影響配電變壓器負載損耗測量精度的研究

覃凱寧，廖姍姍，陳友鵬，羅海凹，劉順桂，溫倚嘉，歐志平

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001；2.廣東工業大學，廣東 廣州 510006；3.國家智能電網輸配電設備質量監督檢驗中心，廣東 東莞 523325；4.智檢科技(廣州)有限公司，廣東 廣州 510665)

1 引言

在電網中，變壓器是電壓等級變換的樞紐，在電力傳輸具有重要的作用。配電變壓器是配電網主要的電力設備，也是配電網電能損耗的重要來源。空載損耗和負載損耗是變壓器重要的性能參數，通常采用空載損耗和負載損耗來評價配電變壓器的能效水平。新變壓器投網運行前需進行例行試驗，測量其負載損耗和空載損耗。遵循國家“節能減耗”相關法律法規的規定，對測量空負載損耗不合格的變壓器，禁止投網運行。

在對配電變壓器進行負載試驗時，負載試驗方法的采用決定了測量的精度，在試驗過程中存在很多影響結果的因素，如直流電阻的測量、繞組溫度、測量儀器以及銅排的使用方法等。為了研究這些因素對配電變壓器負載試驗的影響，本文從檢測分析的角度分別探討這些因素對負載損耗精度的影響，對規范變壓器負載損耗的檢測和提高檢測精度具有一定的指導意義。

2 配電變壓器負載損耗的試驗原理

變壓器負載試驗屬于變壓器的例行試驗，通過負載試驗可以得到變壓器的短路阻抗和負載損耗，變壓器的負載損耗意味著在運行時的能量損失，變壓器的短路阻抗也是系統安全運行的重要參數。與此同時，負載損耗試驗也為變壓器的溫升試驗奠定基礎。

負載試驗的原理如下:當變壓器的一側繞組施加電壓而另外一側短路時，一般為高壓側通電壓，低壓側短路，鐵心中產生磁通，施加電壓的高壓繞組中流過電流。由磁動勢平衡原理可知，低壓側繞組產生感應電流，兩側繞組的安匝數是相等的[1]。其原理線路如圖1所示。圖中r1是一次側繞組的交流電阻，x1是一次側繞組的漏抗；r2是二次側繞組的交流電阻，x2是二次側繞組的漏抗；e1和e2表示鐵心中互感磁通感應的電動勢。

圖1 變壓器負載試驗原理圖

由圖1變壓器短路原理圖，可以得到圖2的變壓器短路試驗的等效電路，圖2中將二次阻抗r2+jx2折算到一次側，r′2=r2×k2，x′2=x2×k2，k為一二次側繞組的電壓比。通過圖2中的Z0為負載試驗等效電路中對應的勵磁阻抗，遠大于變壓器短路阻抗，將其略去后[2]，可以得到簡化的變壓器負載試驗時等效電路如圖3所示。

圖2 變壓器負載試驗等效電路

圖3 變壓器負載試驗簡化等效電路

變壓器負載損耗又稱銅損耗，可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，故可稱為可變損耗。在進行負載試驗時，將繞組的一側短路，各相處于相同分接位置，在試品的另外一側施加額定頻率，且近似正弦的50% ～100%額定電流。

式中:I1N為一次側額定電流；r1+r21為短路電阻，r21為二次側折算到一次側的電阻；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。

3 影響負載損耗的因素

3.1 直流電阻值的影響

由于實測的負載損耗需校正到參考溫度下，即將直流電阻損耗和附加損耗校正到參考溫度75℃。在變壓器負載試驗開始之前，需進行變壓器的直流電阻測量，所以t℃下的直流電阻損耗可以直接由直流電阻和繞組電流的二次方的乘積求得。下面給出負載損耗的校正公式:

式中:Pk75為參考溫度75℃時的負載損耗；Pkt為t℃下的負載損耗；∑I2Rt為t℃ 下的直流電阻損耗。

由上式可知，參考溫度下的負載損耗由t℃下的負載損耗Pkt和t℃下的直流電阻損耗∑I2Rt。目前，負載損耗通過功率分析儀直接測量得出，繞組的直流電阻可以通過直流電阻測試儀測量得出。但在測量變壓器直流電阻時，必須先確定繞組連接組別，不同的連接組別，測量出來的電阻是不一樣的，這將直接影響變壓器負載損耗的計算結果。對于三相變壓器繞組為Y聯結無中性點引出時，應測量其線電阻，如RAB、RBC、RCA；對于有中性點引出的變壓器，應測量其相電阻，如RAO、RBO、RCO；但對于中點引線電阻占比較大的yn聯結且低壓為400V的配電變壓器，應測量其線電阻及中點對一個線端的電阻[3]；對于繞組為D聯結時，首末端均引出的應測量其相電阻。因此，在測量直流電阻時，如果誤把相電阻當成線電阻，這將對變壓器負載損耗計算產生較大的影響。

