一種配電變壓器溫升自動測量系統的研制

鄭志曜，李 志，勞增江，柯定芳，余紹峰

（浙江華電器材檢測研究所有限公司，杭州 311214）

0 引言

為落實公司“突出配電網建設改造、提升電網發展水平”的決策部署，十三五期間有大量的配網設備入網運行[1]。為保障電網本質安全和設備堅固可靠，入網物資抽檢是配網設備質量管控工作的重要環節。以配電變壓器（簡稱配變）為例，國網浙江省電力有限公司2017年采購量約為14 000余臺[2-3]，抽檢率10%時抽檢量有1 400余臺，這就要求檢測單位月檢測配變量需達100多臺。而在配變抽檢試驗中，溫升試驗耗時最長，油浸式需要8～12 h，干式需要23～26 h。因此，為提高配變檢測效率，在增加溫升試驗裝置的同時，集約化、智能化檢測手段也是必不可少的。

溫升試驗屬于變壓器試驗中的型式試驗，是驗證變壓器設計結構及冷卻系統是否合理，考核變壓器使用壽命和安全性的重要試驗[4-5]。現階段對變壓器溫升試驗的研究很多，但主要集中于工藝設計和不確定度計算方面，對溫升試驗自動測量方面的研究較少。文獻[6]提到的電力變壓器溫升自動控制只是針對溫升試驗過程中溫度、電流和功率等參數的實時監控和記錄，缺少對溫升結束時的自動測量和計算；而文獻[7-9]提到的溫升自動測試系統只針對了電子電路類變壓器，試驗過程和計算方法與電力變壓器不符。故提出一種針對配電變壓器溫升試驗的自動測量系統，在溫升過程、測量和計算中均能實時自動控制，真正意義上地做到了一次接線完成整個試驗，減少人為干預和人力投入，大大提高了試驗效率和試驗成功率。

1 配電變壓器溫升試驗概述

1.1 油浸式配電變壓器溫升試驗

油浸式配電變壓器溫升試驗按照GB 1094.2-2013《電力變壓器第2部分：液浸式變壓器的溫升》中7.3.2的雙繞組變壓器短路試驗法進行[10]，具體試驗方法如下：

（1）施加總損耗階段（第1階段）。當施加對應于變壓器最大總損耗的試驗電流時，可以測定頂層液體溫升和液體平均溫升。試驗中要監測頂層液體和冷卻介質的溫度，試驗需持續進行直到液體的溫升穩定為止。當頂層液體溫升的變化率小于1 K/h并至少維持3 h時，本試驗階段可以結束。如果每隔30 min記錄離散的溫度值，則取最后1 h內讀數的平均值作為試驗結果；若使用自動連續記錄裝置，則取最后1 h內的平均值。

（2）施加額定電流（第2階段）。頂層液體溫升測定之后，應立即將試驗電流降至額定電流繼續試驗。持續1 h，在此期間應至少每間隔5 min記錄1次頂層液體、繞組熱點（如果測量）和外部冷卻介質的溫度。施加額定電流1 h結束時，應迅速切斷電源和斷開短路接線，測量2個繞組的電阻（最好在1 min之內讀取第1個電阻值）。

1.2 干式配電變壓器溫升試驗

干式配電變壓器溫升試驗按照GB 1094.11-2007《電力變壓器第11部分：干式變壓器》中23.2.1的模擬負載法進行[11]，具體試驗方法如下：

（1）先進行空載試驗。在變壓器低壓側施加額定電壓，監測鐵心和高低壓側繞組溫度。當鐵心和繞組溫度的變化率小于1 K/h并至少維持3 h時，空載下的溫升試驗可以結束，測量并記錄斷電瞬間2個繞組的電阻值。

（2）再進行負載試驗。變壓器低壓側短路，高壓側施加額定電流，監測鐵心和高低壓側繞組溫度。當鐵心和繞組溫度的變化率小于1 K/h并至少維持3 h時，負載下的溫升試驗可以結束，測量并記錄斷電瞬間2個繞組的電阻值。最后，根據兩種試驗接線方法下各自測得的高低壓側繞組溫升，通過修正公式計算得到干式配電變壓器的最終溫升結果。

