關(guān)于變壓器現(xiàn)場空載試驗(yàn)和負(fù)載試驗(yàn)的技術(shù)開發(fā)

[摘 要] 變壓器是電力系統(tǒng)特別是發(fā)電站、變電站的最重要的設(shè)備，變壓器如果產(chǎn)生故障很有可能影響到大面積的中斷供電，所以，變壓器的試驗(yàn)在設(shè)備投運(yùn)前具有十分重要的意義。文章主要分析變壓器空載試驗(yàn)及負(fù)載試驗(yàn)的技術(shù)研究，給現(xiàn)場變壓器的試驗(yàn)提供一些技術(shù)支持。

[關(guān)鍵詞] 變壓器；空載及負(fù)載；技術(shù)

[作者簡介] 蔣海平， 廣西送變電建設(shè)公司助理工程師，研究方向：變電站高壓試驗(yàn)技術(shù)及變電站工程施工管理，廣西 南寧，530031

[中圖分類號(hào)] TM406 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）06-0025-0005

近十年來，電力的迅猛發(fā)展，使得我們對(duì)電力設(shè)備的要求越來越高，因此，為保證變壓器的安全運(yùn)行，就要把缺陷排除在運(yùn)行之前。通過對(duì)變壓器的各種生產(chǎn)試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)及現(xiàn)場交接試驗(yàn)，大部分的變壓器缺陷都能在運(yùn)行之前排除，特別是大型特殊試驗(yàn)如：耐壓試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)、繞組變形試驗(yàn)、空負(fù)載試驗(yàn)對(duì)變壓器的考核甚為重要。因此，一套合適準(zhǔn)確的試驗(yàn)技術(shù)在變壓器的空負(fù)載試驗(yàn)中能準(zhǔn)確判斷出變壓器的實(shí)際缺陷，同時(shí)綜合其他試驗(yàn)項(xiàng)目，能夠準(zhǔn)確判斷變壓器本身的缺陷和問題，進(jìn)而使得整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定。

一、試驗(yàn)內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)

變壓器的空載試驗(yàn)，是從變壓器的任一側(cè)繞組施加正弦波額定頻率的交流電壓，其他側(cè)繞組開路，測量變壓器的空載損耗和空載電流的試驗(yàn)；短路試驗(yàn)是將變壓器一側(cè)繞組（通常是低壓側(cè)）短路，而從另一側(cè)繞組（分接頭在額定電壓位置上）加入額定頻率的交流電壓，變壓器繞組內(nèi)的電流為額定值，測量變壓器的短路阻抗和負(fù)載損耗。試驗(yàn)的關(guān)鍵問題是試驗(yàn)電源，特別是短路試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)由于施加的電壓高、電流大、功率因素低，這兩項(xiàng)試驗(yàn)均要求大容量的試驗(yàn)電源及試驗(yàn)設(shè)備，現(xiàn)場條件難以解決，廣西中試所在芙蓉變和雷村變對(duì)主變進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)向供電局借用了400kVA的所用變才解決電源容量的問題。變壓器的空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)可采用三相或單相電源進(jìn)行試驗(yàn)，變壓器經(jīng)過三相空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)后，如發(fā)現(xiàn)有異常，應(yīng)采用單相試驗(yàn)，通過對(duì)各相試驗(yàn)參數(shù)的對(duì)比，觀察損耗在各相的分布情況，以檢查各相繞組或磁路中有無局部缺陷，確定故障相?，F(xiàn)場試驗(yàn)可用三相或單相試驗(yàn)電源進(jìn)行；空載試驗(yàn)時(shí)電壓可用額定電壓或較低電壓（如5%），短路試驗(yàn)時(shí)電流可加較低電流（如10%）。為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)開支，提高試驗(yàn)設(shè)備的利用率，現(xiàn)根據(jù)廣西送變電建設(shè)公司具有變壓器局部放電試驗(yàn)所用的300kVA的BPD-300型試驗(yàn)電源，用電容器組對(duì)試品進(jìn)行無功補(bǔ)償，降低試驗(yàn)容量的單相試驗(yàn)方法。

二、三相變壓器采用單相電源變壓器空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)方案

（一）技術(shù)方案

1. 三相變壓器的單相電源的短路試驗(yàn)

試驗(yàn)方法是將低壓側(cè)三相的線端短路連接，在高壓側(cè)加單相電源進(jìn)行三次測量，對(duì)于常用Y/d和Y/y接線的變壓器，將低壓側(cè)短路，在高壓側(cè)的一對(duì)線端上依次加壓，當(dāng)施加的電流為額定值時(shí)，測得的數(shù)值按下式換算成三相短路損耗Pk和阻抗電壓Uk。

