大型電力變壓器損耗測量的不確定度研究

國網浙江省電力有限公司溫州供電公司 黃繼來 劉茂集 周鹿鳴 王 昶 國網浙江省電力有限公司雙創中心 魏文力

電力變壓器是電力系統運行過程中的電力轉換設備，其應用目的在于保證供電系統的正常運行。隨著經濟的不斷發展，對電力需求和變壓器的質量要求越來越高。然而，在電力變壓器裝機數量增加的同時，也增加了自身的能量消耗，從而導致應用過程中存在大量的損耗，這要求采取相應的措施對損耗進行測量，從而降低損耗量[1]。

1 電力變壓器的損耗情況

電力變壓器的損耗包括空載損耗和負載損耗?？蛰d損耗主要包括以下幾個方面。

第一，磁滯損耗。設備中鐵磁材料能夠利用磁化操作，影響到磁滯情況產生損耗，磁滯損耗大小和回線面積成正比。

第二，渦流損耗。設備鐵心為金屬導體，在電磁感應下產生電動勢，在鐵心中環流作用為渦流。因此，鐵心渦流和鐵心電阻的反應為渦流損耗。

第三，附加鐵損。附加鐵損并不是由變壓器自身的材料所決定，而是因變壓器的工藝和結構導致影響。一般是因為磁通波形高次諧波分量不同，導致出現附加渦流損耗。

在電力變壓器運行的過程中，繞組中也會出現電流，產生負載損耗。負載損耗也稱之為銅損，在基本繞組中會出現直流損耗，還會出現附加損耗。

第一，基本銅損。在電力變壓器容量比較小的時候，負載損耗也稱之為基本銅損，主要是因為漏磁場導致的附加損耗占比較小。

第二，附加損耗。附加損耗指的是繞阻渦流損耗，如果變壓器運行容量大，就會導致繞組安匝存在漏磁場，和繞組導線電阻出現渦流損耗、雜散損耗[2]。

空載電流與損耗測量的原理如圖1所示。

圖1 空載電流與損耗測量的原理

2 不確定度的來源和分析

根據測量不確定度來源界定，通過大型電力變壓器損耗的測量方式表示是因為校準用標準互感器、功率分析儀、繞組直流電阻測量等導致，利用B 類不確定度的評定方法對不確定度進行分析。電流表示為I，電壓表示為U，屬于實驗中的變壓器功率因數：

公式中的P指的是損耗測量值，KU和KI是指電壓和電流互感器出現的改變，UP和IP是指功率分析儀得出的二次電壓與電流。

損耗測量不確定度除和電流、電壓互感器的測量變化誤差之外，還和功率因數大小相關，尤其是功率因數比較小的時候[3]。簡單來說，同個測量系統在不同功率因數時的損耗測量，測量不確定度也會出現改變，表1為標準不確定度表。

表1 標準不確定度表

3 變壓器損耗測量的實現

3.1 空載損耗帶電測量

在測量變壓器空載損耗時，三相變壓器斷開，高壓側進行供電，要對變壓器高壓側的電流和電壓進行測量，對信號進行處理，計算變壓器空載損耗。變壓器空載損耗的帶電測量指的是射頻通信、數據收集、電壓同步觸發器和空載電流采集器，圖2為空載損耗帶電測量的構成如圖2所示。

通過空載電流采集器對空載電流進行收集，對計算機發送數據。對數據采集卡中發送電壓觸發器的信號，射頻通信通過電流采集器、計算機與電壓同步觸發器進行通信，對電壓信號進行收集。計算機能夠實現人機界面接口的設置，使測試人員對系統進行操作[4]。

由于變壓器的空載電流比較小，精度也會對其造成限制，無法有效使用變壓器電流互感器空載電流?？梢岳每蛰d電流采集器測量變壓器空載電流，實現電流采集器的安裝。因電壓比較高，需對人身安全和設備絕緣進行考慮，使用無線射頻通信方式，從而能夠實現數據的遠距離傳輸。

為了對空載損耗進行計算，要求對電流電壓收集的同步性進行保證。因為測量空載電流位置處于變壓器高壓側，觸發信號的接入比較困難，并且空載電流測量的位置和高壓側電壓距離比較遠，GPS 時間脈沖信號指的是觸發源，可以同步收集電壓與觸發電流[5]。

