基于GB和IEC及IEEE標準探討變壓器短路試驗及計算方法

何東升，苗本健，姚云濤

(1.國家智能電網輸配電設備質量監(jiān)督檢驗中心，廣東 東莞 523325；2；云南通變電器有限公司，云南 通海 652700)

基于GB和IEC及IEEE標準探討變壓器短路試驗及計算方法

何東升1，苗本健1，姚云濤2

(1.國家智能電網輸配電設備質量監(jiān)督檢驗中心，廣東 東莞 523325；2；云南通變電器有限公司，云南 通海 652700)

介紹了電力變壓器短路試驗的基本情況，概述了國內外三個標準中電力變壓器短路試驗方法的差異性，通過方法溯源和公式推導，提供了不同頻率和溫度等測試條件下折算短路電流的計算方法。此研究對電力變壓器短路試驗方法及準確計算具有一定的指導意義，且進一步保證了短路試驗考核的公正性和準確性。

標準；變壓器；短路試驗；計算方法；絕緣

1 引言

變壓器短路承受能力試驗，俗稱“突發(fā)短路試驗”，是專門用于檢驗變壓器承受短路事故能力的特殊試驗，是對變壓器制造的綜合技術能力和工藝水平的考核，利用試驗中強短路電流產生的電動力檢驗變壓器器身和各種導電部件的機械強度和熱應力，其目的是為了考核變壓器的動熱穩(wěn)定性。因此，突發(fā)短路試驗是保證變壓器抗短路能力的一項十分重要的特殊試驗[1]。目前，我國變壓器短路試驗所遵循的GB(國標)標準是等效采用IEC(International Electrotechnical Commission，國際電工委員會)標準，而與IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣和電子工程師協(xié)會)標準之間存在一定差異。由于在短路試驗過程中試驗頻率不同(分別為50Hz和60Hz)，短路電流必須進行折算，折算方法的正確性將直接影響到短路試驗考核的真實性和有效性。

2 電力變壓器短路試驗簡述

目前電力變壓器短路試驗，國內主要遵循標準為GB1094.1-2013《電力變壓器第1部分 總則》和GB1094.5-2008《電力變壓器第5部分 承受短路的能力》，分別等效采用對應于IEC標準為IEC60076-1-2011《Power transformers -Part 1:General》和IEC60076-5-2006《Power transformers-Part 5:Ability to withstand short circuit》，而美國主要遵循標準為IEEE C57.12.00-2010《 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配電源和調壓變壓器的標準通用要求)》和IEEE C57.12.90-2010《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配電源和調壓變壓器的標準試驗規(guī)程)》。由于國標等效采用IEC標準，其試驗方法和折算方法都完全一致，但對應于美標，由于試驗頻率、參考溫度和系統(tǒng)阻抗不同，折算方法有所不同。

3 短路試驗基本情況

GB1094.5-2008《電力變壓器第5部分 承受短路的能力》(等同于IEC60076-5：2006)是目前國內變壓器產品短路承受能力試驗現行所遵循的標準。根據此標準，短路試驗可采用兩種方式[2]：(1)先短路法：即在變壓器的二次側預先短路，然后在一次側進行勵磁，如圖1所示。這種方法為了盡可能地避免鐵心飽和以及在試驗最初的幾個周期中產生過大的的磁化涌流疊加到短路電流上，而要求電源施加在離鐵心柱最遠的繞組上。此方法與IEEE Std C57.12.90-2010的12.2.1條“根據現有的電源電壓，由于二次側故障最嚴密反映了系統(tǒng)的故障狀態(tài)，故應優(yōu)先采用二次側施加短路故障?！狈椒ㄒ恢?。

圖1 先短路法試驗接線圖

(2)后短路法：即變壓器一次繞組施加勵磁電壓，二次繞組利用短路裝置進行短路的方式，如圖2所示。這種方式更接近實際運行狀態(tài)，與運行中變壓器實際遭受短路故障一樣，沒有涌流的影響。

圖2 后短路法試驗接線圖

4 國內外標準短路試驗方法比較

三個標準對試驗的要求存在一定差異，其差異性詳見表1所示。

表1 GB和IEC及IEEE標準試驗方法比較[1]～[8]

注1：本表僅針對應用最為廣泛的油浸式電力變壓器進行研究討論，GB和IEC標準也適用于干式變壓器；

注2：本表中美標主要指IEEE C57.12.90-2010和IEEE C57.12.00-2010。

以上表格內容顯示，美標對于短路試驗的要求規(guī)定得更為明確詳細，但三者之間并無本質性差異，在試驗中可以相互借鑒參考。

5 電力變壓器短路計算方法比較

5.1 國標短路計算方法

由于目前國內試驗電源和應用系統(tǒng)都為50Hz頻率，所以僅需折算到對應參考溫度下即可，國標GB1094.5-2008標準中第4.1節(jié)對于短路電流的計算給出了詳細的計算公式，考慮到下章節(jié)將對美標短路電流計算進行詳細推導，所以不再贅述。

5.2 IEC標準短路計算方法

國標GB1094.5-2008等效采用標準IEC60076-5-2008版本，短路電流計算方法也完全一致，所以不再贅述。

5.3 IEEE標準短路計算方法

5.3.1 負載損耗的計算

根據美標，負載損耗必須折算到參考溫度85℃下，結合國內目前測試電源都為50Hz，所以，測試的負載損耗還必須進行頻率折算。根據產品信息和測試結果，可以獲取以下已知信息，如表2所示。

