配電變壓器短路和開路損耗在線測量系統

陳民鈾， 李霞， 王平， 張莉

(重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044)

0 引言

電力變壓器是電力系統中重要的電氣設備，擔負著電壓、電流的轉換以及功率傳輸的任務，其性能的好壞直接影響著電力系統的安全穩定運行［1］。但是，變壓器的損耗在電力系統總損耗中占據較大份額，尤其是數量在逐年增多的配電變壓器，據統計，僅配電變壓器的電能損耗每年就約為30～50TWh，約占總發電量的3% ～4%［2］。因此測量配電變壓器損耗，對于節約能源、保護生態環境［3］、提高供配電效率、緩解電力短缺具有重要的意義。變壓器損耗主要分為空載損耗和短路損耗，其一方面表示變壓器的運行效率，另一方面表明變壓器性能是否滿足正常運行要求，因此，對變壓器損耗進行實時監測對于節能降耗［4］、提高設備利用率具有重要意義。

目前電力部門主是在離線狀態下通過空載試驗和短路試驗來測量配電變壓器的空載損耗和短路損耗［5－6］，對新入網的變壓器可較為方便的進行測量，但對于掛網運行的變壓器，把運行中的變壓器拆下來進行試驗，既浪費了大量的人力物力，又影響供電的連續性。目前，針對變壓器損耗在線測量問題已展開了一些研究。其中，文獻［6］提出通過測量變壓器的輸入與輸出功率的差值，求取變壓器的功率損耗，此方法能在線測量變壓器損耗，但是無法測出變壓器的空載和短路損耗;文獻［5，7］通過電路變換，利用求和法在線測量變壓器的銅耗和鐵耗的值，但是當負載變化很小時，測量的兩組參數相差也很小，此時測量系統引起的誤差對測量準確性影響很大，嚴重時甚至出現誤測現象。

本文在上述方法的基礎上提出了一種新的配電變壓器空載損耗和短路損耗的在線測量方法，該測量方法能夠提高在線檢測的抗干擾能力，并在驗證該方法正確的前提下設計了變壓器空載損耗和短路損耗在線測量系統。首先，通過在線測量配電變壓器原、副邊相電壓和相電流參數計算其等效短路電阻，進而利用所計算的等效短路阻抗值［8－10］來計算配電變壓器的短路損耗，然后，結合文獻［9］中提出的方法測量配電變壓器的總損耗來求取配電變壓器空載損耗;最后，本文設計了配電變壓器開路損耗和短路損耗在線測量系統，利用硬件采集裝置采集變壓器一、二次側的電壓、電流參數，然后把采集到的數據經微功率無線數傳模塊STR－30傳至上位機串口，上位機利用LabVIEW軟件編程對下位機傳來的數據進行接收、分析和處理，實現虛擬儀器部分的設計。

1 短路電阻的在線測量

以單相雙繞組變壓器為例，其等效電路模型［11－12］如圖1所示。其中:z1為一次繞組的阻抗;z21為二次繞組阻抗在一次側的歸算值;zm為勵磁阻抗;U1、I1為一次側電壓、電流值;U2、I2為二次側電壓、電流值;U21、I21為二次側電壓、電流在一次側的歸算值;Im為勵磁電流;k為變比。

圖1 變壓器等效電路模型Fig.1 The instantaneous equivalent circuit of transformer

由等效電路模型圖1可得

其中:z1+z21為短路阻抗，令zk=z1+z21。

當變壓器工作在磁化曲線的線性區域時，可認為勵磁阻抗不變，且由于一次側繞組阻抗遠小于勵磁阻抗，所以勵磁電流正比于E1，近似正比于U1，故勵磁電流Im可認為近似不變，對于一個變壓器其一次側繞組阻抗z1是一個不變的值，故在式(3)中Imz1可視為一個近似不變的量。即式中U1－kU2的值與的值成線性關系，變比為。

在一定范圍內改變配電變壓器的負載，測量不同負載情況下變壓器的一次側電壓U1i，二次側電壓U2i，二次側電流 I2i，其中 i=1，2，3，…，n，n 為測量次數。

