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变压器微机试验系统研究探讨 |
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| 变压器微机试验系统研究探讨 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 14:21:00  |
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摘 要：论述了变压器微机试验系统的设计和实现方法，通过对大型变压器出厂试验项目的分析，提出了能够进行变压器电压比-联接组试验、线圈直流电阻试验、绝缘特性试验以及损耗试验的微机试验系统。系统由微机控制，采用人机对话的形式进行测试，并可打印出符合技术要求的试验报告。最后，具体分析了损耗试验中由于非同步采样而存在的截断误差以及校正方法。
关键词：变压器；微机试验系统；低功率因数；损耗测量
电力变压器作为输、变、配、用电系统不可缺少的电力设备，在生产和使用过程中需进行多次项目繁杂的试验，使用微机进行变压器测试的目的在于解决传统变压器试验中存在的耗时多、操作繁、精度差等问题。常规电力变压器出厂试验和型式试验包括下列8个项目：绕组电阻测定、绕组联接组测定、电压比测量、负载试验、空载试验、绝缘特性测试、外施耐压试验和感应耐压试验。目前，国内绝大多数变压器制造厂中前3个项目的测试多采用电桥，虽然测量准确度较高，但测试时需反复调平衡，耗时较长；在测试后5个项目时，一般仍是在常规仪表试验台上进行，整个过程需要人工读多个电压表、电流表和功率表，然后进行各种必要的计算，才能获得结果，做出产品合格与否的判断。可见传统测试方法不仅费时耗力，而且准确度也很难保证。
日本在20世纪70年代中期开始研制测量变压器电气特性的微机测试系统，80年代初已形成功能较完善的微机自动测量系统［1，2］。日本三菱公司研制的变压器自动试验装置［1，2］能完成以下试验：电阻测量、电压比测量和联接组试验、空载试验和负载试验。瑞典ASEA研究中心开发的一种自动测试系统，电压和电流测量范围分别是0.2～170 kV和1～10 000 A，在加拿大IREQ(Institut de recherche dHydroQuebec)高压试验室安装，经过与标准设备校正后，当功率因数λ＞10%时不稳定度为0.5%，当1%＜λ≤10%时不稳定度则只有5%［3，4］。
1变压器微机试验系统总体结构
变压器微机试验系统应能完成一般变压器6个项目的试验，即绕组电阻测试、联结组别测试、电压比测试、空载特性测试、负载特性测试和绝缘特性测试。整个试验过程由微机控制，采用人机对话的形式，按IEC规定的次序，对变压器诸试验项目进行测试。系统测试到的数据可按要求进行各种必要的计算，并打印出符合技术要求的试验报告。
变压器试验项目繁多，不同试验项目对控制、测量机构要求不一。因而，系统的整体结构采用模块化的设计思想，将整个试验程序分成数个功能单一的独立模块，模块间通过单片机CPU控制，利用串行通信方式保持联系。如图1所示，整个系统的硬件框图由两大部分组成：数据采集模块和系统管理模块。其中数据采集模块主要负责各项试验过程中试验数据的采集，也控制各项试验的正常进行；系统管理模块主要进行试验数据的处理及试验结果的输出显示和打印。变压器试验所需采集的测量数据很多，包括损耗试验数据、直流电阻测试数据、电压比和组别测试数据、绝缘特性试验数据四大类。因而数据采集模块是由这四大部分组成，其中损耗试验部分需将高电压、大电流信号转换为弱电信号，由单片机系统部分控制数据的采集；而直流电阻测试、绝缘特性试验、电压比和组别测试由于采用相应的特殊功能模块，只需进行测量过程的控制和测量结果的传输工作。
2损耗试验误差分析
损耗试验中，为了保证测量系统达到足够的精度要求，低功率因数测量对于采样的同时性要求很高，因而最好是各通道都配置独立的采样保持器。具体硬件设计如图2所示。