2 溫升自動測量系統設計與實現

2.1 溫升自動測量操作流程設計

溫升自動測量是指變壓器在完成試驗準備布置和試驗接線后，在送電過程中能自動監測各測溫點溫度，并對異常狀況能報警斷電，同時能實時控制試驗過程中的總功率、電流或電壓等變量，自動判斷溫升是否穩定，最后能自動斷電和測量熱電阻阻值，得出溫升計算結果并給出試驗結論。

油浸式配變和干式配變的操作流程設計如圖1和圖2所示。

圖1 油浸式配變操作流程

2.2 軟件架構與界面設計

配變溫升自動測量系統采用模塊化結構設計，軟件結構設計如圖3所示。

配變溫升自動測量系統軟件是基于VC6.0下MFC模塊編程環境實現的。上位機顯示主界面與數據計算界面分別如圖4和圖5所示。

圖2 干式配變操作流程

圖3 溫升自動測量系統軟件結構

圖4 上位機顯示主界面

2.3 系統硬件配置與實現

主要測試儀器設備與工控機計算機、變壓器測量控制單元、被試品配變之間的基本連接如圖6所示。系統可支持測試設備的多種擴展接口，包括LAN，USB，RS-232，RS-485等。

由圖6可知，配變高壓側接有三相負載輸出，同時AB2個端子接有直流電阻測試儀高壓輸出端；低壓側接有軟銅導線并搭配接觸器，同時ab 2個端子接有直流電阻測試儀低壓輸出端，其中接觸器在送電過程中常閉用于短接低壓側繞組，斷電后接觸器斷開同時導通直流電阻測試儀電源，切換成熱電阻測量模式。該接線方法能滿足試驗前一次接線后，試驗過程和溫升測量過程均能通過工控機自動控制實現。

配變溫升試驗現場接線布置如圖7所示。

3 溫升自動測量系統驗證

配變溫升自動測量系統與傳統溫升低壓側銅排短接方法存在區別，但低壓側軟銅線和接觸器帶來的額外電阻和損耗是否影響溫升結果準確度；直流電阻測試儀接線端試驗過程中長時間接在變壓器端子上，其斷電后電阻測量是否與傳統電阻測量結果相符需要進一步研究。以S13-M-200/10油浸式配電變壓器溫升試驗為例，分別按照溫升自動測量系統和傳統溫升試驗方法進行溫升試驗，2次測得的溫升結果如表1所示。

由表1可知，2種試驗方式下的溫升結果誤差最大為1 K，小于傳統溫升不確定分析的約2 K誤差[12-14]，說明配變溫升自動測量系統溫升結果在可接受范圍內，滿足試驗要求。

此外，相比于傳統手動式拆接線的溫升試驗方法，溫升自動測量系統在以下方面更具優越性：

（1）斷電后熱電阻測量速度更快，繞組斷電瞬間平均溫度擬合值更精確。

（2）降低了在溫升熱電阻測量過程中拆線帶來的延時誤差、熱態電阻測量誤差以及重復性誤差等多方面不確定度誤差來源。

（3）系統具備更完善的安全警報防護措施，避免儀器和被試品發生過流、過壓、溫度超限等異常情況。

（4）通過系統實現的溫升試驗原則上只需1人完成試驗前接線，試驗過程全自動控制，試驗結果自動測量計算，將人力從單一冗長的試驗中解放出來，提高了工作效率。

圖5 上位機數據計算界面

圖6 溫升自動測量系統主要儀器設備連接示意

圖7 溫升自動測量系統現場接線

4 溫升自動測量系統誤差分析

結合溫升試驗實際情況，在不考慮硬件儀器本身帶來的測量誤差外，配變溫升自動測量系統的誤差主要來自于冷電阻和熱電阻測量所帶來的誤差。

表1 溫升結果對比

熱電阻測量誤差主要源自直流電阻測試儀的測試線夾端子是否可靠接觸了變壓器端子，如果存在虛接、誤觸則會使直阻儀不能充電測量或者測出的電阻值有誤。此外，直阻儀的通訊接口與工控機是否可靠連接也是影響試驗成功率的因素之一。

