第２６卷第６期 大学物理实验 Ｖｏ１．２６ ＮＯ．６ Ｄｅｃ．２０１３ ２０１３年ｌ２月 ＰＨＹＳ ＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ＯＦ Ｃ０Ｉ Ｉ ＥＧＥ 文章编号：１００７—２９３４（２０１３）０６—００３６—０３ 电力变压器绕组直流电阻的快速测量探索 杨诗晨 ，刘（１．长郡中学，湖南长沙灿 ４１００８３） ４１００００；２．中南大学，湖南长沙摘 关键要：由于电力变压器绕组的大电感、小电阻特点，其直流电阻测量时间过长，本文提出一种快 词：电力变压器；直流电阻；快速测量 文献标志码：Ａ 速测量的方法。 中图分类号：Ｏ ４－３３ ｔ一０时，合上开关Ｋ，回路电压方程为： １快速测量电力变压器直流电阻的 意义 电力变压器的绕组有它固有的特点，电力变 Ｅ一／：ｃ半＋／ｄＲ ｔ 设ｔ＝＝＝０时，ｉ＝＝＝０，则突加直流电压时绕组电 流为： 一 压器绕组的电感很大，约为数百至数千亨，而直流 电阻很小，约为０．００１～１ Ｑ，并且变压器的容量 （ ） 越大，电压等级越高，电感与电阻的比值就越大， 例如２４０ ０００／３３０变压器，高压侧的电感约为 ７００ Ｈ，电阻约为０．６ Ｑ，加上测量回路其他内阻， 回路的时间常数Ｔ＝＝＝Ｌ／Ｒ￣．３５０ Ｓ，然而充电基本 结束，一般至少需要５ Ｔ，大约３０ ｍｉｎ，时间过长。 这样对于测量一个普通的三相变压器全部待测绕 组的直流电阻，至少长达十几个小时，在现场工作 中是不能接受的。因此，研究快速测量电力变压 器绕组直流电阻具有重要的意义ｌ１ ］。 其中，Ｔ一 为回路时间常数。 由此可见，接通直流电压时，ｉ含有一个直流 分量ｊ 和一个衰减分量 一｝，当衰减分量衰减 至零时，即 达到稳定值 一 ／２，时，电感不起作 用，此时可通过测量Ｅ和Ｊ得到Ｒ 。 电路达到稳定时间的长短，取决回路的时间 常数丁。即Ｔ越大，达到稳定的时间越长；反之，Ｔ 越小，则时问越短。 ２电力变压器直流电阻测量的基本 原理 电力变压器绕组可等效为一个电感Ｌｘ和一 由于电力变压器绕组的ＬＬｒ很大，Ｒｒ很小，因 此Ｔ很大，以致需经过很长时间电流才能达到稳 定，才能准确测量绕组直流电阻。 当ｆ—Ｔ时， 一 个电阻尺ｚ的串联电路，绕组直流电阻测量的基 本 Ｅ（ 一手）一 （卜 一 ６３２Ｊ 当ｔ—ＣｘＤ时， Ｅ（ 一手）＝ （１＿ Ｊ ＝－当 一５Ｔ 图１ 电力变压器绕组直流电阻测量基本电路 收稿日期：２０１３～０９—１０ 一…Ｅ（１ ）一 （卜 ０．９９３Ｉ，Ｒ 一 磊可一１．００６７Ｒ ， 比实际的 基金项目：中南大学大学物理专项基金（２０１２００７８） 电力变压器绕组直流电阻的快速测量探索 Ｒ有０．６７ ９／６的误差，因此，充电时间要大于５ Ｔ。 表１ 充电时间与电流的关系 例如一台大型变压器，高压绕组ｋ约１１５ Ｈ，电阻０．４８４ Ｑ，则Ｔ一１１５／０．４８４—２３８ ８，则 ５Ｔ一１ １９０ ８—１９．８ ａｒｉｎ因此充电电流要２０ ｍｉｎ 以后才能稳定。 为减小时间常数Ｔ— ／ ，缩短充电时间 ｔ，达到快速测量直流电阻的目的。可从３个方面 人手：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。 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 方法一般需增大测量电源的容量。 增大测量回路的电阻是较常用的一种方法， 但在测量回路中串人附加电阻会使测量灵敏度降 低，为此需相应提高电源电压，但这样增加了电源 的能耗。 更有效的缩短测量时间的方法是强制进入稳 态，为了达到快速测量的目的，可采用增大回路电 阻的电路突变法。 ３增大回路电阻的电路突变法工作 原理分析 增大回路电阻的电路突变法原理电路如图２ 所示。 图２增大回路电阻的电路突变法原理图 工作原理：使电路过渡过程从一种自然常数 决定的过渡过程强制到另一种自然常数决定的过 渡过程。在测量回路中串人一个附加电阻尺，合上 Ｋ，闭合ＡＮ，将Ｒ短接，使全部电压加于被试绕组 上，强迫它有较大的电流上升，一直到预定值Ｊ， 再断开ＡＮ，将Ｒ串人，则电流由图３的曲线１立 图３增大回路电阻的电路突变法充电电流曲线 刻稳定到曲线２上，从而把充电时间由ｔ。减小到 ｔ。，从而提高了充电速度。 当志闭合，ＡＮ闭合时，回路电流方程为： （ ），Ｔ 一 当志闭合，ＡＮ断开时，回路电流方程为： 一 （１－ｅ－￣）， 一 由于Ｒ》ｔ６ｃ，所以 《 ，测量时，将按钮Ａ』＼， 闭合，附加电阻Ｒ短路，使全部电压加在被试绕组 上，电流沿曲线１以较大的速率上升，一直达到预 定电流 （Ｊ一 ）时断开按钮ＡＮ，则电流由 曲线１立即稳定到曲线２的稳态值，充电时间将 大大缩短。 ４实验方案设计 为了验证以上分析，设计了用增大回路电阻 的电路突变法测量绕组电阻的实验方案。 （１）实验设备： ①ｌ５ Ｖ直流稳压电源１台； ②Ｏ～１０ Ｑ，２００ Ｗ变阻器ｌ台（只要有５ Ｑ、 １０ Ｑ两档阻值就行，作为Ｒ）； ③４ Ｑ，１００ Ｗ电阻１个（作为限流电阻ｒ）； ④０．