10 kV 變壓器溫升試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 濤，魏慧慧

（甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018）

對(duì)于電力系統(tǒng)而言，變壓器的作用是十分重要的，主要用于各級(jí)電網(wǎng)之間的電壓、電流轉(zhuǎn)換及功率傳輸。在我們生活中最常見的就是10 kV油浸式配電變壓器，廣泛用于配電網(wǎng)中，尤其是廣大農(nóng)村地區(qū)的配電網(wǎng)中，在人們的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其重要的作用。溫升試驗(yàn)是變壓器的一項(xiàng)型式試驗(yàn)，通過(guò)向被試變壓器施加規(guī)定的負(fù)載驗(yàn)證變壓器在規(guī)定工作條件下各部件的溫升是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 變壓器溫升試驗(yàn)介紹

1.1 變壓器溫升試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

變壓器是電力系統(tǒng)的重要組成部分，長(zhǎng)期帶負(fù)荷運(yùn)行，必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，而溫升是影響穩(wěn)定性與可靠性的重要因素，因此對(duì)新設(shè)計(jì)的變壓器在定型批量生產(chǎn)前進(jìn)行溫升試驗(yàn)是至關(guān)重要的。通過(guò)溫升試驗(yàn)，驗(yàn)證被試變壓器的冷卻介質(zhì)、高低壓繞組、鐵芯等的溫升是否超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值，驗(yàn)證變壓器的設(shè)計(jì)是否合理，發(fā)現(xiàn)缺陷并改進(jìn)，進(jìn)而提升變壓器產(chǎn)品質(zhì)量，為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提供必要保證。

1.2 變壓器溫升試驗(yàn)原理

變壓器溫升試驗(yàn)一般是在進(jìn)行繞組電阻測(cè)量、空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)之后進(jìn)行的一項(xiàng)型式試驗(yàn)，在變壓器所有的型式試驗(yàn)和例行試驗(yàn)中需要的電源容量最大、試驗(yàn)用時(shí)最長(zhǎng)[1]。

由于變壓器的種類較多，為了保證試驗(yàn)效率較高、試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，需要針對(duì)不同類型的變壓器選擇最適合的溫升試驗(yàn)方法，現(xiàn)階段各檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)和變壓器生產(chǎn)廠家對(duì)于油浸式變壓器主要采用短路等效法，對(duì)于干式變壓器主要采用模擬負(fù)載法。不管采用何種試驗(yàn)方法，其主要原理都是向被試變壓器施加規(guī)定的負(fù)載，使變壓器運(yùn)行在規(guī)定的狀態(tài)下，持續(xù)監(jiān)測(cè)變壓器各部件的溫升，在試驗(yàn)完成后測(cè)量高低壓熱態(tài)電阻，然后基于測(cè)量的高低壓電阻數(shù)據(jù)，推算出電源斷開瞬間的熱態(tài)電阻值，通過(guò)熱態(tài)電阻和溫升試驗(yàn)前測(cè)得的冷態(tài)電阻計(jì)算出變壓器高低壓繞組的平均溫升等，并判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)溫升試驗(yàn)的驗(yàn)證，檢驗(yàn)變壓器是否滿足正常情況下的使用需求，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、提升質(zhì)量，確保變壓器在電力系統(tǒng)中穩(wěn)定可靠運(yùn)行。變壓器溫升試驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 變壓器溫升試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)電源：為溫升試驗(yàn)提供所需要的有功容量，如果試驗(yàn)所需有功容量較小，則可由電網(wǎng)直接提供電源，如果所需試驗(yàn)容量較大，則可采用自備發(fā)電機(jī)組提供電源；中間變壓器（調(diào)壓器）：用來(lái)變化電壓、電流，施加于被試變壓器，根據(jù)試驗(yàn)容量的大小選擇變壓器或調(diào)壓器，試驗(yàn)容量較大則采用中間變壓器，試驗(yàn)容量較小則采用調(diào)壓器代替中間變壓器；互感器：包括電壓互感器、電流互感器，用來(lái)采集試驗(yàn)電壓、電流等數(shù)據(jù)；無(wú)功補(bǔ)償：根據(jù)試驗(yàn)需要，采用電容器組補(bǔ)償試驗(yàn)所需的無(wú)功容量；被試變壓器：進(jìn)行溫升試驗(yàn)的變壓器。

