移動(dòng)便攜式配電變壓器能效檢測(cè)裝置的研究

張威，成瑤，陳薇，張程，黃浩，葉剛

（1.國(guó)網(wǎng)荊州供電公司，湖北荊州 434000；2.長(zhǎng)江大學(xué)國(guó)家級(jí)電工電子示范中心，湖北荊州 434023）

目前，隨著中國(guó)電網(wǎng)建設(shè)不斷推進(jìn)，各個(gè)地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目逐漸增多，電能需求量日益增加，電能損耗問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。配電變壓器作為配電網(wǎng)中能量損耗的主要一環(huán)，其效率提升可節(jié)約大量能源。隨著中國(guó)“節(jié)能降耗”政策的不斷深入，在網(wǎng)運(yùn)行的部分高能耗配電變壓器已不符合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》明確給出了額定電壓為10～500 kV 各類(lèi)電力變壓器能效等級(jí)的空載損耗、負(fù)載損耗和短路阻抗3 個(gè)能效參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]。因此對(duì)高能耗變壓器進(jìn)行升級(jí)改造，其關(guān)鍵問(wèn)題在于如何便捷、精準(zhǔn)地確定變壓器的能效等級(jí)[2]。

目前市場(chǎng)上尚無(wú)針對(duì)電力變壓器能效等級(jí)檢測(cè)的便攜移動(dòng)式設(shè)備，只有分離的獨(dú)立項(xiàng)目測(cè)試儀器和固定式測(cè)試裝備。獨(dú)立項(xiàng)目測(cè)試儀器，如低壓法空負(fù)載損耗測(cè)試儀、空負(fù)載損耗測(cè)試儀等，在使用時(shí)需要準(zhǔn)備多種設(shè)備組合使用，易發(fā)生接線錯(cuò)誤，造成儀器或被試變壓器損壞或測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。試驗(yàn)儀器分散且獨(dú)立，每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目結(jié)束后均需要人工記錄測(cè)試結(jié)果，易發(fā)生記錄錯(cuò)誤，從而降低測(cè)試結(jié)果的可信度，煩瑣的實(shí)驗(yàn)步驟也使傳統(tǒng)能效檢測(cè)效率低下。變壓器能效固定式測(cè)試設(shè)備體積龐大，在開(kāi)展變壓器能效等級(jí)測(cè)試時(shí)，需將每臺(tái)變壓器進(jìn)行順序吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)，測(cè)試結(jié)束后，才能移入新的變壓器，大量的時(shí)間被設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)所占據(jù)；該設(shè)備并非專(zhuān)門(mén)針對(duì)于能效等級(jí)檢測(cè)，非有效測(cè)試內(nèi)容多，拆接線煩瑣，導(dǎo)致單臺(tái)變壓器測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，完成單臺(tái)變壓器的能效等級(jí)測(cè)試至少需要30 min，檢測(cè)效率極其低，還存在安全風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法完成大批量變壓器的能效等級(jí)檢測(cè)的任務(wù)。所以目前急需一種接線簡(jiǎn)單、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、耗時(shí)少、效率高、便攜可移動(dòng)的變壓器能效專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備。

本文設(shè)計(jì)了一種高集成度的配電變壓器能效檢測(cè)系統(tǒng)，具備自動(dòng)升降壓功能、溫度檢測(cè)功能及變壓器空負(fù)載功率檢測(cè)功能，測(cè)試結(jié)果集中，避免了記錄錯(cuò)誤，大大縮小了測(cè)試裝置的體積，提高了檢測(cè)效率。

1 移動(dòng)便攜式配電變壓器能效檢測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊

1.1 移動(dòng)便攜式配電變壓器能效檢測(cè)結(jié)構(gòu)框架

該移動(dòng)便攜式配電變壓器能效檢測(cè)系統(tǒng)主要包括溫度測(cè)量模塊、電壓電流測(cè)量模塊、空負(fù)載試驗(yàn)測(cè)量模塊，對(duì)低功率因數(shù)的空載損耗和負(fù)載損耗進(jìn)行采樣計(jì)算式測(cè)量，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 溫度測(cè)量模塊

