干式電力變壓器繞組電阻測量檢測

一、檢測原理

繞組直流電阻是變壓器基本的電氣參數(shù)之一，其測量基于歐姆定律。在直流電源作用下，對變壓器繞組施加恒定電流I，通過高精度儀表測量該電流在繞組兩端產(chǎn)生的壓降U，即可計算出繞組的直流電阻值R=U/I。

科學依據(jù)與技術考量：

1. 導體電阻特性：繞組由金屬導體（主要為銅或鋁）構(gòu)成，其直流電阻與導體材料的電阻率、長度、截面積及環(huán)境溫度密切相關，關系式為R=ρL/S。電阻率ρ隨溫度變化，故測量時必須同步記錄繞組溫度，并將結(jié)果換算至同一參考溫度（通常為75℃或115℃）下進行比較。

2. 電磁感應與暫態(tài)過程：變壓器繞組可等效為電阻與電感的串聯(lián)電路。在直流電源接通或斷開的瞬間，由于電感的存在，回路電流會按指數(shù)規(guī)律增長或衰減，存在一個暫態(tài)過程。此過程的時間常數(shù)τ=L/R。大型變壓器電感量大而電阻小，導致τ值很大，電流穩(wěn)定時間長達數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘。測量核心在于待電流充分穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)，以避免電感反電動勢對測量的干擾。

3. 消除引線電阻影響：測量回路中包含測試線本身的電阻。為消除其影響，精密測量普遍采用四線制（凱爾文接線法）：一對電流線（C1, C2）用于施加測量電流，一對電壓線（P1, P2）用于直接從繞組端子兩側(cè)探測電壓。電壓線回路中電流極小，引線電阻壓降可忽略，從而確保所測電壓僅為繞組兩端電壓，顯著提高測量準確性。

二、檢測項目

繞組電阻測量主要服務于以下檢測項目：

1. 例行試驗項目：

   • 繞組實際電阻值測量：在繞組溫度穩(wěn)定時，測量各繞組的直流電阻。

   • 相同電阻不平衡率計算：對三相變壓器，計算任意兩相繞組電阻之差與三相平均電阻值的比值，通常要求≤2%（對于容量≥1600kVA的變壓器，線電阻不平衡率要求更嚴，如≤1%）。

2. 診斷性試驗項目：

   • 繞組內(nèi)部導體質(zhì)檢：檢查導線材質(zhì)、截面積是否符合設計，焊接點是否存在先天性缺陷。

   • 分接開關狀態(tài)檢測：測量變壓器在所有分接位置下的繞組電阻，判斷分接開關觸頭的接觸是否良好、是否存在氧化或燒蝕。

   • 引線與繞組連接檢測：檢查套管導桿與繞組引線的焊接、螺栓連接等部位是否牢固可靠。

   • 繞組匝間、層間短路初步判斷：嚴重的匝間短路可能導致局部電阻變化，可通過相同比較發(fā)現(xiàn)異常。

   • 動態(tài)穩(wěn)定性評估：變壓器經(jīng)受短路電流沖擊或運輸振動后，通過測量繞組電阻變化，判斷繞組及連接部位有無松動或變形。

三、檢測范圍

干式電力變壓器繞組電阻測量廣泛應用于所有使用變壓器的行業(yè)領域，具體要求各有側(cè)重：

• 電力系統(tǒng)：發(fā)電廠、變電站、配電網(wǎng)絡中的升壓變、降壓變、站用變、接地變等。要求定期預防性試驗，檢測標準嚴格，關注長期運行下的劣化趨勢。