由于变压器微机试验系统研究由于变压器损耗试验一般都是在较低的功率因数下(空载试验时功率因数为0.75～0.01；负载试验时更低，一般为0.50～0.01，有时甚至低于0.01)进行的，这时对电压、电流采样同时性要求极高，稍有偏差就可能在功率测量中引起很大误差。一些系统由于受互感器精度、数据采集通道的限制，在这方面存在着或多或少的不足。另外，同步采样(信号周期为采样周期的整数倍)因对硬件电路要求很高，一般极少有人采用，普遍应用的非同步采样法受电网频率不稳定性及采样周期的量化性影响，在功率测量中所产生的非同步误差，随着功率因数的减小表现也趋于显著。采用准同步算法［5，6］可解决这个问题，却增加了计算机的采样时间和数据处理量，实时性有所下降。如何较好地解决这个问题是保证功率测量精度的关键。
2.1采样非同时性误差分析
大容量变压器在空载及负载试验时功率因数很低，特别是在负载试验时，功率因数有时甚至比001更低。因此，对电压、电流采样的同时性要求很高。
由此可见，非同时采样误差随着功率因数的减小而急剧增大，在系统设计时要充分考虑这一特性。为了保证电压、电流信号采样的同时性，变压器微机试验系统采用了6路信号同时取样，电压、电流双通道并行转换的模式，最大限度地消除了取样非同时性的影响。此时采样时差仅受采样保持器(SHA)孔径时间分散性的影响，不存在设计上的固有偏差。
2.2采样非同步性误差分析
对周期为T的电压信号u(t)、电流信号i(t)，若将信号周期T等分为N段，并在周期内对电压、电流信号进行等间隔同步取样，得到N组样品u(n)和i(n)，n=0，1，2，3，…，N－1，那么，可以证明，当N＞2M(M为电压、电流信号的最高谐波次数)，且满足采样周期Ts=T/N时， 这就是同步采样法测量的经典算法理论基础。然而，在实际的测量装置中，因作为采样周期发生器的定时机构总是存在一定的定时量化间距，所以并非连续可调。事实上，此时根据经典算法对离散信号进行处理时，其结果只能逼近电压、电流有效值和电功率的真值，并由此将产生相应的截断误差。这种由于采样不同步而产生的误差与功率因数λ成反比。在功率因数很小时，将引入较大的非同步采样误差；当功率因数λ=1时，截断误差值最大。此外，若信号周期和定时器的最小分辨率一定，适当减小周期内取样组数N，可使误差变小。采用一定的离散采样补偿算法可以有效地消除这种误差影响，而且并不额外增加系统的计算量［7］。
3总结
本文分析了变压器微机测试的国内外情况，针对变压器试验的具体特点，提出了合理的设计方案和实现办法，并介绍了由微机和单片机组成的变压器微机智能测试系统，得出了以下结论：
a) 使用计算机在程序控制下进行变压器试验，与传统的采用仪表测试相比较，可以提高试验结果的准确度，并可使试验过程自动化，节省人力，是改变传统变压器试验中存在的耗时多、操作繁、精度差等问题的有效途径。
b) 采用离散法求取电压、电流和功率值，不仅可以节省投资，提高精度，而且可以按试验的要求分别获得平均值、有效值和峰值等传统仪表无法得到的参量。采用新的软件补偿算法，可消除由采样定时器量化间距而引起的量化误差，大大提高了系统的测量准确度，满足了变压器试验的精度要求。
参考文献
［1］青木俊三.大容量变压器计测数据处理系统［J］.三菱电机技报，1981(2)：63.
［2］ 宋谷幸保.中等容量变压器电气特性计测自动化［J］.三菱电机技报，1975(5)：24.
［3］ MALEWSKI R，ARSENEAU R，SO E，et al. A Comparision of Instrumentation forMeasuring the Losses of Large Power Transformers［J］. IEEE Trans. on PA & S，1983，PAS-102(6)： 1570—1573.
［4］ 霍崇业，李远东.使用计算机进行变压器损耗试验［J］.变压器，1990，27(2)：10—13.
［5］ 戴先中.准同步采样中的几个理论与实际问题［J］.仪器仪表学报，1986，7(5)：350—357.
［6］ 冯志贤，刘星.准同步采样技术在非正弦电参量测量中的应用［J］.电测与仪表，1989，26(4)：3—6，31.
