變壓器容量現(xiàn)場測試方法研究

張東凌

摘要：變壓器容量現(xiàn)場測試的關(guān)鍵是要獲取準(zhǔn)確的短路阻抗值。文中詳細說明了一種較直觀的短路阻抗估算方法，以方便缺少短路阻抗信息的變壓器進行容量現(xiàn)場測試，降低變壓器容量評估成本。

關(guān)鍵詞：變壓器；容量測試；短路阻抗

Research on Field Measurement Method of Transformer Capacity

ZHANG Dongling

（Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality， Fuzhou 350002， Fujian，China）

Absrtact： The key of transformer capacity field test is to obtain accurate short-circuit impedance value. In this paper， a more intuitive short-circuit impedance estimation method is described in detail to facilitate on-site capacity testing of transformers lacking short-circuit impedance information and reduce the cost of transformer capacity evaluation.

Key Words： Transformer; Capacity test; Short-circuit impedance

1 變壓器容量現(xiàn)場測試

變壓器的額定容量是指變壓器額定工作狀態(tài)下的視在功率，對變壓器容量的準(zhǔn)確評估是保障電力可靠供應(yīng)的基礎(chǔ)。GB/T 35710-2017《35kV及以下電壓等級電力變壓器容量評詁導(dǎo)則》規(guī)定，進行變壓器容量評估時，要先按電力變壓器類型，以相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)容量序列為基礎(chǔ)進行多次預(yù)設(shè)容量假設(shè)[1]、參數(shù)計算和比較。若對評估結(jié)果存有爭議，還要進行多次溫升試驗才能得出結(jié)論。步驟繁鎖、成本高且對測試電源容量、測試環(huán)境等都有較高要求。目前，在現(xiàn)場測試中通常采用短路試驗對變壓器容量進行確認。

變壓器短路試驗通常是在額定頻率下，在變壓器的高壓側(cè)施加正弦電壓，低壓側(cè)短路。試驗一般在較低電壓下進行，這樣可以忽略勵磁電流同時控制短路電流不超過額定值。試驗會在短時間內(nèi)完成，故可以忽略繞組發(fā)熱。容量可通過公式（1）求得。該方法較為簡便，對試驗設(shè)備要求也較低。

式中：

SN——變壓器容量（kVA）；

U1N——高壓側(cè)額定電壓（kV）；

Zk——參考溫度時的短路阻抗（%）；

I′1——短路試驗測得的三相平均電流（A）；

U1——短路試驗測得的三相平均電壓（kV）。

2 短路阻抗對變壓器容量測試的影響

通過短路試驗確定變壓器容量，需要預(yù)知被測變壓器的準(zhǔn)確短路阻抗。短路阻抗是在額定頻率和參考溫度下，變壓器一側(cè)繞組通以正弦額定電流，另一繞組短路時的阻抗。短路阻抗是變壓器的重要參數(shù)，變壓器一般會在銘牌上標(biāo)注短路阻抗。由于變壓器的短路阻抗大小與變壓器額定電流相關(guān)。而變壓器的額定電流又是由變壓器的容量決定的。因此，短路阻抗、額定電流和容量三者相互關(guān)聯(lián)，只要改變其中任一項，其它兩項結(jié)果也會跟著改變。變壓器容量是電費的計價依據(jù)，在實際工作中常有人為偷逃電費故意破壞或修改變壓器銘牌參數(shù)以影響變壓器容量測試結(jié)果。對此類變壓器，因無法獲知準(zhǔn)確的短路阻抗信息，無法使用常規(guī)簡便的容量測試方法。而若按GB/T 35710-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進行容量評估又會大大增加成本。因此，文中提出一種短路阻抗的估算方法，以方便在缺少信息的條件下進行容量測試。

3? 短路阻抗的估算

考慮到短路阻抗對變壓器的運行性能及制造成本等都有顯著影響，短路阻抗小有利于提高變壓器效率、降低制造成本等；短路阻抗大則有利于限制短路電流等。因此，變壓器的短路阻抗不會太大，也不會太小。為求在成本、性能等各方面取得平衡，通常以在標(biāo)準(zhǔn)的容差范圍內(nèi)盡量接近標(biāo)準(zhǔn)值為佳。利用這一特點，就可以對短路阻抗進行估算。

