一种基于桥式电路的电力变压器绝缘电阻测量方法

陈文鸿 吴智影 沈剑韬 汪倩文 何益宏

摘  要：电力变压器绝缘电阻是反映变压器绝缘性能的一项重要指标，是变压器能否投入运行的重要依据。文章提出一种桥式电路测量模型用于测量变压器绝缘电阻，利用控制程序自动调节电桥平衡，根据平衡公式准确计算出变压器的绝缘电阻值。在MATLAB/Simulink中建立了测量电路仿真模型，仿真模型的运行结果验证了测量方法的正确性和可行性。

关键词：电力变压器;绝缘电阻;桥式电路;程序控制

中图分类号：TM41         文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）26-0022-03

Abstract： The insulation resistance of power transformer is an important index to reflect the insulation performance of transformer and an important basis for whether the transformer can be put into operation. In this paper， a bridge circuit measurement model is proposed to measure the insulation resistance of transformer. The bridge balance is automatically adjusted using the control program， and the insulation resistance of transformer is calculated accurately according to the balance formula. The simulation model of the measurement circuit is established in MATLAB/Simulink， and the running results of the simulation model verify the correctness and feasibility of the measurement method.

Keywords： power transformer; insulation resistance; bridge circuit; program control

变压器绝缘性能试验能有效判断变压器是否存在整体受潮、部件表面受潮及贯穿性缺陷，是变压器能否投入运行的重要依据[1-2]。目前常用的变压器绝缘电阻测量方法主要是通过绝缘电阻表直接测量，并且需要拆除部分引线，测量结果受人为因素影响较大，测量过程需要投入较多的人力物力[3-4]。本文提出一种桥式电路测量模型，在变压器绝缘结构基础上搭建一个桥式电路并且利用控制程序自动调节电桥平衡，实现变压器绝缘电阻的自动测量功能。

1 测量原理

根据相关资料可知，变压器高压侧通常为星型接法，以高压侧的中性线引线和三相输出端口的公共连接点引线为不拆引线测量绝缘电阻的两个引出端口，而变压器绝缘电阻为分布式结构并且多点接地[5-6]，因此可作出变压器高压侧绝缘电阻等效模型如图1所示。

由图1可知a、b两点分别为高压侧中性点和三相短接点，两点之间则可认为是一段引线，引线分为若干段，分别为电阻R11、R12……R1n，而每段引线电阻又串联有一个绝缘电阻，分别为R21、R22……R2n，每个绝缘电阻另一端均接地。由于绕组具有对称性，每个支路的绝缘电阻值R21、R22……R2n可认为近似相等。而待测的变压器绝缘电阻值则可以等效为电阻R21、R22……R2n的并联值。以本次研究对象某110kV变电站变压器为例，根据其相关参数，a、b两端引线电阻值为0.1Ω～1Ω，每个支路绝缘电阻值为20～40GΩ，而总的绝缘电阻值为2～10GΩ。RW为高压输出引线外侧的瓷瓶、避雷器等外界装置的等效电阻，其电阻值约为10GΩ。为便于进一步分析，可对图1作等效简化如图2所示。

其中r1、r2为引线电阻R11、R12……R1n的等效电阻，由于变压器绕组的对称性，可认为r1与r2近似相等。Rx为R21、R22……R2n并联的等效电阻，即待测的变压器绝缘电阻。则变压器绝缘电阻测量问题简化为测量图2中电阻Rx，根据图2的等效简化模型，可在a、b两端建立桥式电路测量模型，文献[7]提出一种高阻电桥模型用于进行高阻测量，本文提出的桥式电路模型将高阻电桥模型中的两个可调电压源替换为可调电阻，其测量模型如图3所示。

由圖3可知，桥式测量电路在图2的绝缘电阻等效模型基础上增加两个可调电阻和电压源E，两个可调电阻的调节范围为0～200Ω。调节桥式测量电路电阻R1、R2，流经电阻R1、R2的电流分别设为i1、i2，电桥达到平衡时，Uab=0。此时有：

2 测量电路仿真

为实现变压器绝缘电阻的自动测量功能，在图3测量模型的基础上建立反馈控制系统[8]，以电压Uab为控制对象，电阻R1的阻值设为固定值，编写控制程序自动调节电阻R2的阻值使电压Uab趋近于0，从而使电桥达到平衡状态，最后根据式（3）计算出绝缘电阻值Rx。控制程序流程图如图4所示。

由图4的流程框图可知，首先对电压源R2的值进行初始化，用变量r表示，设定初始值为100，检测此时的节点电压Uab，若Uab=0，则直接输出初始值，若Uab>0，则初始值减小1，若Uab<0，则初始值增加1，直到Uab=0，输出此时的电压值。结合图3的测量电路模型及图4的控制程序流程图，在MATLAB/Simulink中建立测量系统仿真模型，设E=5000V，Rw=1×109Ω，Rx=5×109Ω，r1=r2=0.1Ω，R1=100Ω。并且根据式（4）在仿真模型中加入计算模块，运行仿真模型，可调电阻R2和电压Uab的变化曲线如图5和图6所示。

根据图5和图6可知，可调电阻R2和电压Uab的变化曲线均为上下波动的矩形波，对图5和图6局部放大可知，R2的值在9～10Ω之间上下波动，Uab在-1×10-8～0V之间波动。

3 测量结果分析

根据上述参数设置，可设定不同的待测电阻Rx值进行仿真实验，记录计算值与设定值，并计算测量误差，记录Rx设定值与计算值，各次测量的测量误差以及平衡时R1支路电流i1，测量结果如表1所示。

根据表1的测量数据可知，Rx测量值均为偏大，测量误差也有上下波动的规律，但误差基本保持在1.4%以内。同时，由于参考电阻R1的值均可以人为调节，可调电阻R2的调节范围也可适当增大。对于同一个Rx设定值，为进一步提高测量精度可以设定不同的R1值，然后计算出对应的各个测量值，取其均值作为Rx的最终测量值。

4 结论

本文提出一种桥式测量模型用于测量变压器绝缘电阻，设计了基于闭环控制的自动调节系统，利用控制程序调节电桥平衡，最后计算出待测的绝缘电阻值。在仿真软件中建立了测量模型，基本能够实现测量功能，表明了该测量方案有实际应用的可行性。

与常规测量方法相比可以减小人为因素的影响，可提高测量过程的便利性。

参考文献：

[1]刘廷敏.电力变压器的绝缘电阻测量与分析研究[J].电子测试，2017（14）：7-9.

[2]冷勇.变压器绝缘电阻和吸收比分析[J].高电压技术，2002（04）：21-23.

[3]李高明，陈威.电力电缆绝缘电阻和吸收比试验[J].大众用电，2011，27（09）：48-50.

[4]李健.绝缘电阻测试仪的设计[D].大连：大连理工大学，2006.

[5]杜林，冉鹂蔓，蔚超，等.基于扩展德拜模型的油纸绝缘受潮频域特征量研究[J].电工技术学报，2018，33（13）：3051-3058.

[6]蔡金锭，严欣，蔡嘉.去极化电流微分法在求解变压器极化等效电路参数中的应用[J].高电压技术，2016，42（10）：3172-3177.

[7]Rietveld G， Beek J H N V D. Automated High-Ohmic Resistance Bridge With Voltage and Current Null Detection[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2013， 62（6）：1760-1765.

[8]耿國磊，别红霞.基于LabVIEW的高阻自动测量系统[J].电子测量与仪器学报，2009，23（03）：70-75.