［7］ 王红斌. 微机测试系统及变压器损耗试验研究［D］.武汉：华中理工大学，1997：论述了变压器微机试验系统的设计和实现方法，通过对大型变压器出厂试验项目的分析，提出了能够进行变压器电压比-联接组试验、线圈直流电阻试验、绝缘特性试验以及损耗试验的微机试验系统。系统由微机控制，采用人机对话的形式进行测试，并可打印出符合技术要求的试验报告。最后，具体分析了损耗试验中由于非同步采样而存在的截断误差以及校正方法。
关键词：变压器；微机试验系统；低功率因数；损耗测量
电力变压器作为输、变、配、用电系统不可缺少的电力设备，在生产和使用过程中需进行多次项目繁杂的试验，使用微机进行变压器测试的目的在于解决传统变压器试验中存在的耗时多、操作繁、精度差等问题。常规电力变压器出厂试验和型式试验包括下列8个项目：绕组电阻测定、绕组联接组测定、电压比测量、负载试验、空载试验、绝缘特性测试、外施耐压试验和感应耐压试验。目前，国内绝大多数变压器制造厂中前3个项目的测试多采用电桥，虽然测量准确度较高，但测试时需反复调平衡，耗时较长；在测试后5个项目时，一般仍是在常规仪表试验台上进行，整个过程需要人工读多个电压表、电流表和功率表，然后进行各种必要的计算，才能获得结果，做出产品合格与否的判断。可见传统测试方法不仅费时耗力，而且准确度也很难保证。
日本在20世纪70年代中期开始研制测量变压器电气特性的微机测试系统，80年代初已形成功能较完善的微机自动测量系统［1，2］。日本三菱公司研制的变压器自动试验装置［1，2］能完成以下试验：电阻测量、电压比测量和联接组试验、空载试验和负载试验。瑞典ASEA研究中心开发的一种自动测试系统，电压和电流测量范围分别是0.2～170 kV和1～10 000 A，在加拿大IREQ(Institut de recherche dHydroQuebec)高压试验室安装，经过与标准设备校正后，当功率因数λ＞10%时不稳定度为0.5%，当1%＜λ≤10%时不稳定度则只有5%［3，4］。
1变压器微机试验系统总体结构
变压器微机试验系统应能完成一般变压器6个项目的试验，即绕组电阻测试、联结组别测试、电压比测试、空载特性测试、负载特性测试和绝缘特性测试。整个试验过程由微机控制，采用人机对话的形式，按IEC规定的次序，对变压器诸试验项目进行测试。系统测试到的数据可按要求进行各种必要的计算，并打印出符合技术要求的试验报告。
变压器试验项目繁多，不同试验项目对控制、测量机构要求不一。因而，系统的整体结构采用模块化的设计思想，将整个试验程序分成数个功能单一的独立模块，模块间通过单片机CPU控制，利用串行通信方式保持联系。如图1所示，整个系统的硬件框图由两大部分组成：数据采集模块和系统管理模块。其中数据采集模块主要负责各项试验过程中试验数据的采集，也控制各项试验的正常进行；系统管理模块主要进行试验数据的处理及试验结果的输出显示和打印。变压器试验所需采集的测量数据很多，包括损耗试验数据、直流电阻测试数据、电压比和组别测试数据、绝缘特性试验数据四大类。因而数据采集模块是由这四大部分组成，其中损耗试验部分需将高电压、大电流信号转换为弱电信号，由单片机系统部分控制数据的采集；而直流电阻测试、绝缘特性试验、电压比和组别测试由于采用相应的特殊功能模块，只需进行测量过程的控制和测量结果的传输工作。
2损耗试验误差分析
损耗试验中，为了保证测量系统达到足够的精度要求，低功率因数测量对于采样的同时性要求很高，因而最好是各通道都配置独立的采样保持器。具体硬件设计如图2所示。
由于变压器微机试验系统研究由于变压器损耗试验一般都是在较低的功率因数下(空载试验时功率因数为0.75～0.01；负载试验时更低，一般为0.50～0.01，有时甚至低于0.01)进行的，这时对电压、电流采样同时性要求极高，稍有偏差就可能在功率测量中引起很大误差。一些系统由于受互感器精度、数据采集通道的限制，在这方面存在着或多或少的不足。另外，同步采样(信号周期为采样周期的整数倍)因对硬件电路要求很高，一般极少有人采用，普遍应用的非同步采样法受电网频率不稳定性及采样周期的量化性影响，在功率测量中所产生的非同步误差，随着功率因数的减小表现也趋于显著。采用准同步算法［5，6］可解决这个问题，却增加了计算机的采样时间和数据处理量，实时性有所下降。如何较好地解决这个问题是保证功率测量精度的关键。
