一種配電變壓器溫升自動測量系統(tǒng)的研制

鄭志曜，李 志，勞增江，柯定芳，余紹峰

（浙江華電器材檢測研究所有限公司，杭州 311214）

0 引言

為落實公司“突出配電網(wǎng)建設(shè)改造、提升電網(wǎng)發(fā)展水平”的決策部署，十三五期間有大量的配網(wǎng)設(shè)備入網(wǎng)運行[1]。為保障電網(wǎng)本質(zhì)安全和設(shè)備堅固可靠，入網(wǎng)物資抽檢是配網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量管控工作的重要環(huán)節(jié)。以配電變壓器（簡稱配變）為例，國網(wǎng)浙江省電力有限公司2017年采購量約為14 000余臺[2-3]，抽檢率10%時抽檢量有1 400余臺，這就要求檢測單位月檢測配變量需達100多臺。而在配變抽檢試驗中，溫升試驗耗時最長，油浸式需要8～12 h，干式需要23～26 h。因此，為提高配變檢測效率，在增加溫升試驗裝置的同時，集約化、智能化檢測手段也是必不可少的。

溫升試驗屬于變壓器試驗中的型式試驗，是驗證變壓器設(shè)計結(jié)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)是否合理，考核變壓器使用壽命和安全性的重要試驗[4-5]?，F(xiàn)階段對變壓器溫升試驗的研究很多，但主要集中于工藝設(shè)計和不確定度計算方面，對溫升試驗自動測量方面的研究較少。文獻[6]提到的電力變壓器溫升自動控制只是針對溫升試驗過程中溫度、電流和功率等參數(shù)的實時監(jiān)控和記錄，缺少對溫升結(jié)束時的自動測量和計算；而文獻[7-9]提到的溫升自動測試系統(tǒng)只針對了電子電路類變壓器，試驗過程和計算方法與電力變壓器不符。故提出一種針對配電變壓器溫升試驗的自動測量系統(tǒng)，在溫升過程、測量和計算中均能實時自動控制，真正意義上地做到了一次接線完成整個試驗，減少人為干預(yù)和人力投入，大大提高了試驗效率和試驗成功率。

1 配電變壓器溫升試驗概述

1.1 油浸式配電變壓器溫升試驗

油浸式配電變壓器溫升試驗按照GB 1094.2-2013《電力變壓器第2部分：液浸式變壓器的溫升》中7.3.2的雙繞組變壓器短路試驗法進行[10]，具體試驗方法如下：

（1）施加總損耗階段（第1階段）。當(dāng)施加對應(yīng)于變壓器最大總損耗的試驗電流時，可以測定頂層液體溫升和液體平均溫升。試驗中要監(jiān)測頂層液體和冷卻介質(zhì)的溫度，試驗需持續(xù)進行直到液體的溫升穩(wěn)定為止。當(dāng)頂層液體溫升的變化率小于1 K/h并至少維持3 h時，本試驗階段可以結(jié)束。如果每隔30 min記錄離散的溫度值，則取最后1 h內(nèi)讀數(shù)的平均值作為試驗結(jié)果；若使用自動連續(xù)記錄裝置，則取最后1 h內(nèi)的平均值。

（2）施加額定電流（第2階段）。頂層液體溫升測定之后，應(yīng)立即將試驗電流降至額定電流繼續(xù)試驗。持續(xù)1 h，在此期間應(yīng)至少每間隔5 min記錄1次頂層液體、繞組熱點（如果測量）和外部冷卻介質(zhì)的溫度。施加額定電流1 h結(jié)束時，應(yīng)迅速切斷電源和斷開短路接線，測量2個繞組的電阻（最好在1 min之內(nèi)讀取第1個電阻值）。

1.2 干式配電變壓器溫升試驗

干式配電變壓器溫升試驗按照GB 1094.11-2007《電力變壓器第11部分：干式變壓器》中23.2.1的模擬負載法進行[11]，具體試驗方法如下：

（1）先進行空載試驗。在變壓器低壓側(cè)施加額定電壓，監(jiān)測鐵心和高低壓側(cè)繞組溫度。當(dāng)鐵心和繞組溫度的變化率小于1 K/h并至少維持3 h時，空載下的溫升試驗可以結(jié)束，測量并記錄斷電瞬間2個繞組的電阻值。