下面以1臺符合GB 20052-2020標(biāo)準(zhǔn)中3級能效等級的干式配電變壓器為例對該方法進行詳細說明。通過該配電變壓器所連接的電網(wǎng)電壓可知其額定電壓為10kV/0.4kV，額定頻率為50Hz，鐵心材料為電工鋼。先進行短路試驗，將其低壓側(cè)短路，在高壓側(cè)施加額定頻率的正弦電壓。為降低電源容量，試驗電壓可以根據(jù)試驗條件選取一個方便值，但為降低誤差也不宜過低。根據(jù)經(jīng)驗，對于低壓側(cè)額定電壓為0.4kV的變壓器，建議試驗電壓不低于100V。本例中，試驗電壓為100V，50Hz，在環(huán)境溫度30℃下測得電流為6.48A。將試驗電壓除以高壓側(cè)額定電壓所得的數(shù)值的百分數(shù)就是試驗電流下短路電壓百分比。由于鐵心存在飽和現(xiàn)象，在不同電壓下進行試驗時，變壓器的實際阻抗會隨電壓增加而減小。但根據(jù)實際試驗情況，只要試驗電壓不超過設(shè)計的短路電壓，阻抗變化就不會很大，可以認為是一固定值。而阻抗等于電壓除以電流，所以阻抗不變時短路電壓百分比與短路電流成正比例關(guān)系，可以用一條直線表示，如圖1所示。又由于短路阻抗在數(shù)值上與變壓器短路電壓百分比相等，所以圖1直線也可以看成是短路電流與短路阻抗的關(guān)系直線。以此可以推斷，被試變壓器的實際短路阻抗值應(yīng)落在圖1的直線上。同理，若在試驗中發(fā)現(xiàn)銘牌標(biāo)注的短路阻抗值嚴重偏離該直線，則也可據(jù)此認為該銘牌標(biāo)注的短路阻抗可能被人為修改過。

GB/T 1094.1-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，短路阻抗容差為標(biāo)準(zhǔn)值的±10%[2]。在圖1坐標(biāo)中畫出GB 20052-2020標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的3級能效等級變壓器的短路阻抗標(biāo)準(zhǔn)值并標(biāo)出容差線。如表1所示，為GB/T 20052-2020標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的10kV部分容量配電變壓器的高壓側(cè)額定電流、空載損耗及其對應(yīng)的短路阻抗標(biāo)準(zhǔn)值。其中高壓側(cè)電流可通過公式（2）計算求得。

式中：

S——容量（kVA）；

U1N——高壓側(cè)額定電壓（kV）；

I1N——高壓側(cè)額定電流（A）。

由圖1可以看出，直線穿過點A（23.1A，4%）和點B（36.4A，6%）的容差帶，取其中更為接近直線的點進行估算。若無法判斷其中哪點更加接近直線，則還可以通過比較空載損耗來進一步縮小判斷范圍。本例中的變壓器，將其高壓側(cè)開路，低壓側(cè)施加400V，50Hz電壓，測得其空載損耗為1114W。對照GB 20052-2020空載損耗標(biāo)準(zhǔn)值（計及+15%容差[1]）后發(fā)現(xiàn)，若要該變壓器的空載損耗符合標(biāo)準(zhǔn)要求，則其容量應(yīng)不低于630kVA。B點電流對應(yīng)的容量處于該范圍內(nèi)，且空載損耗標(biāo)準(zhǔn)值與實測空載損耗最為接近。綜合以上條件，可以推測B點所對應(yīng)的電流最有可能是該變壓器高壓側(cè)的額定電流，B點電流對應(yīng)的容量最有可能是該變壓器的設(shè)計容量。將B點電流作為高壓側(cè)額定電流，就可以直接在直線上讀出短路阻抗為5.617%，再用公式（3）[4，5]折算到參考溫度下為5.66%，該值就可以作為此變壓器參考溫度下短路阻抗的估算值。經(jīng)確認，該變壓器銘牌標(biāo)注的短路阻抗值為5.61%，與估算結(jié)果十分接近。

式中：

Zk——參考溫度時的短路阻抗（%）；

Zkt——繞組溫度為t℃時估算的短路阻抗（%）；

Pkt——t℃時的負載損耗（W）；

SN ——變壓器額定容量（可以由B點電流計算獲得）（kVA）；

θ——參考溫度，H級絕緣為145℃；

t——試驗時的繞組溫度（℃）；

K——電阻溫度常數(shù)，對銅繞組為234.5，對鋁繞組為225。

4 結(jié)語

變壓器容量現(xiàn)場測試的關(guān)鍵是要獲取準(zhǔn)確的短路阻抗值，文中提出的方法可以較為直觀地估算變壓器的短路阻抗，在變壓器容量測試中避免缺少短路阻抗值的尷尬，對于虛假的短路阻抗信息也有一定的判別效果。使用該方法的前提是已知被測變壓器所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，且在其設(shè)計容量下的各項參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。經(jīng)驗證，對于大多數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的配電變壓器，利用該方法得到的結(jié)果與實測值是比較接近的。如果對利用該方法獲得的短路阻抗值計算出的容量仍有疑問，可以再按照GB/T 35710-2017進一步進行評估，以得到更為可靠的容量值。在按評估導(dǎo)則進行評估時，結(jié)合上述方法也可提高預(yù)設(shè)容量假設(shè)的準(zhǔn)確性，一定程度上避免反復(fù)進行溫升試驗，從而降低評估成本。

參考文獻

[1]35kV及以下電壓等級電力變壓器容量評詁導(dǎo)則

GB/T 35710-2017[S].

[2]電力變壓器第1部分：總則：GB/T 1094.1-2013[S].

[3]電力變壓器能效限定值及能效等級：GB 20052-2020[S].

[4]電力變壓器試驗導(dǎo)則：JB/T 501-2006[S].

[5]胡啟凡.變壓器試驗技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.