組合式變壓器三相直流電阻測(cè)量的研究

袁乙專，趙 紅，毛啟武

（明珠電氣股份有限公司，廣東廣州 511400）

0 引言

組合式變壓器是將變壓器器身、負(fù)荷開關(guān)、熔斷器等在油箱中進(jìn)行組合的變壓器，從絕緣介質(zhì)來看，組合式變壓器（圖1）本質(zhì)上仍然是一種油浸式變壓器[1]。

圖1

GB1094.1、GB/T6451和JB/T10217標(biāo)準(zhǔn)中雖然明確規(guī)定繞組直流電阻（以下簡(jiǎn)稱電阻）的測(cè)量是變壓器的例行試驗(yàn)項(xiàng)目，但并未定義電阻不平衡率及其限值[2-5]。對(duì)于油浸式變壓器而言，國家標(biāo)準(zhǔn)GB50150-2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》8.0.4條中規(guī)定主要包括：

（1）測(cè)量應(yīng)在各分接的所有位置上進(jìn)行；

（2）對(duì)于圖1組合式變壓器1 600 kVA以上三相變壓器，各相繞組相互間差別不應(yīng)大于2%；無中性點(diǎn)引出的繞組，線間相互間差別不應(yīng)大于1%；

（3）變壓器的直流電阻，與同溫度下產(chǎn)品出廠實(shí)測(cè)數(shù)值比較，相應(yīng)變化不應(yīng)大于2%；不同溫度下電阻值應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：R1為溫度在t1下的電阻值，Ω；

R2為溫度在t2下的電阻值，Ω；

T為計(jì)算用常數(shù)，銅導(dǎo)線取235，鋁導(dǎo)線取225。

（4）由于變壓器結(jié)構(gòu)等原因而使直流電阻差值超過本條第2款時(shí)，可只按本條第3款進(jìn)行比較，但應(yīng)說明原因[6]。

考慮到直流電阻易受變壓器結(jié)構(gòu)等原因影響，因此該標(biāo)準(zhǔn)還明確規(guī)定上述第（4）點(diǎn)。

GB50150標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不同溫度下的電阻值應(yīng)進(jìn)行折算，但是，目前很多用戶對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的這一條款理解不好，特別是如何選擇參考溫度存在誤區(qū)，給組合式變壓器交接試驗(yàn)帶來困惑，增加了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量狀況判斷的難度。本文作者主要對(duì)組合式變壓器三相電阻不平衡及其折算進(jìn)行研究。

1 直流電阻測(cè)量的作用

組合式變壓器除包括完成電壓轉(zhuǎn)換的變壓器器身外，還包括符合高低壓開關(guān)特性的部件，如負(fù)荷開關(guān)、分接開關(guān)，其高低壓導(dǎo)電回路均有多種組合形式。導(dǎo)電回路串聯(lián)的重要部件比較多，連接點(diǎn)也多，連接方式呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)，如螺栓連接、冷壓連接、焊接。直流電阻測(cè)量可以直觀反映導(dǎo)電回路的連接狀況，并可通過三相電阻不平衡的考核，判斷導(dǎo)電回路各主要部件質(zhì)量狀況，及時(shí)排查解決質(zhì)量隱患。

通過直流電阻測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)以下故障：

1.1 導(dǎo)電回路連接不緊或焊接不良

對(duì)組合式變壓器，導(dǎo)電回路連接點(diǎn)是必不可少的，以高壓回路為例，連接點(diǎn)主要包括：繞組抽頭的引線焊接、分接引線與線耳的冷壓連接、繞組引線與出線套管導(dǎo)電桿的螺栓連接、高壓熔斷器的螺栓連接、負(fù)荷開關(guān)的螺栓連接等[7-10]。

1.2 引線斷股

為保證引線彎折走線方便，組合式變壓器的引線一般采用包含多股小圓導(dǎo)線的絞線，在剝除引線外絕緣紙皮、冷壓接操作中，易造成引線斷股；還有引線走線不合理，在后續(xù)裝配中造成引線受外力拉扯而部分折斷。引線斷股隱蔽性強(qiáng)，和工藝操作關(guān)聯(lián)度高，容易造成批量質(zhì)量事故，若通過直流電阻測(cè)量發(fā)現(xiàn)這類質(zhì)量隱患，要善于舉一反三，改善工藝操作。