• 工業(yè)領域：

  • 冶金、化工、礦山：用于電爐變、整流變、動力變等。環(huán)境惡劣（高溫、高粉塵、腐蝕性氣體），檢測周期短，關注分接開關頻繁操作下的觸頭磨損和連接松動。

  • 軌道交通：牽引變壓器。振動頻繁，要求檢測其機械穩(wěn)定性，電阻測量結(jié)合振動測試進行分析。

  • 數(shù)據(jù)中心、金融行業(yè)：干式變壓器作為關鍵電源設備。要求極高的供電可靠性，檢測項目全面，對電阻不平衡率等指標要求極為苛刻。

• 建筑樓宇：配電變壓器。關注初始安裝質(zhì)量驗收及長期運行下的絕緣老化間接影響（溫升）。

• 新能源：風電場、光伏電站的箱式變電站用變壓器。運行環(huán)境溫差大、濕度變化大，檢測需關注溫度換算的準確性及連接部位的氧化情況。

四、檢測標準

國內(nèi)外標準對繞組直流電阻測量均有明確規(guī)定。

• 國內(nèi)主要標準：

  • GB/T 1094.1-2013 《電力變壓器 第1部分：總則》：規(guī)定了電阻測量的一般要求、溫度換算公式及相同差值的允許限值。

  • GB/T 6451-2015 《油浸式電力變壓器技術參數(shù)和要求》：雖針對油變，但其電阻不平衡率要求常被干式變壓器參考引用。

  • GB/T 22072-2018 《干式電力變壓器技術參數(shù)和要求》：直接規(guī)定了干式變壓器的技術參數(shù)，包括繞組電阻測量和要求。

  • DL/T 596-2021 《電力設備預防性試驗規(guī)程》：作為電力行業(yè)執(zhí)行的規(guī)程，詳細規(guī)定了試驗周期、要求、三相不平衡率判據(jù)（如線間電阻差值一般不大于2%）等。

• 主要標準：

  • IEC 60076-1:2011 《Power transformers - Part 1: General》：與接軌，原理和要求與GB/T 1094.1基本一致。

  • IEEE Std C57.12.01-2018 《IEEE Standard for General Requirements for Dry-Type Distribution and Power Transformers》：對干式變壓器的直流電阻測試有明確指引。

• 標準對比分析：

  • 核心原理一致：所有標準均基于歐姆定律，強調(diào)溫度記錄與換算，關注三相不平衡率。

  • 限值要求略有差異：不同標準對三相直流電阻不平衡率的合格限值規(guī)定可能存在細微差別。例如，某些標準對特定容量或電壓等級的變壓器有更嚴格的規(guī)定。執(zhí)行時應以產(chǎn)品技術條件或合同指定標準為準。

  • 測試電流建議：IEC和IEEE標準可能對不同容量繞組推薦的測試電流范圍提供更詳細的指導，而國內(nèi)標準有時更側(cè)重于結(jié)果判據(jù)。

五、檢測方法

1. 主要方法：

   • 電壓降法：傳統(tǒng)方法，需外接穩(wěn)定直流電源、標準電阻器、電流表和毫伏表。通過計算得出電阻值，操作繁瑣，精度受儀表等級影響，現(xiàn)已較少用于現(xiàn)場。

   • 電橋法：

     • 單臂電橋（惠斯通電橋）：測量中等阻值（約1Ω~1MΩ）的繞組，但無法消除引線電阻影響。

     • 雙臂電橋（凱爾文電橋）：專為低電阻測量設計，采用四線制，能有效消除引線電阻和接觸電阻的影響，曾是測量變壓器繞組電阻的主要工具，現(xiàn)正被數(shù)字式直阻儀取代。

   • 直流電阻快速測試儀法（現(xiàn)代主流方法）：采用現(xiàn)代電力電子技術，核心原理是“恒流源-電壓測量”。儀器內(nèi)部集成高穩(wěn)定度恒流源和高精度ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），自動計算并顯示電阻值。

2. 操作要點：

   • 斷電與放電：測量前必須將變壓器與電網(wǎng)徹底隔離，并對所有繞組充分放電，尤其是高壓繞組，確保人身與設備安全。

   • 溫度測量與記錄：準確測量并記錄繞組溫度（通常以頂層油溫或繞組表面溫度作為參考），這是進行溫度換算的基礎。

   • 正確接線：嚴格采用四線制接法，電壓線應夾在電流線內(nèi)側(cè)，并直接接觸繞組端子，確保接觸良好、可靠。

   • 選擇合適量程與電流：根據(jù)繞組大致阻值和變壓器容量選擇合適的測試電流。電流過小，信噪比低；電流過大，可能引起繞組溫升，影響測量準確性。通常以不使繞組明顯發(fā)熱為原則。

