差异时应按下式进 行校正： 卜海交通人学硕i 学位论文 测量方法世计 r = 匕( 1 + d ) d = 等 其中 r 一一校正后的损耗，k w ； 匕平均值电压表指示额定电压时测得的损耗，k w ，方均根电压值； ，。平均值电压。 2 3 负载损耗、阻抗电压测量 2 3 1 概述 变压器带有负载时，负载电流在绕线电阻上产生损耗i2 r ，负载电流产生 的漏磁通在绕组内部、引线、铁心结构件、磁屏蔽及油箱箱壁等处所造成的杂 散损耗以及并绕导线和并联线段中的环流所产生的损耗之总和称为变压器的负 载损耗。i t s 负载损耗对变压器的经济运行影响很大，它使变压器温度升高，造成变压 器运行中的电能损耗。对负载损耗的检测还可以发现和检查变压器线圈与机构 件的故障，包括磁路故障等。 负载电流除了产生负载损耗外，还在绕组中产生电压降落，使变压器在带 有负载时的输出电压低于空载电压。以绕组额定电压的百分数表示的这一电压 的降落值。称为该绕组的阻抗电压。阻抗电压中包括与负载损耗相对应的等效 电阻上的压降分量和与绕组耦合的漏磁通相对应的漏抗上的压降分量。这两个 分量无法直接求出，而是在测出负载损耗和阻抗电压之后用计算的方法分别求 出。 2 3 2 试验测量方法 负载试验的三相原理性接线如图2 - 6 所示| l 。阻抗电压、短路阻抗和负载 损耗试验是在主分接位置、额定频率下，对变压器的一个绕组( 通常是被试验 绕组中电压较高的一个绕组) 施加近似正弦波形的电流，另一绕组用足够大截 面的导体短路，逐渐提高电源电压，使绕组中流过额定电流，这时输入变压器 的功率就是这对绕组的负载损耗，可采用两功率表法或三功率表法测量。施加 在励磁绕组出线端上的电压( 三相变压器为线电压) 便是该对绕组的阻抗电压， i 一海交通人学硕士学位论文 测量方法设计 以每相欧姆数表示时，则名为短路阻抗。 图2 - 6 负载试验的接线原理 f i g 2 6 p r i n c i p l eo ft o a d t e s t i n g a b c 短路试验时，由于磁通未饱和，一般电压与电流都是正弦形的，不象空载 试验时要考虑波形畸变的影向，也就不需要波形校正。 2 3 3 数据处理 当试验设备能力有限，试验电流达不到被试变压器绕组的额定电流时，可 采用额定电流或额定分接电流的5 0 到1 0 0 之间的任意电流作为试验电流。此 时测得的阻抗电压和负载损耗应进行校正。阻抗电压按额定电流与试验电流之 比增大，负载损耗应乘以额定电流与试验电流之比的平方加以校正。 最后试验结果要校正到参考温度7 5 。时的阻抗电压( 百分值) 。 ，k ( 7 5 ) = 扼i 蕊= 届i 嗣= 阿哥两 其中： 额定电流下，测量温度时的阻抗电压( 百分值) 。 e 额定电流下，测量温度时的负载损耗。 s 。被试变压器的额定容量。 k ：2 3 5 + 7 5 ，铜线、铝线为2 2 5 。 2 3 5 + ， f 为试验时变压器绕组的温度，取变压器上下部的平均值。 【：海交通大学坝j j 学位论文 测量方法设汁 2 4 绕组直流电阻测量 2 4 1 概述 变压器线圈绕制过程中，由于导线的长度有限和制造工艺的要求( 例如纠 结式线圈) ，因此常常需要焊接。变压器容量越大焊点越多，在装配过程中分接 引线、各个绕组相间连线，各相引出线等也要进行焊接。分接引线与分接开关 之阳j 要用紧固件连接，分接开关接触点之间接触状况等环节的质量必须进行有 效的检验。在引线装配完工后，测量绕组直流电阻的办法是一种既简单又有效 的检测手段。绕组电阻值在变压器试验中还要用来计算绕组电阻上的损耗，用 该损耗对阻抗电压、短路阻抗和负载损耗从常温校正到参考温度( 7 5 ) 。所以 绕组直流电阻的测量是系统中项十分关键的测量工作。1 1 7 2 4 2 现有测试方法 现在一般采用的直流电阻基本测试方法有电压降法和电桥法。1 1 8 , 1 9 , 2 0 电压降法是在被试电阻上通以直流电流，用多量程的毫伏一伏特表测量电 阻上的电压降，然后根据欧姆定律( r ：u i ) 计算出电阻值。测量线路如图 2 7 ( a ) ，为分析方便，绕组被等效成由电阻r 和纯电感l 组成。 ( a )( b ) 图2 7 传统电阻测量方法 f i g 2 - 7t r a d i t i o n a ld c r e s i s t a n c em e a s u r e m e n tm e t h o d r 电桥测量法是根据电桥平衡原理( 如图2 7 ( b ) ) 来测量电阻r 的，当电 桥平衡时，流过检流计g 中的电流i g 为零，此时r 1 r 3 = r 2 r ，故被测电阻 r = r 1 r 2 r 3 。目前最常用的电桥有两种，即单臂电桥( 惠斯登电桥) 和双臂电 桥( 凯尔文电桥) 。一般单臂电桥用来测量10q 以上的电阻，双臂电桥用来 测量10q 以下的电阻。 从电压降法和电桥法的测量原理可以看出，两者在测量绕组电阻时都没 有考虑加入电压u 时电感l 的作用，都将其作为短路导线处理。