2 變壓器溫升試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)期技術(shù)指標(biāo)

本設(shè)計(jì)所述溫升試驗(yàn)系統(tǒng)主要是用來(lái)完成10 kV變壓器溫升試驗(yàn)，查閱GB/T 6451—2015《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》和GB/T 10228—2015《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》等變壓器技術(shù)參數(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，10 kV下油浸式變壓器和干式變壓器的最大容量均為6 300 kVA、最小容量為30 kVA。因此，本設(shè)計(jì)定位于完成10 kV/30kVA-6 300 kVA的變壓器溫升試驗(yàn)、空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)。

2.2 設(shè)計(jì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 1094.1—2013《電力變壓器 第1部分：總則》、GB/T 1094.2—2013《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》、GB/T 1094.11—2007《電力變壓器 第11部分：干式變壓器》、GB/T 6451—2015《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》、GB/T 10228—2015《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)要求》、JB/T 501—2021《電力變壓器試驗(yàn)導(dǎo)則》。

2.3 試驗(yàn)電源方案

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)和變壓器制造廠家通常采用短路等效法進(jìn)行油浸式變壓器溫升試驗(yàn)，采用模擬負(fù)載法進(jìn)行干式變壓器溫升試驗(yàn)，這是因?yàn)槎搪返刃Хê湍M負(fù)載法都充分利用了變壓器短路阻抗以感性阻抗為主的特性，進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)電源只需滿足有功容量和系統(tǒng)損耗即可，其余絕大部分無(wú)功容量可以采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)。因此，為了降低試驗(yàn)電源容量、節(jié)約成本，試驗(yàn)電源方案確定為通過(guò)電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)組提供試驗(yàn)所需的有功容量和系統(tǒng)損耗，并略有裕量，通過(guò)補(bǔ)償電容器的方式提供試驗(yàn)所需的無(wú)功容量。

2.4 試驗(yàn)電源容量計(jì)算

10 kV下油浸式變壓器和干式變壓器最大容量都是6 300 kVA，為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)可進(jìn)行10 kV/30 kVA-6 300 kVA變壓器溫升試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)油浸式變壓器常用的短路等效法和干式變壓器常用的模擬負(fù)載法進(jìn)行分析。短路等效法實(shí)際上是將被試變壓器一側(cè)短接，另一側(cè)通電，利用變壓器短路產(chǎn)生的損耗進(jìn)行溫升試驗(yàn)[2]；模擬負(fù)載法是將溫升試驗(yàn)分為空載溫升試驗(yàn)和短路溫升試驗(yàn)兩個(gè)階段，最終溫升為兩個(gè)階段的疊加[3]。短路等效法和模擬負(fù)載法的短路溫升試驗(yàn)階段利用變壓器短路產(chǎn)生的損耗作為負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)的，而模擬負(fù)載法的空載溫升階段需要的容量很小，因此本設(shè)計(jì)以采用短路等效法進(jìn)行10 kV/6 300 kVA油浸式變壓器溫升試驗(yàn)為例確定試驗(yàn)容量。

10 kV/6 300 kVA油浸式變壓器具體參數(shù)如下：

額定容量：6 300 kVA；額定電壓：10（10.5）/3.15（6.3）kV；分接范圍：±2×2.5%；空載損耗：4.89 kW；負(fù)載損耗：35.0 kW；空載電流：0.40%；短路阻抗：5.5%。