3.2 負載損耗帶電測量

在測量變壓器負載損耗的過程中，要對電流、電壓互感器進行收集。利用數據采集系統對繞組三相的電壓、電流進行收集，對數據進行分析處理，得出電壓電流的相位和幅值信息，對負載損耗進行計算。

為了使測試接線、安裝更加方便，通過現場電壓、電流互感器收集電參量。電壓和電流互感器的輸出為0-100V、0-5A，變壓器電能計量互感器的準確度等級為0.2級，能夠使負載損耗計算得到滿足。為了滿足不同繞組連接組別變壓器，測量變壓器線電壓和電流，計算每一項的損耗。使電流和電壓與信號調理箱連接，電壓通過調理箱的分壓網絡收集。對轉換電路進行設置，收集采集卡信號后轉換。收集的電流和電壓能夠利用數據采樣在計算機中傳輸信號，對數據進行分析和處理之后得出變壓器負載損耗[6]。

3.3 加窗差值算法

在實際信號收集的過程中，因為變電站中具有大量電氣設備，并且可能會有自然干擾，電磁環境比較復雜，信號會受到高頻干擾，導致誤差增加。在快速傅立葉變換FFF 信號處理的過程中，只能夠測量有限長信號，頻譜出現畸變，從而產生頻譜泄漏。因為電網頻率運行中會出現波動，在非同步情況下實現采樣，導致柵欄效應，無法使精準測量需求得到滿足。使用信號加窗方法能夠使頻譜泄漏導致的誤差得到降低，使用插值算法能夠降低誤差。

布萊克曼-哈里斯窗為余弦窗，旁瓣每倍頻程衰減的速度比較快，能夠降低各個頻率的成分干擾，使頻譜泄漏得到降低，幅值識別精度得到提高。所以，利用布萊克曼-哈里斯窗實現采集信號加窗，利用插值算法處理信號[7]。

4 電力變壓器損耗測量設備的選擇

4.1 測量中的功率因數范圍

基于GB/T6451能夠得到變壓器空載運行過程中功率因數，在技術水平提升背景下能夠提高試驗功率因數。實現不同容量變壓器的負載試驗，從而得到功率因數。如果實際變壓器負載損耗比規定值要小，那么就降低了功率因數。在變壓器容量和負載試驗功率因數為反比時，負載功率因數在0.008～0.015[8]。

4.2 精密互感器結合瓦特表

為了降低測量系統測試中的不確定度，要提高測量設備的精度。一般精密電流、電壓互感器的最高級別為0.01，但我們還是使用瓦特表測量功率。瓦特表通過肉眼讀數，準確度等級只有0.5級。所以要使0.01級電壓、電流互感器和低功率因數表構成測量系統，使損耗測量精準度得到加強。另外，為了使大型電力變壓器損耗測量不確定度得到降低，使測量精確性得到提高，不使用功率表，可以使用小功率分析儀[9]，表2為不確定度分析。

表2 不確定度分析

4.3 精密互感器結合功率分析儀

假如使用0.01級電流、電壓互感器和功率分析儀，就能夠對變壓器損耗測量結果的不確定度進行分析。通過電壓電流互感器，能夠降低變比最大誤差。利用功率分析儀，電壓和電流的預測最大誤差為±0.03%。然后通過此系統能夠計算擴展不確定度和標準不確定度，利用結果表示，通過0.01級電壓、電流互感器和功率分析儀的配合，能夠控制大型電力變壓器的損耗測量不確定度在2%范圍，使測量精確性得到提高[10]，表3為不確定度分析。

表3 不確定度分析

本文分析了大型電力變壓器損耗測量的方法，對導致出現不確定度的因素進行了刪除。損耗功率因數和不確定度為反比的關系，為了能夠精準測量大型電力變壓器損耗，可以使用0.01級電壓與電流互感器、高精度功率分析儀。針對損耗正校正過程中的不確定度研究表明，在合理選擇測量設備時，損耗測量結果校正的引入不確定度比較小，可以忽略不計。