1.3 線組導(dǎo)體質(zhì)量缺陷甚至匝間、層間短路

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)GB/T25446《油浸式非晶合金鐵心配電變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》中所述的線材原因主要反映在繞組的電阻中[11]。由于線材截面積誤差、電阻率誤差及繞制導(dǎo)線長(zhǎng)度的誤差使繞組電阻發(fā)生變化，引起變壓器三相電阻不平衡。根據(jù)電阻定律，繞組的電阻

其中：ρ為繞組的導(dǎo)體材料電阻率，L為導(dǎo)體長(zhǎng)度，S為導(dǎo)體截面積。

可見，電阻的大小與截面積成反比，與繞組長(zhǎng)度成正比。當(dāng)某相繞組的接頭焊接不良時(shí)，相當(dāng)于截面積變小，直阻一般會(huì)變大。而當(dāng)發(fā)生匝間短路時(shí)，相當(dāng)導(dǎo)體長(zhǎng)度變短，則直阻一般會(huì)變小。

對(duì)35 kV級(jí)及以下的組合式變壓器，其變壓器器身高壓部分多采用層式線圈，也存在層間短路風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生層間短路時(shí)，有效導(dǎo)體長(zhǎng)度大幅度變短，直阻也大幅度變小。

1.4 無勵(lì)磁分接開關(guān)故障

分接引線與無勵(lì)磁分接開關(guān)的分接端子間的螺栓連接處，容易發(fā)生接觸不良的缺陷，其直接原因可能是接觸點(diǎn)壓力不夠，還要排查分接端子表面鍍層材料是否氧化失效。無勵(lì)磁分接開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，引線裝配空間較小，螺栓連接點(diǎn)集中，需要有恰當(dāng)工具和操作順序保證每個(gè)螺栓擰緊有效，此外，分接引線一頭連著繞組本體，繞組在運(yùn)輸或運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)，可能傳遞到螺栓連接處，影響螺栓長(zhǎng)期保持?jǐn)Q緊狀態(tài)，因此要重點(diǎn)檢查無勵(lì)磁分接開關(guān)螺栓連接的有效性。

2 直流電阻測(cè)量涉及的計(jì)算

組合式變壓器出廠試驗(yàn)和交接試驗(yàn)通常不在同一地點(diǎn)，受環(huán)境溫度影響，直流電阻測(cè)量結(jié)果總是有區(qū)別的，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50150的規(guī)定，要與同溫度下產(chǎn)品出廠實(shí)測(cè)數(shù)值比較，但對(duì)同一溫度描述不詳。

2.1 繞組溫度是直流電阻折算的關(guān)鍵

上文提到不同溫度下電阻值應(yīng)按式（1）計(jì)算，其中R1對(duì)應(yīng)于溫度t1，R2對(duì)應(yīng)于溫度t2。

將交接試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得出的直流電阻標(biāo)記為R1，將其向出廠試驗(yàn)報(bào)告記錄的繞組溫度t2折算，溫度t1作為R1對(duì)應(yīng)的繞組溫度，是折算的關(guān)鍵。

2.2 繞組溫度的確定

2.2.1 出廠報(bào)告中的取值方法

制造廠出廠報(bào)告提供有直流電阻出廠實(shí)測(cè)數(shù)值及參考繞組溫度，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，基于產(chǎn)品狀況和積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)繞組溫度通常取和環(huán)境溫度一致的數(shù)值，可理解為：在制造階段，由于從原材料到成品，較長(zhǎng)時(shí)間暴露在同一環(huán)境中，因此對(duì)未投入運(yùn)行的變壓器，認(rèn)定其繞組溫度和環(huán)境溫度一致。在溫暖的南方，溫差波動(dòng)不大，做出這樣的判斷大多數(shù)情況下也是合理的。