2.1采样非同时性误差分析
大容量变压器在空载及负载试验时功率因数很低，特别是在负载试验时，功率因数有时甚至比001更低。因此，对电压、电流采样的同时性要求很高。假设施加于变压器某一相的电压、电流为
由此可见，非同时采样误差随着功率因数的减小而急剧增大，在系统设计时要充分考虑这一特性。为了保证电压、电流信号采样的同时性，变压器微机试验系统采用了6路信号同时取样，电压、电流双通道并行转换的模式，最大限度地消除了取样非同时性的影响。此时采样时差仅受采样保持器(SHA)孔径时间分散性的影响，不存在设计上的固有偏差。
2.2采样非同步性误差分析
对周期为T的电压信号u(t)、电流信号i(t)，若将信号周期T等分为N段，并在周期内对电压、电流信号进行等间隔同步取样，得到N组样品u(n)和i(n)，n=0，1，2，3，…，N－1，那么，可以证明，当N＞2M(M为电压、电流信号的最高谐波次数)，且满足采样周期Ts=T/N时，功率
这就是同步采样法测量的经典算法理论基础。然而，在实际的测量装置中，因作为采样周期发生器的定时机构总是存在一定的定时量化间距，所以并非连续可调。事实上，此时根据经典算法对离散信号进行处理时，其结果只能逼近电压、电流有效值和电功率的真值，并由此将产生相应的截断误差。这种由于采样不同步而产生的误差与功率因数λ成反比。在功率因数很小时，将引入较大的非同步采样误差；当功率因数λ=1时，截断误差值最大。此外，若信号周期和定时器的最小分辨率一定，适当减小周期内取样组数N，可使误差变小。采用一定的离散采样补偿算法可以有效地消除这种误差影响，而且并不额外增加系统的计算量［7］。
3总结
本文分析了变压器微机测试的国内外情况，针对变压器试验的具体特点，提出了合理的设计方案和实现办法，并介绍了由微机和单片机组成的变压器微机智能测试系统，得出了以下结论：
a) 使用计算机在程序控制下进行变压器试验，与传统的采用仪表测试相比较，可以提高试验结果的准确度，并可使试验过程自动化，节省人力，是改变传统变压器试验中存在的耗时多、操作繁、精度差等问题的有效途径。
b) 采用离散法求取电压、电流和功率值，不仅可以节省投资，提高精度，而且可以按试验的要求分别获得平均值、有效值和峰值等传统仪表无法得到的参量。采用新的软件补偿算法，可消除由采样定时器量化间距而引起的量化误差，大大提高了系统的测量准确度，满足了变压器试验的精度要求。
参考文献
［1］青木俊三.大容量变压器计测数据处理系统［J］.三菱电机技报，1981(2)：63.
［2］ 宋谷幸保.中等容量变压器电气特性计测自动化［J］.三菱电机技报，1975(5)：24.
［3］ MALEWSKI R，ARSENEAU R，SO E，et al. A Comparision of Instrumentation forMeasuring the Losses of Large Power Transformers［J］. IEEE Trans. on PA & S，1983，PAS-102(6)： 1570—1573.
［4］ 霍崇业，李远东.使用计算机进行变压器损耗试验［J］.变压器，1990，27(2)：10—13.
［5］ 戴先中.准同步采样中的几个理论与实际问题［J］.仪器仪表学报，1986，7(5)：350—357.
［6］ 冯志贤，刘星.准同步采样技术在非正弦电参量测量中的应用［J］.电测与仪表，1989，26(4)：3—6，31.
［7］ 王红斌. 微机测试系统及变压器损耗试验研究［D］.武汉：华中理工大学，1997
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