把一次側電壓減去對應的二次側電壓的k倍可得U1i－kU2i，其中k為變壓器的變比。以其為從變量，二次側電流的為因變量進行線性擬合，可得出與的線性關系為

由式(3)、式(4)可知系數a的值與變壓器短路阻抗zk的值相等，由此計算出配電出變壓器短路阻抗為zk=m+nj，則 Rk=Re(zk)=m。

把上述方法用于三相配電變壓器等效短路電阻的在線測量，以Y，yn0連接變壓器為例，其繞組接線圖如圖2所示。

圖2 Y，yn0連接變壓器接線圖Fig.2 The wiring diagram of transformers in Y，yn0 connection

由式(5)可得到 a1、a2、a3三個值，計算三者的平均值，該平均值即為此三相配電變壓器的短路阻抗值，求取zk的實部即可得短路電阻值，即

對于Y，y連接的變壓器，其每相繞組的電壓、電流都可以直接測量，利用上述方法可以直接計算其短路阻抗值，但對于Y，d或Y，dn連接的變壓器，不能直接測量三角形連接側的相電流，故需要把測得的線電流轉化為相電流后再進行相應計算。以常用的Y，d11連接變壓器為例，其接線圖如圖3所示。

圖3 Y，d11連接變壓器接線圖Fig.3 The wiring diagram of transformers in Y，d11 connection

圖3 中，iLa、iLb、iLc為線電流，可表示為

由式(8)和ia+ib+ic=0可推得

由式(8)和式(9)計算出每相繞組的相電流后再根據上述方法進行線性擬合，得出配電變壓器的短路電阻。

2 配電變壓器損耗的在線測量

配電變壓器運行時的損耗包括:鐵損耗、銅損耗、電解介質損耗和雜散損耗等，其中電介質損耗和雜散損耗的測量比較困難，而且數值很小，一般忽略不計。故變壓器運行時產生的損耗可分為鐵耗PFe和銅耗PCu，即總損耗的表達式［8］可表示為

其中:P1為輸入功率;P2為輸出功率。

鐵耗分為基本鐵耗和附加鐵耗。基本鐵耗指正常情況下主磁通在鐵心中引起的磁滯損耗和渦流損耗［13］;附加鐵耗包括因為硅鋼片絕緣損傷在鐵心中引起的局部渦流損耗和結構部件中產生的渦流損耗等。鐵耗近似與U21成正比，由于變壓器的一次電壓基本保持不變(U1=U1N)，故鐵耗可視為不變損耗。銅耗分為基本銅耗和附加銅耗。基本銅耗指一次繞組和二次繞組電流在繞組中引起的直流電阻損耗;附加銅耗指由于趨膚效應和鄰近效應使繞組電阻增大所額外增加的銅耗。銅耗與負載電流的平方成正比，可稱為可變損耗［14］。

空載損耗P0是變壓器二次繞組開路，一次繞組加額定電壓時測得的損耗。忽略空載電流在一次繞組上產生的損耗，則空載損耗可視為鐵耗，即

短路損耗Pk是變壓器二次繞組短路，一次繞組加壓使一次側電流達到額定電流時測得的損耗。短路損耗可視為額定電流下的銅耗，即

其中:I1N為一次側額定電流;r1+r21為短路電阻;β為負載系數，是變壓器實際的負載電流值與其額定值的比值。

綜上所述，可以通過對變壓器總損耗中鐵耗和銅耗的分解在線計算配電變壓器空載損耗和短路損耗。

2.1 短路損耗的在線測量

在中小型變壓器中，附加銅耗為基本銅耗的0.5% ～5%，可忽略不計。則銅耗可以表示為由于im只有i1的5% －8%左右，所以式(13)中的二、三項相對于第一項可以忽略，故

β可表示為

由式(14)、式(15)可實現配電變壓器短路損耗的在線測量。

2.2 空載損耗的在線測量

變壓器運行產生的損耗主要分為鐵耗P和銅耗 PCu，由式(10)可得

通過式(16)、式(17)可以直接計算配電變壓器空載損耗。

3 仿真研究

本文利用Matlab/SIMULINK仿真平臺做了兩組在線仿真實驗，實驗變壓器分別采用的是10 kV級額定容量為30 kVA和50 kVA，額定頻率為50 Hz的S9系列無勵磁低損耗配電變壓器，在額定負載范圍以內，依次改變負載的值，采集不同負載情況下實驗變壓器的一次側和二次側的電壓和電流值并按上述方法進行相應的計算，可得30kVA的實驗配電變壓器的短路阻抗的計算公式為

