配電變壓器損耗及容量在線檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究

黃歐 鄒何 楊再學(xué)

(重慶市酉陽縣供電有限責(zé)任公司，重慶 409800)

損耗和容量是配電變壓器的重要性能參數(shù)，反映變壓器的運(yùn)行效率和性能，其檢測對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行、節(jié)能降耗具有重要意義［1－2］。目前，變壓器損耗和容量的檢測都是通過短路試驗(yàn)和空載試驗(yàn)來進(jìn)行，這種離線式檢測需已掛網(wǎng)運(yùn)行的變壓器停電才能進(jìn)行，影響供電的連續(xù)性。近年來，隨著傳感器、集成電路、信息信號處理、通信與計(jì)算機(jī)等技術(shù)的迅速發(fā)展，電力在線檢測取得了很大的進(jìn)展。目前對變壓器在線檢測項(xiàng)目主要包括絕緣油中氣體在線監(jiān)測、變壓器繞組局部放電在線監(jiān)測、變壓器繞組變形在線檢測、介質(zhì)損壞因數(shù)在線監(jiān)測等，對變壓器損耗和容量在線檢測的研究較少。本文針對配電變壓器損耗和容量的在線檢測方法及其具體實(shí)現(xiàn)展開研究。

1 檢測方法

1.1 變壓器損耗檢測方法

按照空載損耗近似為鐵耗，短路損耗為額定電流下的銅耗的原則，忽略附加銅損和鐵損，三相變壓器的鐵耗PFe和銅耗PCu分別為:

式中:UA、UB、UC—一次側(cè)相電壓;

iA、iB、iC—一次側(cè)相電流;

ia、ib、ic—二次側(cè)相電流;

k—變比;

T—交流電周期。

根據(jù)式(1)即可實(shí)現(xiàn)空載損耗和短路損耗的在線檢測。

1.2 變壓器容量檢測方法

本文通過在線測量變壓器的短路阻抗，根據(jù)阻抗電壓法計(jì)算變壓器容量，結(jié)合在線測量的空載損耗和短路損耗數(shù)據(jù)對變壓器實(shí)際容量進(jìn)行判定，三相變壓器各相的短路阻抗為:

式中:ZkA－a、ZkB－b、ZkC－c—A、B、C 相的短路阻抗;

U′A、U′B、U′C—一次側(cè)相電壓的第一次測量值;

U″A、U″B、U"C—一次側(cè)相電壓的第二次測量值;

U′a、U′b、U′c—二次側(cè)相電壓的第一次測量值;

U″a、U″b、U″c—二次側(cè)相電壓的第二次測量值;

I′a、I′b、I′c—二次側(cè)相電流的第一次測量值;

I″a、I″b、I″c—二次側(cè)相電流的第二次測量值;k—變比。

對三相變壓器，可通過三相短路阻抗的平均值來計(jì)算容量，則三相平均短路阻抗表示為:

式(3)計(jì)算得到的短路阻抗需折算到參考溫度下，利用阻抗電壓法計(jì)算變壓器的實(shí)際容量，即

式中:Sn—變壓器的容量;

Un—變壓器額定電壓;

Uk(%)—阻抗電壓;

Zk—參考溫度下的短路阻抗。

2 變壓器損耗及容量在線檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

基于上述分析，構(gòu)建了如圖1所示的變壓器損耗和容量在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過12路數(shù)據(jù)采集通道對互感器副端電壓、電流信號進(jìn)行采集，利用串口將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，最終以圖形化的界面顯示檢測結(jié)果。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對變壓器原副端電壓電流信號的實(shí)時采集，設(shè)計(jì)了以DSP芯片TMS320F2812為核心的數(shù)據(jù)采集裝置，其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 變壓器損耗及容量在線檢測系統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

電壓電流采集前端處理電路是將變壓器二次側(cè)電壓電流轉(zhuǎn)換為TMS320F2812芯片內(nèi)置ADC可以測量的電壓信號，其范圍是0～3V，這部分電路包含了電壓互感器電路、電流互感器、電流－電壓變換電路和電平偏移電路。低通濾波電路的作用是濾除信號中的高頻噪聲與干擾，采用巴特沃斯二階低通濾波器。數(shù)據(jù)采集裝置的核心部件采用了TI公司推出的DSP控制器TMS320F2812。與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，該器件具有功能強(qiáng)、資源豐富、功耗低等突出性能，并集成了閃存、高速ADC、高性能的CAN模塊等。該電路可實(shí)現(xiàn)變壓器原副邊三相電流和電壓的同時采樣，采樣頻率為7.5 kHz，每周期采樣150點(diǎn)，連續(xù)采集5個周期，即每個通道采樣750個點(diǎn)，對三相雙繞組變壓器需采集原副邊電壓電流12路信號，共9000個點(diǎn)。