式中， P■、P■、P■——每次測得的兩相短路損耗；

U■、U■、U■——每次測得的阻抗電壓。

如施加的電流小于額定值，可先按下式換算成額定電流下的數(shù)值：

式中，Pk——在電流I'下測得的短路損耗；

Uk——在電流I'下測得的短路電壓。

2. 三相變壓器的單相電源的空載試驗(yàn)

（1）加壓繞組為 連接（a-y，b-z，c-x）

采用單相電源，依次在ab、bc、ca相加壓，非加壓繞組應(yīng)依次短路。測得的損耗按下式計(jì)算：

式中，Poab、P0bc、Poca——ab、bc、ca三次測得的損耗。

空載電流按下式計(jì)算：

（2）加壓繞組為Y連接

采用單相電源，依次在ab、bc、ca相加壓，非加壓繞組應(yīng)依次短路，若無法對(duì)非加壓繞組短路時(shí)，則必須將二次繞組的相應(yīng)相短路，施加的電壓為二倍相電壓。測得的損耗仍上式計(jì)算。

空載電流按下式計(jì)算：

3. 試驗(yàn)接線

圖1是對(duì)Y /Yn/yn接線的變壓器高對(duì)低壓繞組的短路阻抗及負(fù)載損耗試驗(yàn)接線圖，被試變壓器的加壓方法可根據(jù)變壓器結(jié)構(gòu)形式和測試項(xiàng)目更換試驗(yàn)接線。

（二）試驗(yàn)設(shè)備方案

圖1中各設(shè)備的參數(shù)選擇如下：

1. BPD-變頻電源（現(xiàn)有）

額定輸出容量：300kVA 輸出電壓：0～380V 輸出電流：0～800A

電源輸入：三相380V 輸出電源頻率：30～100Hz連續(xù)可調(diào)。

2. 移圈式調(diào)壓器操作電源（現(xiàn)有）：

額定容量：250kVA 額定輸出電壓：兩相380V

3. 中間試驗(yàn)變壓器1#（現(xiàn)有）

低壓繞組額定電壓：2×380V 高壓繞組額定電壓：2×37000V

低壓繞組額定電流：395A 高壓繞組額定電流：4A

額定容量：300kVA

變壓比：（1）高壓串聯(lián)，低壓并聯(lián)：2×37000V /380V

（2）高壓串聯(lián)，低壓串聯(lián)：2×37000V /2×380V

（3）高壓并聯(lián)，低壓串聯(lián)：37000V /2×380V

（4）高壓并聯(lián)，低壓并聯(lián)：37000V /380V

4. 中間試驗(yàn)變壓器2#

高低壓側(cè)均采用雙繞組，可通過串聯(lián)、并聯(lián)接線得到三種不同的變比。

低壓繞組額定電壓：2×400V 高壓繞組額定電壓：2×6500V

低壓繞組額定電流：375A 高壓繞組額定電流：25A

額定容量：300kVA

變壓比：（1）高壓串聯(lián)，低壓并聯(lián)：2×6500V /400V

（2）高壓串聯(lián)，低壓串聯(lián)：2×6500V /2×400V

（3）高壓并聯(lián)，低壓串聯(lián)：6500V /2×400V

（4）高壓并聯(lián)，低壓并聯(lián)：6500V /400V

5. 電容器組

電容器單元件：

電容器組在5.5kV時(shí)的最大電容量組合為272？滋F，在11kV時(shí)的最大電容量組合為68？滋F，在22kV時(shí)的最大電容量組合為17？滋F。

（1）電流互感器：額定電壓：35kV，變比：5、10、50、100、200A/5 A 準(zhǔn)確級(jí)：0.2級(jí)以上

（2）電壓互感器：額定一次電壓：35kV 額定二次電壓：100V 準(zhǔn)確級(jí)：0.01級(jí)

（3）數(shù)字式功率分析儀：選用適合于大容量變 壓器損耗測量用的功率分析儀，在極低功率因素（0.02）下仍有較高的準(zhǔn)確度。

（三）試驗(yàn)方案論證

1. 武鳴雷村變主變壓器

（1）變壓器技術(shù)參數(shù)

型號(hào)：SFSZ9-120000/220 額定電壓：220 81.25%/121/10.5kV

聯(lián)接組別：YN. yno.d11 額定電流：314.9/572.6/3299.1A

空載電流：0.06% 空載損耗：53.6kW

短路阻抗及負(fù)載損耗：

（2）空載試驗(yàn)