４ Ｑ，２０ Ｗ电阻１个；１２０ Ｈ电感１个 （替代被测电力变压器绕组Ｌ）； ⑤２０ Ｑ，２００ Ｗ电阻１个，４５ Ｖ，５ Ａ二极管一 个（作为放电回路的放电电阻Ｒ 和Ｄ） ⑥直流电流表（５Ａ）１台；直流电压表（最高 ２ Ｖ，最低０．４ Ｖ）１台； ⑦开关３个； ⑧秒表一个、温度计一个、导线若干。 （２）实验原理接线图及说明 实验原理接线图如图４所示。该实验线路由 测量回路和放电回路组成。 电力变压器绕组直流电阻的快速测量探索 测量回路由稳压电源Ｅ、限流电阻ｒ、可调电 阻尺、开关、电压表、电流表等组成； ①按实验原理接线图接好实际电路（注意：由 于被测电阻小，采用电压表内接法，并使其尽量靠 近被测绕组Ｌ）； ②测量时，尺选５ ｎ档，合Ｋ。，将尺短接，计 算预定值Ｉ。，Ｉ ＝Ｅｌ（Ｒ＋ｒ＋Ｒ ）（实际测变压器 绕组时可按Ｊｚ—Ｅ／（Ｒ＋ｒ），这里可取Ｒｘ一 ０．５ Ｑ，ｊ２—１．５７９ Ａ）； 放电回路由反向二极管Ｄ、放电电阻Ｒ 组 成。充电时二极管关断，电源对绕组充电。断电 时（Ｋ 断开时）二极管导通，绕组通过二极管Ｄ 和放电电阻Ｒ 放电。 实验时用０．４ Ｑ电阻、１２０ Ｈ电感等效电力 变压器绕组Ｌ。 ③再合Ｋ （同时按下秒表，开始计时），观察 实验时突变电阻Ｒ用两种阻值（５ Ｑ和１０ Ｑ） 测量。 电流表读数，待电流增加到预定值Ｊ。后，立即断 开Ｋ （同时按下秒表，结束计时，记录所用时间）， 电阻Ｒ串入测量回路，电流很快就稳定下来； ④电流稳定后，接入电压表（合ｌ＜３），测量绕组 上的电压降，记录电压表读数Ｕ、电流表读数Ｊ； ⑤测量完毕，应先断开电压表（断开Ｋ。），后 断开电源（Ｋ ），以免断电时产生的反电动势损坏 电压表； 图４增大回路电阻的电路突变法原理接线图 ⑥Ｒ选１Ｏ Ｑ档，合Ｋ ，将Ｒ短接，计算预定 值Ｊ （Ｊ ＝＝＝１．Ｏ１ Ａ）；重复实验步骤③～⑤。 （３）实验步骤 （４）实验数据及处理 表２实验数据及处理（测量温度Ｔｏ：２５℃） Ｒ ＩｆＡ １．５８５ ５ ｎ １．５８０ １．５８６ １．０３５ １Ｏ Ｑ １．０３８ １．０３９ Ｕ Ｏ．７１４ Ｏ．７１３ 电流达到预定值时间ｔ／ｓ １７．２ １６．５ １８．２ ９．５０ ９．５０ Ｒ Ｏ．４５１ ０．４５０ ０．４５０ ０．４５０ ０．７１５ ０．４６６ ０．４６８ ０．４７０ ０．４５１ ０．４５２ ９．５０ 均一平一 —一∞ Ｕ值一 —Ｕ 由于Ｒ，随温度有一定的变化，应将不同温 ［２］徐富新，刘碧兰．大学物理实验ｌ－Ｍ］．长沙：中南大学 出版社． 度下测得的电阻值换算到同一温度，一般按下式 换算到７５℃的电阻值： Ｔ Ｉ＿ｒ ［３］邱关源．电路ＥＭ］．５版．北京：高等教育出版社， ２００４． Ｒ ℃一Ｒ ×睾干—』１Ｉ』 ，Ｔ为常数（铜导线取 ０ １－４］金盛．浅谈变压器直流电阻试验ＥＭ］．江西电力， ２００６（５）． ２３４．５，铝导线取２２５），Ｔｏ为测量时的温度。 参考文献： ［１］杨兵初．大学物理学ｌ－Ｍ］．北京：高等教育出版社． Ｅ５］李磊，功学军．箱式电位差斗交流电源的新设计［Ｊ］． 大学物理实验，２００７（２）：５７—５９． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｒａｐｉｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｔａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｗｉｎｄｉｎｇ ＤＣ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ＹＡＮＧ Ｓｈｉ—ｃｈｅｎ ．ＬＩＵ Ｃａｎ （１．Ｃｈａｎｇｊｕｎ Ｈｉｇｈ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｈｕｎａｎ Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００００；２．Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｎａｎ Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，ｓｍａｌｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ－ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｗｉｎｄｉｎｇ ＤＣ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｉｓ ｔｏｏ ｌｏｎｇ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｍｅａｓｕｒｅ— ｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ＩＸ；ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｒａｐｉｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