GB/T 1094.2—2013《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》及JB/T 501—2021《電力變壓器試驗(yàn)導(dǎo)則》關(guān)于變壓器溫升試驗(yàn)有明確要求，如果分接范圍小于或等于±5%，且容量小于或等于2 500 kVA的變壓器，則應(yīng)在額定分接位置下進(jìn)行溫升試驗(yàn)；如果分接范圍大于±5%，或容量大于2 500 kVA的變壓器，則應(yīng)在最大電流分接位置下進(jìn)行溫升試驗(yàn)[2-4]。因此10 kV/6 300 kVA油浸式變壓器的溫升試驗(yàn)應(yīng)在最大總損耗下（最大電流分接位置）進(jìn)行溫升試驗(yàn)，用短路等效法進(jìn)行試驗(yàn)，高壓側(cè)施加電壓，低壓側(cè)短路，額定電流為3 82.9A/1154.7A。根據(jù)10 kV/6300 kVA油浸式變壓器的技術(shù)參數(shù)可知，總損耗P∑=空載損耗+負(fù)載損耗=4.89+35.0=39.89 kW。具體計(jì)算如下：

（1）進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)施加于被試變壓器的試驗(yàn)電壓為：

（2）進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)施加于被試變壓器的試驗(yàn)電流為：

（3）進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)所需試驗(yàn)容量為：

Se=6 300×5.5% ×39.89 ÷35.0 ×1.1 ×1.1=477.85 kVA (變換因數(shù)和安全因數(shù)均為1.1)；

（4）進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)的功率因數(shù)為：

cosφ=P∑÷Se=39.89÷477.85=0.0 835。

2.5 試驗(yàn)電源及無(wú)功補(bǔ)償容量確定

2.5.1 試驗(yàn)電源

由上述計(jì)算可知，10 kV/6 300kVA油浸式變壓器進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)需要的試驗(yàn)容量較小，且可以通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞教峁┰囼?yàn)所需的大量的無(wú)功容量，試驗(yàn)電源只需滿足有功容量及試驗(yàn)系統(tǒng)損耗即可，因此試驗(yàn)電源不必采用自備發(fā)電機(jī)組的方式，直接采用用戶電源變壓器低壓側(cè)380V電源即可。

2.5.2 中間變壓器

考慮試驗(yàn)所需基本有功容量需求、試驗(yàn)系統(tǒng)損耗、電壓變化導(dǎo)致容量折算、進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)纫蛩兀x擇中間變壓器的容量，為電容器組少補(bǔ)償后留有余量。本設(shè)計(jì)選用額定容量為150 kVA的調(diào)壓器作為中間變壓器，其額定輸入電壓為0.38 kV,額定輸出電壓為0～0.65 kV，按進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)施加在被試變壓器上的電壓0.59 kV折算后的容量為：

Sf=150×0.592÷0.652=123.58 kVA≥39.89 kVA，滿足要求。

2.5.3 無(wú)功補(bǔ)償

根據(jù)上述計(jì)算，試驗(yàn)時(shí)所需容量為477.85 kVA，采用短路等效法進(jìn)行溫升試驗(yàn)，短路產(chǎn)生的損耗作為負(fù)載都是感性的，溫升試驗(yàn)系統(tǒng)的中間變壓器（調(diào)壓器）的容量只需要滿足試驗(yàn)系統(tǒng)基本有功容量和損耗，并略有調(diào)節(jié)裕量即可，其余絕大部分無(wú)功容量通過(guò)補(bǔ)償電容器進(jìn)行補(bǔ)償。上述計(jì)算中，進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)功率因數(shù)非常小，僅為0.083 5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電網(wǎng)運(yùn)行水平，會(huì)增加供電線路損耗、降低電源質(zhì)量，因此進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償一方面可提高功率因數(shù)，提高電源利用效率，另一方面可有效降低試驗(yàn)電源容量，節(jié)省投資。設(shè)定進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后功率因數(shù)cosφ1=0.95，則共需要補(bǔ)償?shù)娜萘繛椋?/p>