下面以一臺400kVA的Dyn11聯結的變壓器為例，探究負載損耗計算時低壓側電阻采用線電阻和相電阻的差別。表1為低壓側電阻分別采用線電阻和相電阻計算引起的低壓繞組直流電阻損耗和校正到參考溫度下負載損耗值。低壓線電阻R2平均值為線電阻Rab、Rbc、Rca的平均值，低壓相電阻R′2平均值為相電阻Rao、Rbo、Rco的平均值。低壓繞組直流電阻損耗采用線電阻計算時，P=1.5I2R線；低壓繞組直流電阻損耗采用相電阻計算時，P=3I2R線。

表1 低壓側電阻分別采用線電阻和相電阻計算引起損耗差異

低壓側直流電阻采用線電阻計算的電阻損耗和采用相電阻計算的低壓側電阻損耗相差144.9W，校正到參考溫度下負載損耗則相差46W。通過對比低壓繞組線電阻R2平均值和低壓繞組相電阻R′2的測量回路，采用相電阻計算時引入了三次中性排到O端子的直流電阻。1.5R線和 3R線相差為0.0004353Ω，即中性排到 O端子的直流電阻為0.1451mΩ。盡管中性排到O端子的直流電阻很小，但由于計算時三相繞組引入該段電阻值三次以及低壓側額定電流較大，低壓繞組直流電阻損耗的差別較大。校正到參考溫度下負載損耗由于測量的總有功損耗不變，計算得到的附加損耗降低而縮小差距，但差距仍達到46W，誤差達到1.03%。若負載損耗值在標準要求值臨界值附近，選擇使用低壓側相電阻計算會引起誤判。

3.2 繞組溫度的影響

由于變壓器繞組多采用銅作為繞組材料，當繞組溫度升高時，銅的電阻率也會上升，此時產生的直流電阻損耗也會升高[4]。所以繞組溫度會直接影響變壓器的負載損耗。為此需要對變壓器的直流電阻進行校正，計及溫度的影響。同時，在進行負載試驗時，應盡快完成試驗，避免繞組溫度上升引起繞組直流電阻隨溫度增大，測量的總有功損耗隨之增大的情況。所以在進行負載試驗時，試驗時間不宜過長，注意繞組的溫度變化，減少試驗對變壓器產生的不利影響[5]。

3.3 測量儀器損耗的影響

在變壓器負載試驗中，以三相變壓器為例，按照以下接線圖進行試驗。在實際測量中，常用測量儀器為功率分析儀[6]，由于功率分析儀在測量時也存在自身損耗，所以會使得實測的負載損耗偏大。

圖4 變壓器負載試驗簡化等效電路

為了精確的測量變壓器負載損耗，應先測量連接線的電阻，確定儀器的自身損耗，將儀器損耗和連接線損耗減去，得出準確的變壓器負載損耗。以下給出計算公式:

式中:P′t為去除測量儀器損耗后的變壓器負載損耗；Pt為實際測量的負載損耗；P儀為功率分析儀的損耗；P線為連接線的附加損耗；R線為連接線的直流電阻。

3.4 短接配件的影響

在進行負載試驗時，需要將變壓器的一側短接，常用的低壓側短接配件主要有兩種，一種是硬質銅排[7]，另一種是軟質連接銅排。硬質銅排具有良好的支撐性，而軟銅排具有一定的柔性，適用性較強，裝夾性能好。但是硬質銅排的回路電阻要比軟質銅排的回路電阻要小，常見的硬質銅排回路電阻約為11μΩ，軟質銅排的回路電阻約為80μΩ。由于銅排的回路電阻較小，銅排產生的損耗相對于變壓器的負載損耗可以忽略不計。但在實際試驗中，對變壓器負載損耗造成影響的因素是短接配件與變壓器的引出端的夾緊程度，主要是因為短接配件與引出端間隙的空氣電阻比銅排的電阻要大得多，產生較大的附加損耗。

下面以一臺630kVA的變壓器為例，短接夾件采用硬質銅排，探究配件夾緊程度對變壓器負載損耗的影響，表2為不同夾緊程度下的變壓器負載損耗。

表2 不同夾緊程度下的變壓器負載損耗

該試驗結果表明，不同配件夾緊程度對檢測結果產生較大的差異，達到了31W。本次試驗系統的功率分析儀準確度為0.2級，采用不同夾緊程度進行負載試驗時，實際誤差值遠大于其設備的最大誤差，接近國標推薦設備技術參數允許誤差。在試驗過程中，由于配件夾緊程度不夠，配件的溫度迅速上升，產生較大的安全風險。這表明配件的不同夾緊程度形成的誤差已經嚴重影響測試結果，導致試驗結果出現異常，不利于對試驗數據精度的把控。

4 總結

負載損耗作為變壓器的重要參數之一，關乎變壓器的整體耗能情況和運行性能。本文探究了對變壓器負載損耗產生影響的重要因素，主要有直流電阻值、繞組溫度、儀器損耗和短接配件的夾緊程度。研究表明，這些因素都會對變壓器負載損耗的測量產生一定的影響，尤其是短接配件的夾緊程度。所以在實際試驗和計算過程中，必須考慮以上的影響因素，建議使用硬質銅排進行試驗，確保短接配件夾緊，盡可能地減少短接配件與變壓器引出端的氣隙，確保變壓器繞組的溫升在合理范圍之內，使用準確度不小于0.2級的測量儀器，提高變壓器負載損耗的檢測精確度。