2.3 上位機(jī)分析軟件

本文基于LabVIEW開發(fā)了變壓器損耗及容量的在線檢測軟件平臺，構(gòu)建了在線檢測系統(tǒng)的軟件主界面，前面板主要包括變壓器參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)接收、變壓器損耗和容量計(jì)算。具體如圖3所示，通過人機(jī)界面，可以方便地實(shí)現(xiàn)變壓器損耗和容量的在線檢測。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺

在實(shí)驗(yàn)室搭建了由配電變壓器、3個自耦調(diào)壓器和3個電爐組成的實(shí)驗(yàn)平臺。試驗(yàn)變壓器為Yyn0連接三相變壓器，銘牌容量5 kVA，額定高壓和額定低壓分別為380 V，空載損耗為75 W，短路損耗為160 W，阻抗電壓為3.6%。試驗(yàn)負(fù)載是3個2 kW的電爐，經(jīng)3個單相調(diào)壓器與變壓器副邊連接，通過對3個單相調(diào)壓器的調(diào)節(jié)，可以模擬不同負(fù)荷下變壓器在線運(yùn)行情況。

圖3 變壓器損耗和容量在線檢測主界面

3.2 離線實(shí)驗(yàn)

為了得到較為準(zhǔn)確的變壓器容量、空載損耗和短路損耗值，作為在線檢測結(jié)果對比的參考依據(jù)，首先進(jìn)行了空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)，根據(jù)變壓器銘牌參數(shù)，計(jì)算得到額定電流為7.57 A?？蛰d試驗(yàn)時，斷開變壓器副端與三個單相調(diào)壓器之間的接線盒開關(guān)，使變壓器副端開路，原端接額定電壓380 V，接通電源，此時測得的功率為空載損耗。短路試驗(yàn)時，變壓器一次側(cè)接與三相調(diào)壓器副端，二次側(cè)在開關(guān)盒處短路，原端三相調(diào)壓器調(diào)至零位，接通電源，通過調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器使原端電流達(dá)到額定電流。此時測得的功率為短路損耗，電壓為短路電壓，空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)測量結(jié)果如表1所示。

表1 空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)結(jié)果(溫度20℃)

由表1可知，實(shí)測空載損耗P0=100 W，短路損耗Pk=130 W，歸算到參考溫度(75℃)下，得到標(biāo)準(zhǔn)溫度下Pk75=158 W。根據(jù)表1計(jì)算得到實(shí)測短路阻抗Zk=0.93 Ω，短路電阻 Rk=0.76 Ω，歸算到參考溫度下Zk75=1.07 Ω，則可根據(jù)公式(4)計(jì)算得到變壓器實(shí)際容量Sn=4.86 kVA。

3.3 在線測量

通過調(diào)節(jié)變壓器三個單相自耦調(diào)壓器，模擬變壓器在不同負(fù)荷下的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)多次測量結(jié)果繪制出鐵耗和銅耗隨負(fù)載變化的趨勢圖(圖4)，并對銅耗和負(fù)載電流做了擬合。從圖中可以看出，鐵耗基本不隨負(fù)載的變化而變化，銅耗近似和負(fù)載電流的平方成正比關(guān)系。在線測量結(jié)果與離線測量結(jié)果對比如表2所示。

表2 在線測量結(jié)果和離線測量結(jié)果對比

圖4 鐵耗和銅耗的變化趨勢圖

從表2中可以看出，在線測量和離線測量誤差較小，證明本文提出的變壓器損耗在線檢測方法是可行的。變壓器容量在線檢測結(jié)果如表3所示。

表3 容量在線測量結(jié)果

由表3可見，測量誤差基本在10%以內(nèi)，滿足工程測量要求。為了降低測量誤差，在實(shí)際測量時可通過多次測量求均值的方法來計(jì)算變壓器實(shí)際容量?？傮w來看，損耗和容量的在線測量結(jié)果與離線測量結(jié)果誤差較小，初步驗(yàn)證了本文提出的損耗和容量的在線檢測方法的可行性。

4 結(jié)語

本文從變壓器的工作原理出發(fā)，在研究變壓器損耗及容量的離線檢測方法的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的在線檢測方法，進(jìn)而構(gòu)建了變壓器損耗和容量在線檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)分析軟件的設(shè)計(jì)、制作以及模擬實(shí)驗(yàn)平臺的搭建，并在此實(shí)驗(yàn)平臺上完成了變壓器損耗和容量的離線測試和在線測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在線測試和離線測試的誤差較小，初步驗(yàn)證了本文提出的變壓器損耗和容量在線檢測方法的可行性。

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