配电网中变压器高频阻抗特性分析

王岩

(枣庄学院 光工程学院，山东 枣庄 277160)

0 引言

为实现高速、高效的配网自动化，多采用配电网载波通信技术.由于其具有可利用配电网现成的物理网络进行通信和数据传输，灵活性强、成本低、可靠性高等特点，受到人们的广泛关注.然而配电网的建设是以传输工频电力信号为基础的，与专门架设的通信传输信道不同，当进行高频通信时，具有电磁干扰严重，信号衰减大，网络结构复杂、频率特性复杂、阻抗特性变化剧烈等问题的存在.因此，必须对配电网PLC关键技术进行系统的研究，包括电力线信道特性、各种电气设备的高频特性，噪声模型，衰减特性以及可靠的调制编码技术等[1].变压器连接中压网与低压网，是电力系统中十分重要的电气设备.但它的存在严重影响了高频信号的传输，并且由于变压器的阻抗特性与通信信号的频率密切相关，因此，在研究如何提高中压电力线信道通信质量的过程中，需要研究变压器在高频通信下的阻抗特性及等效模型.在对配电网电气设备的阻抗特性研究中，大都采用一个一千pF或者几千pF的电容代替变压器模型，这种方法显然存在较大的误差.本文基于阻抗测试方法，分析变压器两种基本模型，通过LCR电桥测试变压器的阻抗特性，并仿真验证测试结果.

1 变压器阻抗测试方法

配电网的网络结构比较复杂，包括各种电力电缆和分支线路，并且整体的阻抗特性受到频率、位置及测试时间等多种因素的影响，因而能够比较精准的测试阻抗的变化是很困难的.并且实际应用中的变压器阻抗特性要远比理想电阻复杂得多，呈现出电阻性、电容性和电感性特性，它们共同决定了变压器的阻抗特性.因此，阻抗的测试不同于电阻的测试，阻抗表现的是一种交流(AC)特性，与频率相关，在不同的频率范围内下测量阻抗，才能获取有价值的电路组件数据.下面主要介绍可用于离线测试变压器阻抗的LCR电桥的测试法.LCR电桥是以微处理器为核心元件，可自动测量并直接显示电阻R、电感L、电容C、品质因数Q、损耗角正切值D等参数的测量仪器[2].LCR电桥结构原理图如图1所示.

图1 LCR电桥原理图

其中，虚线框内为LCR电桥的内部结构，虚框外即为被测阻抗，R0是电压源的内阻，由电桥内部引出四根接线，分别为IH、VH、VL、IL，对应于被测阻抗ZX的电流高端IH、电压高端VH、电压低端VL、电流低端IL.测试时，由于电源电压U与理想运放的作用，ZX和Rn上的电流相同，因此它们的电压降之比即为阻抗之比.电桥会自动测量出ZX及Rn上的压降并完成运算，计及电桥电源频率和Rn大小，电桥将自动显示被测阻抗的两个分量[2-3].

设VN=a+jb,VX=c+jd则有

(1)

经整理得

(2)

采用LCR电桥测试法离线测量500k-1MHz变压器的RX和LY的值，以及ZX的模|ZX|及相角θ，有较高的精确度.

2 变压器高频等效模型及阻抗测试

2.1 变压器高频等效特性

变压器的等效模型的建立与通信频率密切相关.目前，工频(50Hz)下的变压器模型通常包括理想变压器、漏电感、磁化阻抗、开路和短路损耗等，应用已经很普遍.在较低频率，50Hz到几kHz频率范围内，则需要同时考虑磁化饱和(铁芯的非线性特性)和频率影响，此频段的变压器模型很难建立.而当频率高于几千Hz时，铁芯的磁感应强度显著下降，高频下开始呈现线性，变压器的模型变得相对简单.

如图2(a)为三相双绕组铁芯变压器高频等效模型.此时，忽略理想变压器的影响，只考虑谐振阻抗(Zf)和绕组电容，其中，绕组与大地之间电容(C1、C2)、MV侧与LV侧之间电容(C12-1，C12-2)，其内部为△/Y型连接，节点A、B、C和a、b、c、n分别表示其中压(MV)和低压(LV)侧端口[4-6].实际测试所得大量数据表明，在高频(几百kHz)频率范围内低压侧输入阻抗的大小明显低于漏泄阻抗，中压一次侧阻抗与二次侧负载基本无关，带负载的变压器阻抗仅取决于绕组电容.因此变压器简化模型如图2(b)所示.

图2 变压器高频模型

2.2 变压器阻抗特性测试

2.2.1 测试方法

变压器的阻抗测试方法采用的是文中提到的LCR电桥测试仪.该电桥精度较高，测试频率范围适合，无需大量计算，便可直接得出各相对地以及各相之间阻抗的模值和相角.考虑到安全问题，变压器采用的是离线测量方式.

测试原理图如图3所示，其中T表示变压器，IN与IL表示阻抗测试的测试输入端，A、B、C和a、b、c、n分别表示其中压(MV)和低压(LV)侧端口，将LRC测试仪接入不同相，即可测量出变压器不同端间阻抗：其中中压端AC之间的阻抗，AB和BC相相间以及A、B、C对地间的阻抗.其中相关参数的设置：测量频率范围：500kHz～1MHz，测量频率间隔为：10kHz.

2.2.2 阻抗测试结果

按照上述接线，测试变压器终端各相间，相地间阻抗特性.实际测试结果发现，变压器的阻抗特性对时间变化并不敏感，间隔几分钟或几小时测试结果基本相同，但随频率的改变有明显变化[7].多次反复试验表明各相对地容值变化情况与规律基本相同，图4仅给出各相间与各相对地电容取平均值变化规律.通过对测量结果分析，可以得出如下结论：(1)在500kHz～1MHz频段内，阻抗的相角都低于-70°，而且多数低于-80°， 所以阻抗呈容性；(2)高频时，变压器相相之间的等效电容值变化规律基本相同，各相对地电容也基本相似；

3 Simulink 仿真验证

根据上述变压器阻抗测试结果，其阻抗虚部呈容性，并且容值随传输信号的增加略有起伏，总体的变化趋势是随频率的增加而减小的.各相对地阻抗实部为几十到上百欧姆，相相之间则为几百欧姆，因此对图2-2中模型修正如下.

通过在Simulink中上述模型进行仿真验证，信号频率范围设置为600kHz ～ 1 MHz，按照实际测试数据设置变压器阻抗参数，测试其衰减特性，实际测试结果和仿真结果对比如图6所示.

4 结论

本文分析了常用的高频阻抗测试方法，通过对变压器离线时阻抗测量数据研究分析，得到变压器在500kHz～1MHz频率范围内的阻抗特性，并对变压器高频模型进行修正，提出了一种基于变压器各端口阻抗特性建立其模型的方法，即用电容C或者电感R和电容C的并联回路表示的变压器模型.最后通过Simulink仿真验证了其正确性，为配电网载波通信系统阻抗特性研究提供参考.

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