事实上，由 海交通人学硕【学位论文测量方法设计 于变压器绕组是一个具有铁心的电感线圈，其中的电流不能瞬变，因此有一个 缓慢上升的过程。要得到币确的结果，必须等电流i 达到稳定值，在此之前， 电路处于过渡过程。 变压器容量增大则电感也增加，而绕组电阻却相对减小。根据l - r 电路的 时间常数公式：t = 导，因为 k 变压器的高压绕组有很大的电 感和很小的电阻，电感达到数 百甚至数干h 时，而电阻一般 仅在1 i0 l l0 2 q 之间，因此有很大的时间常 数。通常测量一台大容量变压 器高压绕组电阻数值的稳定时 间需几分钟甚至几十分钟( 见 表21 ) 。这显然大大降低 了工作效率。 2 4 3 缩短时间常数的方法 被试产品测高压绕组充电时间 s j l 5 0 5 35 m i n 2 8 s s j l 5 6 0 6 05 m i n 2 4 s s f s l 一3 1 5 0 0 11 01 2 m in 3 0 s s f p s z 一12 0 0 0 0 2 2 02 3 m i n 3 5 s y d j c 一7 5 0 7 5 0 4 7 m i n 表2 - 1 变压器绕组充电时间 t a b l e 2 - 1c h a r g i n gp e r o i do f t r a n s f o r m e rc o i l s 为达到快速测量直流电阻的目的，人们提出了很多方法来减小时问常数t ， 如串联电阻法、大电流法、线圈蓄能法、恒流源法、稳压稳流法、可变电流源 法等【2 1 i ，根据其工作原理归纳起来为三个方面：一是减小测量回路的电感， 二是增大测量回路的电阻，三是强制进入稳态。现有的专门用来快速测量变压 器绕组直流电阻的测量设备几乎都是使用以上几种方法中的一种实现快速测量 图2 - 8 电路突变法原理 f i g2 8p r i n c i p l ef o rc i r c u i t s u d d e n - s w i t c hm e t h o d 的。 减小电感的方法通常是加大测量电流，使铁心饱和。由于导磁系数的减小 使电感减小，这种方法需增大测量电源的容量，一般不采用。 卜海交通人学顺i 一学位论文 测量方法设计 增大测量回路的电阻是较常用的一种方法，但在测量回路中串入附加电 阻会使测量灵敏度降低，为此需相应提高电源电压，但这样增加了电池的能 耗，一般只应用于双臂电桥中。 更有效的缩短测量时间的方法是强制进入稳态( 突变电路法) ，如图2 - 8 所示。测量时先闭合a n 使附加电阻r a 短接，合上k ，全部电压加于被试绕组 上，此时有较大的电流上升速度，达到预定电流i 后断开a n ，则电流由图2 8 曲线l 立即稳定到曲线2 上。 以上讨论的测量方法均是围绕缩短时间常数而进行的，虽然有明显的改 进，但终受时间常数的约束，都局限在怎样使电流迅速稳定下来。但是，如果 从控制系统的角度看，变压器其实是一个传递函数形式已知的系统，对它的系 统参数的确定完全可以通过动态检测中常用的动态响应测试方法实现，根本不 需要等待系统进入稳定状态再进行测量。也就是况，通过测量变压器对一个已 知信号在加电后一小段时间内的响应，应该可以计算出它的各种参数。这样就 完全摆脱了时间常数对绕组直流电阻测量的不利影响。 另一方面，绕组电流进入稳态后测量的另一个缺陷是测量电路中的电流比 较大，如果电路中的电流忽然中断，即突然断开电路时，绕组中将出现很高的 感应电压，会危及测试设备和操作人员的安全，甚至会损伤变压器。所以现有 的方法在测试完成后不能马上断开电路，必须通过一个放电电阻消耗完变压器 中储存的电磁能才能断电。这其实也是时间常数导致长时间充电的后果。 为彻底摆脱时间常数的限制，现在已经有人作了些探讨，比如零时间常 数测量方法。弘纠 2 4 4 零时间常数测量方法 似砹例2 7 ( a j 所不肋l r 电路外施电j 土i j 为时j 日jt 的一次函数，剐： “= k 。h u o ( 2 8 ) 其中k 。为外施电压变化率，为外施电压初始值 将其代入l r 电路过渡方程u ：i r + 堕 ( 2 9 ) d t 其中l 为电感，r 为电阻 可得一阶线性非齐次微分方程：出d i + 尝f - 等，+ 等( 2 - 1 0 l ) d fll 配合初始条件玑：0 = 。，并设t = 等 当外施电压“= k ，h 满足 4 海交通人学顾i 学位论文 测量方法设计 k 。l u o r = 0 ( 2 - 1 1 ) 方程( 21 0 ) 可以解得： i=k,尺=百ku(2 1 2 ) 由( 2 - 1 2 ) 可以得到电阻的阻值。 零时间常数法完全抛开了时间常数的概念，是一种思路完全不同于以往测 量方法的新测量方法。但是它的缺点也同样明显。由于其中要使用到v i i 转换 与跨导放大电路，使其测试硬件不能完全统一到现有的p x i 虚拟测试系统的硬 件平台之下，需要使用一些专用硬件电路，不符合系统虚拟化的目标。 为使系统测试硬件能完全地利用现有系统提供的硬件资源，这里提出了一 种新的测试方法，称为“阶跃响应动态测试法”。 2 4 5 阶跃响应动态测试法 阶跃响应动态测试法就是通过对被试绕组加上