基于DSP的变压器直流电阻的“消磁动态”法测试

1 引言

变压器绕组直流电阻测试是变压器出厂及预防性试验的主要项目之一。按照IEC标准和国标GB1094，变压器在制造过程中、大修后、交接试验和预防性试验以及绕组平均温升的测定和故障诊断中等都必须进行该项试验。

近几年有关电力变压器直流电阻的测试方法已在参考文献中详细论述。这些方法可以分为两大类：静态和动态测量法。所谓静态测量法，指待绕组充电电流稳定后进行测量，它包括，增大回路电阻的电路突变法、高压充电低压测量法、磁通泵法等，它们都存在测量过程须依赖人工干预的缺点。所谓动态测量法，指不需要等到稳定后再测量，而是利用电感线圈充电过程中的电压、电流数据来测量其电阻。在动态测量法中，二阶振荡法对于回路中所串联的电容有较高的要求，还要求严格把握电流极值点，若di／dt≠0，而电感的数值又很大，所产生的电感压降UL＝Lx（di／dt）叠加于直流电阻极小的压降UR上，则降低测量精度。一般而言，静态测量法消耗时间较长，但是测量数据比较可靠；动态测量法快速高效，但是测量数据有时不太可靠。

本文针对它们的各自特点，借助于TI（TexasInstrument）公司信号处理器（DSP），提出了“消磁动态法”，力求将两类方法的优点集于一体，解决智能化、快速、可靠测量大型电力设备直流电阻的问题，尤其是大容量的三相五柱变压器的快速测量。

2 测试系统原理分析

2．1 消磁法基本思路

常规研究三相三柱变压器的方法是把电力变压器绕组等效于电感和电阻的串联，绕组电流变化过程为
其中，τ＝Lx／Rx为回路时间常数；Rx、Lx为被测变压器绕组直流电阻、电感；E、i为电源和回路电流。

下面简要分析三相五柱变压器的互感耦合绕组的电路过渡过程，其等效电路如图1所示。其中，R1为原边电阻；R2为副边电阻折合值；L为对应于激磁电抗的电感。此电路的阻抗函数为：
此电路的强制响应（即端电压的稳态分量）和自然响应分别为：
电路的全响应为强制响应与自然响应之和，即，
待定常数A可由初始条件求得。因此，端电压的时间变化函数为
那么，若将恒流源通入副边短路的变压器中时，虽然原边电流很快达到其稳定值，但由于副边感生电感电流的影响，原边电压要经过一长时间才达到其稳定值。由此可见，互感耦合绕组电路的过渡过程由次级参数决定，而与初级无关，即便是加大电源内阻也并不能影响次级时间常数。

造成加电后感性绕组存在过渡过程的原因是磁通不能突变。当由一稳态转换到别一稳态时就需要过渡时间。如果略去剩磁，则测量变压器直流电阻时，其起始状态磁通为零。如果我们设法在整个测量过程中保持这种零状态，那就从根本上消除了过渡过程，达到快速测量的目的。

测量高（中）压线圈的直流电阻的同时，在中（低）压线圈中加反向电流，目的是抵消电流磁场。也就是说，当测量高压侧直流电阻时，除在高压待测相线圈中加电流外，还应在相应的中压侧线圈中加一反向电流，使此电流产生之磁势与高压侧产生之磁势大小相等方向相反，如能同时加入则性能达到相互抵消。即，保证在整个测量过程中保持“零磁通”状态。其简图如图2（略去低压绕组）所示。
  
设高压侧有N1匝，中压侧有N2匝，则高压侧磁势为N1i1，中压侧为N2i2，如N1i1＋N2i2＝0，则i2＝－N1·i1／N2，因N1／N2＝u1／u2，故，由铭牌上给定的某一分头电压比，即可求出匝数比。

当测量低压侧绕组时，其简化电路如图3所示。由图可知，中低压匝数比为中压线电压和低压线电压之比，如设中压线电压为u2，低压为u3，则N2／N3＝（u2／/u3。又因低压绕组系bc相串接后与a相并接。故，总注入电流应为a相电流的1．5倍，即，
满足（8）式关系即可使中低压磁势相互抵消。通过DSP控制恒流源输出消磁电流的大小，完成测试。

2．2动态测试法基本思路

仅靠“静态”的方法并不能很好地解决测量的准确性与快速性这个矛盾。为此，本文提出了在“静态”测量的思路基础之上的“动态”测试法。其原理示意图见图4，图中，UN是串入绕组中的高精密标准电阻RN上端电压，E为被测绕组端电压。
由式（1）可知，在消磁过程中，能测出t1、t2两个不同时刻的UN及E值，将它们代入式（1）中可得：
从理论上讲，Δt取值越小，利用（9）、（10）式解出的直阻值RX越准确，那么保证测量的准确性是不成问题的，但事实并非如此。当Δt小到一定程度后，算出的RX值的误差将随着Δt减小而增大。这是因为计算机运算中的字长及模拟信号A／D转换时的量化误差和线圈的自然时间常数等因素都对直阻RX的计算结果 Top