冷電阻測量誤差主要源自冷態環境下的油頂層溫度是否正確。已知繞組電阻與溫度換算公式如式（1）所示。

式中：t1和r1為冷態溫度和冷態電阻；t2和r2為熱態溫度和熱態電阻；k為電阻溫度常數，銅線時取235。

若此時冷態溫度測量值變為t1+Δt1，即引進測量誤差 Δt1， 帶入式（1）得到新的熱態溫度 t2′，如式（2）所示。

將t2′減去t2，得到熱態溫度誤差Δt2如式（3）所示。

考慮企業節約配變制造成本，在配變溫升時其繞組平均溫升會略小于標準臨界值65 K。這里假設繞組平均溫升為60 K，則熱態溫度t2為t1+60℃，代入式（1）和式（3），得到熱態溫度誤差Δt2與冷態溫度誤差 Δt1之比為（t1+295）/（t1+235）。 由此可以看出，冷態溫度越低時，反映到最后的熱態溫度誤差越大。假設t1為20℃，當冷態溫度測量誤差為1℃時，帶來的熱態溫度誤差為1.24℃。因此，在冷電阻測量過程中，冷態環境下油頂層溫度的測量準確度是影響溫升試驗結果的關鍵因素之一，當冷態溫度測量有較大誤差時，很可能會造成原本合格的溫升結果變為不合格。

5 結語

以上研究的配電變壓器溫升自動測量系統，把微計算機控制技術引入變壓器溫升試驗，結合溫升試驗流程，從軟件和硬件上實現了溫升試驗的自動控制、測量與計算。相比于傳統手動式拆接線溫升試驗，溫升自動測量系統免去了試驗中的人工干預，試驗過程和測試過程更自動智能，解放了人力并提高了工作效率，同時保證溫升試驗的成功率和穩定性。最后，分析了溫升自動測量過程中可能帶來的誤差來源，提出了熱電阻和冷電阻測量的注意事項，確保溫升結果的準確可靠。

[1]謝成，曹張潔，溫典，等.基于實時運行數據挖掘的配電變壓器狀態評估[J].浙江電力，2017，36（8）∶1-6.

[2]馮超，錢璟，黃宏盛，等.基于負荷矩理論的配電線路規劃與變壓器選址優化[J].浙江電力，2015，34（2）∶5-8.

[3]劉福炎.基于投資關聯性分析的配電網投資效益評價體系研究[J].浙江電力，2016，35（3）∶68-71.

[4]楊治業，王立群，杜建嵩.油浸式電力變壓器的溫升試驗及計算方法[J].變壓器，2001，38（6）∶15-20.

[5]柳再本，駱金海.干式變壓器溫升計算方法[J].變壓器，2007，44（5）∶14-17.

[6]武永紅，胡順斌，李金芳，等.電力變壓器溫升試驗自動控制的應用研究[J].微計算機信息，2007（7）∶37-38.

[7]許毅，陸斌，樂俊.變壓器絕緣系統性能與繞組溫升自動測試系統[J].自動化儀表，2015，36（7）∶72-77.

[8]許毅，陸斌，萬鐳，等.變壓器繞組溫升自動測試系統的研究與開發[J].自動化與儀器儀表，2014（12）∶107-109.

[9]許毅，陸斌，樂俊.變壓器溫升和異常狀態試驗的自動測量與控制系統[J].計算機測量與控制，2015，23（8）∶2654-2657.

[10]全國變壓器標準化技術委員會.電力變壓器：第2部分液浸式變壓器的溫升：GB 1094.2-2013[S].北京：中國標準出版社，2013.

[11]全國變壓器標準化技術委員會.電力變壓器：第11部分 干式變壓器：GB 1094.11-2007[S].北京：中國標準出版社，2007.

[12]陳棟，王鈞銘，鮑安平，等.小型變壓器繞組溫升試驗測量不確定度分析與評定[J].計量與測試技術，2013，40（9）∶81-82.

[13]王培連，陳宇恩，鐘圣馗.變壓器繞組溫升試驗及其不確定度分析[J].中國醫療器械雜志，2007，31（5）∶367-370.

[14]趙祥光，李春霞，周媛，等.液浸式變壓器溫升不確定度分析[J].軍民兩用技術與產品，2016（16）∶192.