由式(18)可得短路阻抗值為133.22 Ω，求取短路阻抗的實部值，可得短路電阻rk=92.75 Ω。

50 kVA配電變壓器短路阻抗計算公式為

由式(19)可得短路阻抗值為80.79 Ω，取短路阻抗的實部值，可得短路電阻rk=55.55 Ω。

圖4和圖5分別是30 kVA和50 kVA配電變壓器三相電壓、電流相應的擬合曲線圖，其中擬合線的斜率即為要求的短路阻抗值，由圖可知實測點和擬合線非常吻合，且由表1可知擬合所得參數與實測參數誤差很小，表明該測量配電變壓器短路電阻的方法是正確可行。

圖4 30 kVA配電變壓器三相電壓電流擬合曲線圖Fig.4 Fitted curves of the 30kVA DT’s phase voltage and phase current.

圖5 50 kVA配電變壓器短路阻抗擬合曲線圖Fig.5 Fitted curves of the 50kVA DT’s phase voltage and phase current

表1 等效短路阻抗和等效短路電阻在線測量結果Table1 The result of short-circuit and short-circuit resistances

根據在線測量的電壓值和電流值，由式(15)和式(17)可計算兩實驗配電變壓器的空載和短路損耗如表2、表3所示，由表中數據可看出負載變化時空載損耗和短路損耗的值變化量非常小，說明該在線檢測系統具有很好的穩定性。

表2 30 kVA配電變壓器空載損耗和短路損耗在線測量結果Table 2 The result of open-circuit loss and short-circuit loss of 30 kVA distribution transformer

表3 50 kVA配電變壓器空載損耗和短路損耗在線測量結果Table 3 The result of open-circuit loss and short-circuit loss of 50 kVA distribution transformer

4 誤差分析

在線測量結果與標準空載和短路實驗結果比較結果如表4、表5所示。可知不同負載情況下空載損耗的最大誤差為0.38%，短路損耗的最大誤差為2.12%，誤差較小，證明本文提出的方法是正確可行的。

表4 30 kVA配電變壓器誤差分析Table 4 The error analysis of 30 kVA distribution transformer

表5 50 kVA配電變壓器誤差分析Table 5 The error analysis of 50 kVA distribution transformer

5 損耗在線檢測系統的設計與研制

本文在仿真驗證所提出的變壓器空載和短路損耗在線檢測方法正確的前提下，利用LabVIEW軟件編程設計出了變壓器損耗在線檢測系統。

硬件數據采集部分主要實現對配電變壓器一次側相電壓、二次側相電壓和相電流的采集。由互感器陣列、信號調理電路、A/D轉換電路、微控制器、無線收發模塊、Flash存儲卡以及電源電路等構成。

數據傳輸模塊利用微功率數傳模塊STR－30進行上位機與下位機之間數據的傳輸，該傳輸具有模塊功耗小，傳輸頻段范圍寬，抗干擾能力強和低誤碼率，高可靠性，體積小等特點，能夠實現數據的實時通信，其無線數據傳輸距離視天線高度而定，當h＞1.5 m時，可靠傳輸距離＞800 m。

本文利用LabVIEW設計了變壓器損耗在線檢測系統的軟件部分，人機交互界面部分如圖6所示。該在線檢測系統對變壓器損耗進行在線測量的過程如下:通過下位機硬件數據采集裝置對變壓器電壓、電流等參數進行在線采集，經STR－30傳至上位機，上位機利用LabVIEW編程實現對數據的接收、分析和處理。該系統的操作應用簡單方便，只需在相應的模塊里正確設置相關參數，在被測變壓器正常運行時進行檢測。檢測結果分別以表格和圖表的形式顯示在界面上，圖表部分能夠定性分析變壓器損耗變化趨勢，數據表格能夠定量的判斷變壓器損耗。