空載設(shè)備選擇從低壓側(cè)加壓，依次在ab、bc、ca相加壓，非加壓繞組應(yīng)依次短路（即bc、ca、ab）。

單相試驗(yàn)時(shí)空載電流按下式計(jì)算：

Io%=0.289（Ioab+Iobc+Ioca）/In 100%

假設(shè)試驗(yàn)時(shí)Ioab=Iobc=Ioca，則單相試驗(yàn)時(shí)的空載電流為：

Ioab=Iobc=Ioca=（In×Io%）/（0.289×3×100）=（3299.1×0.06）/（0.289×3×100）=2.28A

試驗(yàn)電源容量為：S=10.5×2.28=24kVA

試驗(yàn)方案中的變頻電源容量為300kVA，調(diào)壓器操作電源容量為250kVA，電源容量為試驗(yàn)容量的10～12倍，滿足試驗(yàn)的要求。

（3）短路試驗(yàn)

高壓對(duì)中壓：

假設(shè)試驗(yàn)時(shí)變壓器分接檔為9B檔，試驗(yàn)時(shí)阻抗電壓UkAB=UkBC=UkCA ，則單相試驗(yàn)時(shí)在In=314.9A下施加的電壓為：UkAB=UkBC=UkCA =（2×220×40.55）/（100×1.732）=36.68kV

下表3是單相試驗(yàn)時(shí)所施加的電壓電流對(duì)應(yīng)表。

由于短路試驗(yàn)的功率因率很?。ù笮妥儔浩骷s為0.05以下），忽略短路損耗的影響，采用電容器組進(jìn)行全補(bǔ)償?shù)碾娙萘繛椋篊=314.9/（3.14 2 50 36680）=27.34 ？滋F。試驗(yàn)時(shí)電容器組采用4只20？滋F，4只5 ？滋F，4只2？滋F的電容器組成電容量為27？滋F、額定電壓為11kV電容器組進(jìn)行補(bǔ)償，中間變壓器2#采用高壓串聯(lián)，低壓并聯(lián)，變壓比為2×6500V /400V，可施加25%至30%額定電流的短路試驗(yàn)。

高壓對(duì)低壓：

假設(shè)試驗(yàn)時(shí)變壓器分接檔為9B檔，試驗(yàn)時(shí)阻抗電壓UkAB=UkBC=UkCA ，則單相試驗(yàn)時(shí)在In= 157.45A（額定容量為60000kVA）下施加的電壓為：UkAB=UkBC=UkCA =（2×220×40.55）/（100×1.732×2）=51.5kV

下表4是單相試驗(yàn)時(shí)所施加的電壓電流對(duì)應(yīng)表。

忽略短路有功損耗的影響，采用電容器組進(jìn)行全補(bǔ)償?shù)碾娙萘繛椋篊=157.45/（314 51500）= 9.74？滋F。試驗(yàn)時(shí)電容器組采用4只10 ？滋F和4只30？滋F電容器組成電容量為10？滋F的22kV電容器組進(jìn)行補(bǔ)償，中間變壓器1#采用高壓并聯(lián)，低壓串聯(lián)，變壓比為37000V /760V，可施加30%至40%額定電流的短路試驗(yàn)。

中壓對(duì)低壓：

假設(shè)試驗(yàn)時(shí)變壓器阻抗電壓UkAB=UkBC=UkCA ，則單相試驗(yàn)時(shí)在In=286.3A（額定容量為60000kVA）下施加的電壓為：UkAB=UkBC=UkCA =（2×121×25.63）/（100×1.732×2）=17.9kV

下表5是單相試驗(yàn)時(shí)所施加的電壓電流對(duì)應(yīng)表。

忽略短路有功損耗的影響，采用電容器組進(jìn)行全補(bǔ)償?shù)碾娙萘繛椋篊=286.3/（314 17.9）=50.94？F。試驗(yàn)時(shí)電容器組采用1只30？滋F、1只20？滋F、1只1？滋F電容器組成電容量為51？滋F的11/2kV電容器組進(jìn)行補(bǔ)償，中間變壓器2#采用高壓并聯(lián)，低壓并聯(lián)，變壓比為2×6500V /2×400V，可施加30%至40%額定電流的短路試驗(yàn)。

（4）結(jié)論：上述方案可滿足大型220kV三相三繞組變壓器100%空載試驗(yàn)和20%至40%額定電流的短路試驗(yàn)。

2. 百色變500kV變壓器

（1）變壓器參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

型號(hào)：SFSZ9-250000/500 額定電壓：525√3/230√3∕36kV

相數(shù)：單相 額定電流：824.8/1882.7/2222.2A

空載電流：0.06% 空載損耗：53.6kW

（2）空載試驗(yàn)