電力變壓器要求能在參考溫度（一般為75 ℃）下長(zhǎng)期運(yùn)行，因此需要將測(cè)量溫度下的功率折算為參考溫度，溫度測(cè)量的精度直接影響變壓器短路損耗的準(zhǔn)確性。本文選擇DS18B20 增強(qiáng)型單總線溫度傳感器，測(cè)量溫度范圍可以達(dá)到-55～125 ℃，在-10～85 ℃時(shí)準(zhǔn)確度為±0.5 ℃，具有高精度溫度測(cè)量功能，可以滿足檢測(cè)要求。其輸出為數(shù)字信號(hào)，無(wú)需連接A/D 轉(zhuǎn)換器，可直接輸入微處理器，簡(jiǎn)化了能效檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1.3 電壓電流傳感器和信號(hào)調(diào)理單元

本模塊采用測(cè)量精度與線性度均為0.1 級(jí)的電流互感器與電壓互感器，分別測(cè)量能效測(cè)試中的電流與電壓，電流互感器的測(cè)量線性區(qū)間為0～50 A，電壓互感器的測(cè)量線性區(qū)間為0～450 V。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，需要利用運(yùn)算放大器，將采樣電阻兩側(cè)電壓（±5 V）轉(zhuǎn)換到0～3.3 V 區(qū)間，送入中控單元進(jìn)行測(cè)量，具體電路如圖2 所示。

圖2 檢測(cè)原理圖

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于非理想器件的存在，需要對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正，采用多項(xiàng)式擬合的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備校正，其算法模型如下：

式中：y為校正值；x為測(cè)量值；參考文獻(xiàn)[1]表明n值越大，獲取的結(jié)果越精確。

1.4 中控單元設(shè)計(jì)

中控單元擬采用STM32 Mini F401 模塊作為主控板，該模塊可采用USB type-c 接口供電，也可直接連接5 V 引腳為模塊供電，具有高精度、高性能的特點(diǎn)，還具有標(biāo)準(zhǔn)、高級(jí)通信接口，方便后續(xù)控制器的升級(jí)與維修。該控制模塊接收A/D 轉(zhuǎn)換后的三相電壓電流數(shù)據(jù)和配電變壓器溫度傳感器數(shù)據(jù)，一方面將采集到的溫度信息和電壓電流信息進(jìn)行處理并顯示到它自帶的LCD 顯示屏上；另一方面LCD（上位機(jī)）發(fā)送控制命令通過(guò)本模塊反饋給電源電壓電流控制模塊，從而控制三相定頻電源輸出，實(shí)現(xiàn)能效檢測(cè)。

2 移動(dòng)便攜式配電變壓器數(shù)據(jù)軟件處理模塊

2.1 空載損耗計(jì)算模塊

空載損耗是當(dāng)變壓器二次繞組開(kāi)路，一次繞組施加額定頻率正弦波形的額定電壓時(shí)，所消耗的為有功功率。硅鋼片的材料性能、加工工藝及裝備、鐵芯的結(jié)構(gòu)形式都會(huì)影響變壓器空載性能[4]。

配電變壓器在做空載試驗(yàn)時(shí)，在低壓各相繞組端之間施加額定頻率的額定電壓（400 V），對(duì)應(yīng)的各相之間平均值電壓分別為UmA、UmB、UmC，對(duì)應(yīng)的各相電流為IA、IB、IC，功率因數(shù)為cosφ。

根據(jù)JB/T 501—2006《電力變壓器試驗(yàn)導(dǎo)則》的要求，當(dāng)電壓波形畸變時(shí)，平均值電壓Um和均方根值電壓Ur之差在3%以內(nèi)，即電壓畸變偏移量d＜3%。首先，計(jì)算電壓偏移量d，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的有效性；然后利用平均值電壓、電流、功率因數(shù)來(lái)計(jì)算A、B、C 三相繞組對(duì)應(yīng)的空載損耗；并對(duì)三相空載損耗求和得到三相總空載損耗Pm；最后對(duì)總空載損耗進(jìn)行波形校正，得到校正后的空載損耗P0：

式中：P0為校正后的空載損耗的數(shù)值，單位kW；Pm為三相總空載損耗的數(shù)值，單位kW。

變壓器空載損耗計(jì)算流程如圖3 所示。

圖3 變壓器空載損耗計(jì)算流程圖

2.2 負(fù)載損耗計(jì)算模塊

將變壓器低壓側(cè)短路，在高壓側(cè)輸入端施加正弦電流，將輸入電流升至額定電流，變壓器所消耗的有功功率即為負(fù)載損耗。電力變壓器要求能在參考溫度下長(zhǎng)期運(yùn)行，所以測(cè)量值也應(yīng)從試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度折算到參考溫度。

變壓器負(fù)載損耗的測(cè)量需要獲取各相均方根電壓Ur、功率因數(shù)cosφ、各相額定負(fù)載電流I、直阻溫度t1、試驗(yàn)溫度t等參數(shù)。