（2）再進行負載試驗。變壓器低壓側(cè)短路，高壓側(cè)施加額定電流，監(jiān)測鐵心和高低壓側(cè)繞組溫度。當(dāng)鐵心和繞組溫度的變化率小于1 K/h并至少維持3 h時，負載下的溫升試驗可以結(jié)束，測量并記錄斷電瞬間2個繞組的電阻值。最后，根據(jù)兩種試驗接線方法下各自測得的高低壓側(cè)繞組溫升，通過修正公式計算得到干式配電變壓器的最終溫升結(jié)果。

2 溫升自動測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 溫升自動測量操作流程設(shè)計

溫升自動測量是指變壓器在完成試驗準(zhǔn)備布置和試驗接線后，在送電過程中能自動監(jiān)測各測溫點溫度，并對異常狀況能報警斷電，同時能實時控制試驗過程中的總功率、電流或電壓等變量，自動判斷溫升是否穩(wěn)定，最后能自動斷電和測量熱電阻阻值，得出溫升計算結(jié)果并給出試驗結(jié)論。

油浸式配變和干式配變的操作流程設(shè)計如圖1和圖2所示。

圖1 油浸式配變操作流程

2.2 軟件架構(gòu)與界面設(shè)計

配變溫升自動測量系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

配變溫升自動測量系統(tǒng)軟件是基于VC6.0下MFC模塊編程環(huán)境實現(xiàn)的。上位機顯示主界面與數(shù)據(jù)計算界面分別如圖4和圖5所示。

圖2 干式配變操作流程

圖3 溫升自動測量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖4 上位機顯示主界面

2.3 系統(tǒng)硬件配置與實現(xiàn)

主要測試儀器設(shè)備與工控機計算機、變壓器測量控制單元、被試品配變之間的基本連接如圖6所示。系統(tǒng)可支持測試設(shè)備的多種擴展接口，包括LAN，USB，RS-232，RS-485等。

由圖6可知，配變高壓側(cè)接有三相負載輸出，同時AB2個端子接有直流電阻測試儀高壓輸出端；低壓側(cè)接有軟銅導(dǎo)線并搭配接觸器，同時ab 2個端子接有直流電阻測試儀低壓輸出端，其中接觸器在送電過程中常閉用于短接低壓側(cè)繞組，斷電后接觸器斷開同時導(dǎo)通直流電阻測試儀電源，切換成熱電阻測量模式。該接線方法能滿足試驗前一次接線后，試驗過程和溫升測量過程均能通過工控機自動控制實現(xiàn)。

配變溫升試驗現(xiàn)場接線布置如圖7所示。

3 溫升自動測量系統(tǒng)驗證

配變溫升自動測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)溫升低壓側(cè)銅排短接方法存在區(qū)別，但低壓側(cè)軟銅線和接觸器帶來的額外電阻和損耗是否影響溫升結(jié)果準(zhǔn)確度；直流電阻測試儀接線端試驗過程中長時間接在變壓器端子上，其斷電后電阻測量是否與傳統(tǒng)電阻測量結(jié)果相符需要進一步研究。以S13-M-200/10油浸式配電變壓器溫升試驗為例，分別按照溫升自動測量系統(tǒng)和傳統(tǒng)溫升試驗方法進行溫升試驗，2次測得的溫升結(jié)果如表1所示。

由表1可知，2種試驗方式下的溫升結(jié)果誤差最大為1 K，小于傳統(tǒng)溫升不確定分析的約2 K誤差[12-14]，說明配變溫升自動測量系統(tǒng)溫升結(jié)果在可接受范圍內(nèi)，滿足試驗要求。