   • 保持電流穩(wěn)定：對于電感大的變壓器，啟動測量后需耐心等待儀器指示的電流和電阻值完全穩(wěn)定后再讀數(shù)。現(xiàn)代智能儀器通常具備“穩(wěn)流判斷”和自動鎖定功能。

   • 測量順序與消磁：對于鐵芯有剩磁的大型變壓器，可在測量前進行“消磁”操作，或采用正反向電流各測一次取平均的方法，以減小磁化電流對穩(wěn)定時間的影響。

   • 分接位置記錄：測量時明確記錄所測分接位置，測量所有分接位置時應在盡可能短的時間內(nèi)完成，以減少溫度變化引入的誤差。

六、檢測儀器

現(xiàn)代繞組直流電阻測試儀具備以下技術特點：

1. 恒流源性能：輸出電流范圍寬（通常從毫安級至數(shù)十安培），穩(wěn)定性高，紋波系數(shù)小，能快速建立并維持恒定電流。

2. 測量精度與分辨率：基本精度通常優(yōu)于0.2%，對低阻值測量可達微歐級分辨率。

3. 快速穩(wěn)定技術：采用“電流變檔”或“反向電動勢抵消”等電路技術或算法，強制縮短鐵芯磁化過程的飽和時間，大幅縮短測量時間。

4. 數(shù)據(jù)管理與計算：內(nèi)置微處理器，可自動存儲數(shù)據(jù)、計算相同不平衡率、根據(jù)輸入的溫度自動換算至參考溫度（如75℃）。

5. 安全與保護：具備完善的反電動勢保護、過流保護、接錯線保護等功能，確保儀器和變壓器安全。

6. 抗干擾與便攜性：針對現(xiàn)場電磁干擾設計，測量穩(wěn)定。設備趨向小型化、輕量化、電池供電，便于現(xiàn)場使用。

七、結(jié)果分析

1. 分析方法：

   • 絕對值比較法：將測量值換算到同一參考溫度后，與出廠值、銘牌值或設計值進行比較。顯著增大可能預示連接不良、導線斷裂或嚴重匝間短路。

   • 相對值比較法（核心方法）：

     • 相同比較：計算三相繞組電阻的不平衡率。公式為：(Rmax - Rmin) / Ravg × 。其中Rmax、Rmin、Ravg分別為三相中大電阻值、小電阻值和三相平均值（對于有中性點引出的星形連接，應測量相電阻；對于三角形連接或無中性點引出的星形連接，測量線電阻）。

     • 歷次比較：與以往預防性試驗的歷史數(shù)據(jù)進行比較，觀察其變化趨勢。電阻值的逐漸增大可能意味著連接部位的緩慢氧化或劣化。

     • 分接位置間比較：同一繞組在不同分接位置下的電阻值應呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。某一分接位置電阻異常增大，通常指向該檔位分接開關觸頭存在接觸問題。

2. 評判標準：

   • 三相不平衡率：是首要判據(jù)。按照GB/T 1094.1或DL/T 596，對于1600kVA及以下的干式變壓器，相電阻不平衡率通常不應大于4%，線電阻不平衡率不應大于2%；對于1600kVA以上的變壓器，線電阻不平衡率不應大于1%（無中性點引出時）。實際執(zhí)行中，應以新標準或產(chǎn)品技術條件為準。任何超過標準限值的情況都必須查明原因。

   • 與初值差：交接驗收時，相同差值應符合上述要求；與出廠實測值相比，其偏差一般不應大于2%。

   • 趨勢分析：電阻值不應有顯著的增長趨勢。短期內(nèi)電阻值的明顯變化，即使未超標準，也應作為潛在缺陷預警，加強監(jiān)測。

   • 綜合分析：繞組電阻異常通常需要結(jié)合變比試驗、繞組變形測試、空負載試驗等結(jié)果進行綜合分析，才能準確定位故障性質(zhì)與位置。例如，電阻增大伴隨變比異常，可能指向分接開關故障；電阻正常但空載電流增大，可能指向鐵芯或磁路問題。