首先，計(jì)算A、B、C 三相繞組對(duì)應(yīng)的負(fù)載損耗和總負(fù)載損耗Ps（單位kW），方法與空載損耗實(shí)驗(yàn)相同；然后對(duì)總負(fù)載損耗進(jìn)行額定電流校正，得到額定電流下總負(fù)載損耗Pk（單位kW）；進(jìn)行溫度折算，具體過(guò)程為計(jì)算實(shí)驗(yàn)溫度下電阻校正系數(shù)Kt1和75 ℃參考溫度下的負(fù)載損耗校正系數(shù)Kt，將直阻測(cè)量溫度下的高壓側(cè)線電阻RH（單位Ω）和低壓側(cè)線電阻RL（單位mΩ）折算至實(shí)驗(yàn)溫度下的參數(shù)，利用折算后的高壓側(cè)線電阻RHt（單位Ω）、低壓側(cè)線電阻RLt（單位mΩ）、額定電流計(jì)算實(shí)驗(yàn)溫度t時(shí)高壓側(cè)繞組電阻損耗PHt和低壓側(cè)繞組電阻損耗PLt（單位kW）；最后，將額定電流下總負(fù)載損耗Pk（單位kW）、高壓側(cè)繞組電阻損耗PHt、低壓側(cè)繞組電阻損耗PLt（單位kW）都折算至75 ℃下的參數(shù)。

參考溫度下的總負(fù)載損耗Pk75（單位kW）公式如下[5]：

短路阻抗是在額定頻域和參考溫度下，某個(gè)繞組端子之間的等效串聯(lián)阻抗，其百分?jǐn)?shù)等于短路電壓與額定電壓之比，測(cè)量時(shí)應(yīng)以三相電流的算術(shù)平均值為準(zhǔn)，如果試驗(yàn)電流無(wú)法達(dá)到額定電流時(shí)，短路阻抗應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的校正。

首先計(jì)算三相均方根電壓平均值Ur（單位V）、三相電流平均值Ik（單位A）、高壓側(cè)額定線電流IN（單位A）；再計(jì)算實(shí)驗(yàn)溫度下的短路阻抗Zkt；最后利用額定電流下總負(fù)載損耗Pk（單位kW）、實(shí)驗(yàn)溫度下的短路阻抗Zkt、變壓器額定容量SN（單位kVA）、75 ℃參考溫度下的負(fù)載損耗校正系數(shù)Kt進(jìn)行溫度校正。

75 ℃參考溫度短路阻抗Zk公式如下：

變壓器負(fù)載損耗計(jì)算流程如圖4 所示。

圖4 變壓器負(fù)載損耗計(jì)算流程圖

3 變壓器能效檢測(cè)結(jié)果及等級(jí)的確定

選取某三相油浸式配電變壓器為測(cè)試對(duì)象，該變壓器采用Dyn11 聯(lián)結(jié)，鐵心材料為硅鋼片，額定容量為400 kVA，額定電壓為400 V。利用本文中所設(shè)計(jì)的裝置對(duì)其進(jìn)行能效檢測(cè)，得到相應(yīng)的空負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體如表1 和表2 所示。

表1 空負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 負(fù)載溫度校正數(shù)據(jù)

利用2.1、2.2 節(jié)中所示方法對(duì)所測(cè)空負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到額定電流下的空載損耗，參考溫度下的負(fù)載損耗、短路阻抗等數(shù)據(jù)。將上述數(shù)據(jù)與額定容量為400 kVA，額定電壓400 V 的三相油浸式硅鋼片變壓器的能效限制標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比[6]。

變壓器能效數(shù)據(jù)與其國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

表3 變壓器能效數(shù)據(jù)與其國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)

由表3 可知，該變壓器能效等級(jí)處于二級(jí)與三級(jí)之間，屬于三級(jí)能效變壓器，與變壓器實(shí)際情況吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了高集成度的配電變壓器能效檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)額定容量為400 kVA 的配電變壓器能效等級(jí)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)符合變壓器的真實(shí)情況，測(cè)量結(jié)果所對(duì)應(yīng)能效等級(jí)與變壓器真實(shí)等級(jí)相對(duì)應(yīng)，符合實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)兼具準(zhǔn)確性、快捷性，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作，大大提高了變壓器能效檢測(cè)效率，打破了傳統(tǒng)檢測(cè)裝備的空間局限性，為變壓器能效檢測(cè)提供了新方法。