目前較為常用的補(bǔ)償方案有：低壓補(bǔ)償方式、高壓補(bǔ)償方式、高壓+低壓補(bǔ)償方式。三種補(bǔ)償方式原理圖如圖2—圖4所示。

圖2 低壓補(bǔ)償方式原理圖

圖3 高壓補(bǔ)償方式原理圖

圖4 高壓+低壓補(bǔ)償方式原理圖

三種補(bǔ)償方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中低壓補(bǔ)償方式建造容易，但損耗大，經(jīng)濟(jì)性較差；高壓補(bǔ)償方式需要的中間變壓器（調(diào)壓器）容量小、損耗低，但復(fù)雜程度高；高壓+低壓補(bǔ)償方式介于高壓補(bǔ)償與低壓補(bǔ)償方案之間，可適用于變壓器、電抗器等多種產(chǎn)品的溫升試驗(yàn)，但復(fù)雜程度高，短時(shí)間內(nèi)難以建成且投資大。從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度考慮，高壓補(bǔ)償方式更好，本設(shè)計(jì)選用高壓補(bǔ)償方式。本試驗(yàn)系統(tǒng)共需無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘繛?62.9 kVA，選用略高于試驗(yàn)電壓590 V的額定電壓為660 V、額定容量為50 kVA的三相電容器，1～12臺(tái)并聯(lián)，補(bǔ)償容量為50-600 kVA，折算到試驗(yàn)電壓590 V時(shí)的容量為40.0 kVA～479.5 kVA，滿足無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

2.6 試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了10 kV變壓器溫升試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 變壓器溫升試驗(yàn)系統(tǒng)圖

試驗(yàn)電源經(jīng)隔離開關(guān)QS1、斷路器QF1、接觸器KM1輸入調(diào)壓器TR，經(jīng)斷路器QF2、接觸器KM2、隔離開關(guān)QS2施加于被試變壓器，隔離開關(guān)QS3實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電容器組的投切，電流互感器TA1、TA2、TA3實(shí)現(xiàn)電流采集，電壓互感器TV實(shí)現(xiàn)電壓采集。

因試驗(yàn)所需有功容量較小，試驗(yàn)電源直接采用用戶電源變壓器低壓側(cè)380 V電源；中間變壓器選擇額定容量為150 kVA的調(diào)壓器，額定輸入電壓380 V，額定輸出電壓0～650 V；無(wú)功補(bǔ)償采用高壓補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)，選擇12臺(tái)660 V/50 kVA的三相電容器組并聯(lián),根據(jù)試驗(yàn)所需無(wú)功容量，選擇投切。

3 結(jié)語(yǔ)

溫升試驗(yàn)是考核變壓器質(zhì)量的重要手段，通過(guò)溫升試驗(yàn)驗(yàn)證變壓器設(shè)計(jì)是否合理、發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)或制造缺陷并改進(jìn)，是提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的必要保證。短路等效法是現(xiàn)階段變壓器生產(chǎn)廠家和檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)普遍采用的一種試驗(yàn)方法，相比于其他試驗(yàn)方法具有試驗(yàn)容量最小、試驗(yàn)電壓最低、接線簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、投資較小等優(yōu)點(diǎn)[5]。

本文僅以10 kV下最大容量6 300 kVA油浸式變壓器作為被試變壓器確定試驗(yàn)容量，設(shè)計(jì)溫升試驗(yàn)系統(tǒng)，適用于10 kV/6 300 kVA及以下油浸式變壓器和干式變壓器溫升試驗(yàn)。而對(duì)于大型變壓器生產(chǎn)廠家或檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)而言，變壓器電壓范圍更廣、容量更大，試驗(yàn)容量計(jì)算需進(jìn)一步完善，可考慮配置自備發(fā)電機(jī)組，根據(jù)最大容量被試變壓器的有功容量及系統(tǒng)損耗選擇更大容量的中間變壓器，根據(jù)無(wú)功容量配置更大容量的補(bǔ)償電容器組等方式來(lái)提高試驗(yàn)容量。