圖6 30 kVA變壓器損耗在線檢測系統界面圖Fig.6 The interface of online measuring system for distribution transformer

6 結語

本文采用線性擬合方法實現了配電變壓器短路阻抗的在線測量，并建立了變壓器短路和空載損耗計算模型。仿真實驗顯示變壓器空載損耗的誤差最大值為0.4%，短路損耗的最大誤差值為2.12%，實驗結果表明該計算模型能夠有效的測量出變壓器的空載和短路損耗，為變壓器損耗的測量提供新的思路。在仿真驗證該計算模型正確的基礎之上，構建了相應的變壓器損耗在線測量系統，便于實際工程應用。

［1］ 李洪奎，李巖.不同預緊力下變壓器繞組軸向振動模態分析［J］.電機與控制學報，2010，14(8):98 －101，106.

LI Hongkui，LI Yan.Axial vibration modal analysis of transformer windings under different levels of pre-compression［J］.Electric Machines and Control，2010，14(8):98 －101，106.

［2］ 吳喜紅.配電變壓器損耗和容量在線檢測方法研究［D］.重慶:重慶大學，2010:1 －2，11－15.

［3］ GEORGILAKIS P S，OLIVARES-GALVAN J C，ESCARELA-PEREZ R，et al.Environmental cost of transformer losses for industrial and commercial users of transformers［C］//2011 North American Power Symposium，August 4 －6 2011，Boston，USA.2011:1－4.

［4］ GEORGILAKIS P S，DOULAMIS N D，DOULAMIS A D，et al.A novel iron loss reduction technique for distribution transformers based on a combined genetic algorithm-neural network approach［J］.IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics，Part C:Applications and Reviews，2001，31(1):16 －34.

［5］ 任士焱，周術，崔林，等.變壓器鐵耗及銅耗在線測試方法研究［J］.儀表技術與傳感器，2002，(1):44 －45.

REN Shiyan，ZHOU Shu，CUI Lin，et al.Research of on-line testing method for transformer iron loss and copper loss［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2004，23(1):44 －45.

［6］ 王鐘.一種新的電力變壓器在線監測方法的研究［J］.四川電力技術.2005，28(5):10 －12，47.

WANG Zhong.Research on a novel method of on-line detection of power transformer［J］.Sichuan Electric Power Technology，2005，28(5):10 －12，47.

［7］ CHENG Lin，REN Shiyan.The research on online detective method of power transformer［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2005(S1):144 －145.

［8］ 李朋.電力變壓器短路電抗在線測量方法研究［J］.輸配電技術，2007，23(7):15 －19.

LI Peng.Research on the on-line measuring method of transformer short-circuits reactance［J］.Transmission ＆ Distribution Technology，2007，23(7):15 －19.

［9］ ARRI E，CARTA A，MOCCI F，et al.Diagnosis of the state of power transformer windings by on-line measurement of stray reactance［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1993，42(2):372 －378.

［10］ 吳軍，任士焱，程林.變壓器短路電壓在線檢測方法的研究［J］.儀器儀表學報，2006，27(S2):1170 －1171.

WU Jun，REN Shiyan，CHENG Lin.Online detective method of short-circuit impedance of power transformer［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27(S2):1170 －1171.

［11］ 湯蘊璆，史乃.電機學［M］.2版.北京:機械工業出版社，2005:40－44.

［12］ 房國志，宋國義.可直接分析與計算的變壓器等效電路模型［J］.電機與控制學報，2007，11(3):318 －320.

FANG Guozhi，SONG Guoyi.A circuits model of transformer for direct analysis and calculation ［J］.Electric Machines and Control，2007，11(3):318 －320.

［13］ OLIVARES-GALVANRAFAEL J C，ESCARELA-PEREZ R，GEORGILAKIS P S.Separation of no-load losses for distribution transformers using experimental methods:two frequencies and two temperatures［C］//7th Mediterranean Conference and Exhibition on Power Generation，Transmission，Distribution and Energy Conversion，November 7 － 10，2010，Agia Napa，Cyprus.2010:1 －5.

［14］ ARRI E，LOCCI N，MOCCI F.Measurement of transformer power losses and efficiency in real working conditions［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1991，40(2):384－387.