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)施加100%試驗(yàn)電壓時(shí)，低壓側(cè)施加的試驗(yàn)容量為：

S=36 1.642 2=118.224kVA

試驗(yàn)方案中的變頻電源容量為300kVA，調(diào)壓器操作電源容量為250kVA，在沒有采用補(bǔ)償?shù)那闆r下電源容量為試驗(yàn)容量的2倍，可滿足試驗(yàn)的要求。

（3）短路試驗(yàn)

由廠家出廠試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)所施加電壓電流的線性關(guān)系可列出在不同電流下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表6所示：

高壓-中壓

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)施加試驗(yàn)電流為30%的In時(shí)（162.8A），忽略短路有功損耗的影響，采用電容器組進(jìn)行全補(bǔ)償?shù)碾娙萘繛椋篊=162.8/（314 5048）=102.7？滋F。試驗(yàn)時(shí)中間試驗(yàn)變壓器采用變壓比為6500V/400V，電容器組為2個(gè)30？滋F電容器，2個(gè)20？F電容器，1個(gè)2？滋F的電容器并聯(lián)，可進(jìn)行20%In電流的試驗(yàn)。

高壓-低壓

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)施加試驗(yàn)電流為30%的In時(shí)（78.6A），采用電容器組進(jìn)行全補(bǔ)償?shù)碾娙萘繛椋篊=78.6/（314 13278）=18.85？滋F。試驗(yàn)時(shí)中間試驗(yàn)變壓器采用變壓比為13000V/400V，電容器組為4個(gè)10？滋F電容器，4個(gè)5？滋F電容器，4個(gè)2？滋F的電容器， 4個(gè)1？滋F的電容器組成額定電壓為11kV、電容量為18？滋F的電容器組，可施加約25%In電流的試驗(yàn)。

中壓-低壓

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)施加試驗(yàn)電流為30%的In時(shí)（180.72A），采用電容器組進(jìn)行全補(bǔ)償?shù)碾娙萘繛椋篊=180.72/（314 3539.4）=162？滋F。試驗(yàn)時(shí)中間試驗(yàn)變壓器采用變壓比為6500V/400V，電容器組為4個(gè)30？滋F電容器，2個(gè)20？滋F電容器，1個(gè)2？滋F的電容器， 4個(gè)1？滋F的電容器組成額定電壓為11/2kV、電容量為162？滋F的電容器組，可施加約40%In電流的試驗(yàn)。

（4）結(jié)論

上述方案可滿足大型500kV單相變壓器100%空載試驗(yàn)和20%至40%額定電流的短路試驗(yàn)。

三、最終成果及性能指標(biāo)

項(xiàng)目的技術(shù)成果、經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、無形效率等指標(biāo)主要表現(xiàn)在如下幾方面：

1. 本項(xiàng)目成功實(shí)施后，在變電分公司原有試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上配套，廣西送變電建設(shè)公司將能夠按廣西電力有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)大型電力變壓器進(jìn)行現(xiàn)場空載試驗(yàn)及短路試驗(yàn)，也是廣西第二家能進(jìn)行此項(xiàng)目試驗(yàn)的單位，有利于開拓電力設(shè)備交接試驗(yàn)及預(yù)防性試驗(yàn)市場。

2. 整套試驗(yàn)裝置的技術(shù)指標(biāo)（表7）

（三）項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本試驗(yàn)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)成本約35萬元，項(xiàng)目完成投入使用后，按目前電力建設(shè)的形勢估算，每年應(yīng)有不低于5臺(tái)的變壓器進(jìn)行試驗(yàn)，每臺(tái)變壓器的試驗(yàn)費(fèi)用參照《電力建設(shè)工程預(yù)算定額 調(diào)試工程（2006年版）》每臺(tái)共計(jì)4萬元，每臺(tái)變壓器試驗(yàn)的成本支出約為：運(yùn)輸費(fèi)用（4500元）+吊車費(fèi)用（1600元）+試驗(yàn)人員工資（4人 3天 250元） 1萬元，每臺(tái)變壓器試驗(yàn)的利潤為3萬元，年收益就有15萬元，也就是只需兩年多的時(shí)間項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)成本即可回收。

四、結(jié) 語

通過技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目活動(dòng)，可提高廣西送變電建設(shè)公司在變壓器試驗(yàn)的技術(shù)水平，同時(shí)希望能夠激發(fā)調(diào)試人員的創(chuàng)造性及思維性，在以后的工作中不斷探討新的試驗(yàn)方法，新的試驗(yàn)技術(shù)，取得新的技術(shù)成果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李建明，朱康.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2001.