此外，相比于傳統(tǒng)手動式拆接線的溫升試驗方法，溫升自動測量系統(tǒng)在以下方面更具優(yōu)越性：

（1）斷電后熱電阻測量速度更快，繞組斷電瞬間平均溫度擬合值更精確。

（2）降低了在溫升熱電阻測量過程中拆線帶來的延時誤差、熱態(tài)電阻測量誤差以及重復(fù)性誤差等多方面不確定度誤差來源。

（3）系統(tǒng)具備更完善的安全警報防護措施，避免儀器和被試品發(fā)生過流、過壓、溫度超限等異常情況。

（4）通過系統(tǒng)實現(xiàn)的溫升試驗原則上只需1人完成試驗前接線，試驗過程全自動控制，試驗結(jié)果自動測量計算，將人力從單一冗長的試驗中解放出來，提高了工作效率。

圖5 上位機數(shù)據(jù)計算界面

圖6 溫升自動測量系統(tǒng)主要儀器設(shè)備連接示意

圖7 溫升自動測量系統(tǒng)現(xiàn)場接線

4 溫升自動測量系統(tǒng)誤差分析

結(jié)合溫升試驗實際情況，在不考慮硬件儀器本身帶來的測量誤差外，配變溫升自動測量系統(tǒng)的誤差主要來自于冷電阻和熱電阻測量所帶來的誤差。

表1 溫升結(jié)果對比

熱電阻測量誤差主要源自直流電阻測試儀的測試線夾端子是否可靠接觸了變壓器端子，如果存在虛接、誤觸則會使直阻儀不能充電測量或者測出的電阻值有誤。此外，直阻儀的通訊接口與工控機是否可靠連接也是影響試驗成功率的因素之一。

冷電阻測量誤差主要源自冷態(tài)環(huán)境下的油頂層溫度是否正確。已知繞組電阻與溫度換算公式如式（1）所示。

式中：t1和r1為冷態(tài)溫度和冷態(tài)電阻；t2和r2為熱態(tài)溫度和熱態(tài)電阻；k為電阻溫度常數(shù)，銅線時取235。

若此時冷態(tài)溫度測量值變?yōu)閠1+Δt1，即引進測量誤差 Δt1， 帶入式（1）得到新的熱態(tài)溫度 t2′，如式（2）所示。

將t2′減去t2，得到熱態(tài)溫度誤差Δt2如式（3）所示。

考慮企業(yè)節(jié)約配變制造成本，在配變溫升時其繞組平均溫升會略小于標(biāo)準(zhǔn)臨界值65 K。這里假設(shè)繞組平均溫升為60 K，則熱態(tài)溫度t2為t1+60℃，代入式（1）和式（3），得到熱態(tài)溫度誤差Δt2與冷態(tài)溫度誤差 Δt1之比為（t1+295）/（t1+235）。 由此可以看出，冷態(tài)溫度越低時，反映到最后的熱態(tài)溫度誤差越大。假設(shè)t1為20℃，當(dāng)冷態(tài)溫度測量誤差為1℃時，帶來的熱態(tài)溫度誤差為1.24℃。因此，在冷電阻測量過程中，冷態(tài)環(huán)境下油頂層溫度的測量準(zhǔn)確度是影響溫升試驗結(jié)果的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)冷態(tài)溫度測量有較大誤差時，很可能會造成原本合格的溫升結(jié)果變?yōu)椴缓细瘛?/p>

5 結(jié)語

以上研究的配電變壓器溫升自動測量系統(tǒng)，把微計算機控制技術(shù)引入變壓器溫升試驗，結(jié)合溫升試驗流程，從軟件和硬件上實現(xiàn)了溫升試驗的自動控制、測量與計算。相比于傳統(tǒng)手動式拆接線溫升試驗，溫升自動測量系統(tǒng)免去了試驗中的人工干預(yù)，試驗過程和測試過程更自動智能，解放了人力并提高了工作效率，同時保證溫升試驗的成功率和穩(wěn)定性。最后，分析了溫升自動測量過程中可能帶來的誤差來源，提出了熱電阻和冷電阻測量的注意事項，確保溫升結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

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