表2 銘牌信息及測試數據

電力變壓器負載損耗中包含直流電阻損耗和附件損耗，其中直流電阻損耗與溫度成正比，與頻率無關；而附件損耗與溫度成反比，與頻率為1.34倍關系(依據IEEE Std C57.12.90-2010附錄B.2)。

直流電阻總損耗：

(1)

溫度系數k：

k=(235+85)/(235+t1)

(2)

校準到參考溫度85℃下額定電流的電阻總損耗：

∑I2R850=k×(I2r/Ik)2×∑I2Rt

(3)

環(huán)境溫度t℃下50Hz測試時額定電流的附加損耗PFt：

PFt=Pkt-∑I2Rt

(4)

(5)

(6)

(7)

5.3.2 短路阻抗的計算

變壓器的短路阻抗中包括有功分量(電阻分量)和無功分量(電抗分量)，其中有功分量和溫度有關，需要校正到參考溫度，與頻率無關，無需頻率校正；而無功分量與溫度無關，無需溫度校正，與頻率成正比，需進行頻率校正。

試驗溫度下短路阻抗的有功分量zrt：

zrt=Pkt/(10SN)%

(8)

試驗溫度下短路阻抗zkt：

zkt=(Ukt/Ur)×(Ir/Ik)

(9)

在參考溫度85℃下的短路阻抗有功分量：

zr850=Pk850/(10SN)%

(10)

50Hz下短路阻抗的無功分量不隨溫度改變，無功分量為：

(11)

(12)

60Hz下在參考溫度85℃下的短路阻抗：

(13)

5.3.3 短路電流的計算

(14)

60Hz下參考溫度85℃下變壓器的短路阻抗(二次側)：

(15)

60Hz下參考溫度85℃下變壓器的短路阻抗Z″T(一次側)：

Z″T=Z′+n2=Z′×(U1r/U2r)2

(16)

一次側(高壓側)對稱電流ISC(HV)：

(17)

二次側(低壓側)對稱電流ISC(LV)：

ISC(LV)=ISC(HV)×n2=ISC(HV)×(U1r/U2r)2

(18)

二次側電阻RLV：

(19)

二次側電抗XLV：

(20)

峰值系數K：

K=XLV/RLV

(21)

查表IEEE Std C57.12.00-2010表14并計算得二次側非對稱電流：

一次側非對稱電流ISC(HR)pk：

ISC(HV)pk=KISC(HV)

(22)

二次側非對稱電流ISC(LV)pk：

ISC(LV)pk=KISC(LV)

(23)

6 結論

根據以上的討論分析，由于地域不同，國情有別，對于電力變壓器短路試驗方法，在GB1094.5-2008和 IEC60076-5-2008以及 IEEE C57.12.90-2010三個標準中，雖然有一定的差異，但三者之間并無本質性差異，在試驗中可以相互借鑒參考。對于不同頻率、溫度和系統(tǒng)阻抗等測試條件下試驗，短路電流的計算必須進行折算，已確保短路電流的準確性和測試考核的公正性。

[1] GB1094.1-2013電力變壓器第1部分 總則[S].2004.

[2] GB1094.5-2008 電力變壓器第5部分 短路[S].2008.

[3] JB/T501-2006 電力變壓器試驗導則[S].2006.

[4] IEC60076-1-1993《Power transformers-Part 1:General》[S].1993,3,1.

[5] IEC60076-2-1993《Power transformers-Part 2:Temperature rise》[S].1993,4.

[6] IEC60076-2-2011《Power transformers-Part 2:Temperature rise》[S].2011,2.

[7] ANSI/IEEE C57.12.00-2006《 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers》[S].IEEE-SA標準委員會批準,2006,9.

[8] ANSI/IEEE C57.12.90-1999《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers》[S].IEEE標準委員會批準,1999,6.

[9] 胡啟凡，保定天威保變電氣股份有限公司.變壓器試驗技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

Discussion on Power Transformer Temperature-rise Test and Calculation Methods Based on the GB,IEC and ANSI Standard

HE Dong-sheng1,MIAO Ben-jian1,YAO Yun-tao2

(1.China National Quality Supervision and Testing Center for Mid-low Voltage Transmission and Distribution Equipment,Dongguan 523325,China;2.Yunnan Tongbian Apparatus Co.,Ltd,Tonghai 652700,China)

This paper introduces the current situation of power transformer temperature-rise test,and discusses the methodological differences in three standards,namely GB,IEC and ANSI,at home and abroad.Through traceability and formula derivation,the consistency of the final result of these three standard calculation methods has been verified.This study has great significance to power transformer temperature-rise test method,and further ensure the accuracy of the temperature-rise test results.

standard；transformer；temperature-rise test；calculation method；insulation

1004-289X(2017)01-0020-04

國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃項目(計劃編號：2016QK026)

TM406

A

2016-01-04

何東升(1978-)，男，湖南衡陽人，高級工程師，碩士研究生，主要從事能源與動力系統(tǒng)中電力電子及其控制的應用和高低壓電器產品的試驗、認證與研發(fā)； 苗本健(1969-)，男，漢族，河南鄭州人，教授級高工，長期從事高低壓電器的技術研究和檢測認證。 姚云濤(1973-)，男，漢族，云南通海人，工程師，長期從事變壓器的技術開發(fā)研究和檢測。