2.2.2 交接試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的取值方法

變壓器發(fā)到用戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行交接試驗(yàn)時(shí)，情況有所不同。首先，變壓器可能通過不同氣候條件的地區(qū)來運(yùn)輸，較長(zhǎng)時(shí)間暴露在不同環(huán)境中；其次，溫差波動(dòng)范圍不同于南方。因此，繞組溫度應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)油溫來確定。GB1094.1有如下規(guī)定：變壓器注入液體后，至少3 h不勵(lì)磁，才可測(cè)量液體平均溫度（繞組溫度被認(rèn)為與液體平均溫度相同），頂層液體溫度與底部液體溫度的平均值，作為液體平均溫度。這條規(guī)定，彌補(bǔ)了GB50150的不足，但因?yàn)椴皇峭晃募囊?guī)定，實(shí)際操作上容易被忽視。

2.2.3 討論

在GB 50150中，對(duì)公式所涉及的兩個(gè)溫度t1和t2并未直接解釋其準(zhǔn)確含義，使得直流電阻測(cè)量后，要得出正確結(jié)論并不容易。主要誤區(qū)有：

（1）交接試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，認(rèn)為繞組溫度與環(huán)境溫度相同。沿用制造廠的經(jīng)驗(yàn)，忽視了GB1094.1的規(guī)定。

（2）出廠報(bào)告只標(biāo)明環(huán)境溫度，不標(biāo)明繞組溫度。滿足某些條件時(shí)，繞組溫度與環(huán)境溫度相同，但二者意義不同，嚴(yán)謹(jǐn)做法是二者均標(biāo)明[12]。環(huán)境溫度主要靠測(cè)量得到，繞組溫度的認(rèn)定離不開分析判斷。

3 案例分析

2017年3月的一天，中原地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)對(duì)到場(chǎng)組合式變壓器進(jìn)行交接試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)直流電阻測(cè)量的數(shù)據(jù)三相基本平衡，但折算到同溫度下與出廠試驗(yàn)數(shù)值比較，發(fā)現(xiàn)其偏差大于2%，不符合GB50150的規(guī)定。產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 組合式變壓器技術(shù)參數(shù)

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

在排除試驗(yàn)引線、試驗(yàn)儀器等影響后，交接試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)查閱產(chǎn)品資料，出廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 交接試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 出廠試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

（1）現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)數(shù)據(jù)折算成出廠溫度，得出數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 折算后交接試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

（2）按GB50150標(biāo)準(zhǔn)，交接試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)折算成同溫下（分別為29℃、30℃、24℃）與出廠數(shù)值進(jìn)行比較，二者偏差如表5所示。

表5 二者偏差

（3）結(jié)果復(fù)核

在制造廠代表見證下，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)（環(huán)境溫度為16℃）復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)

（4）按GB50150標(biāo)準(zhǔn)，將復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)折算成同溫下（分別為29℃、30℃、24℃）與出廠數(shù)值進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表7所示（復(fù)測(cè)，誤認(rèn)為環(huán)境溫度與繞組溫度相同）。

表7 比較結(jié)果

經(jīng)反復(fù)對(duì)比分析，折算時(shí)取環(huán)境溫度視為繞組溫度可能影響結(jié)果。經(jīng)測(cè)量，變壓器當(dāng)時(shí)油溫測(cè)量值為9℃，繞組溫度須按9℃進(jìn)行修正，再進(jìn)行折算比較。比較結(jié)果（繞組溫度按油溫修正后）如表8所示（繞組溫度按油溫修正后）。

表8 比較結(jié)果

繞組溫度按油溫9℃進(jìn)行修正，再進(jìn)行折算比較，已符合標(biāo)準(zhǔn)要求，直流電阻測(cè)量交接試驗(yàn)結(jié)論：合格。

在廠內(nèi)做試驗(yàn)時(shí)，一般保持戶內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)已有較長(zhǎng)時(shí)間，變壓器內(nèi)油溫接近環(huán)境溫度。而現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品往往處在戶外露天，受天氣影響變壓器內(nèi)油溫與環(huán)境溫度有差異?，F(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)測(cè)量繞組直流電阻，應(yīng)以變壓器內(nèi)平均油溫作為繞組溫度。

4 結(jié)論

通過上述分析可得如下結(jié)論:

（1）組合式變壓器高低壓導(dǎo)電回路連接點(diǎn)多，直流電阻測(cè)量可以直觀反映導(dǎo)電回路的連接狀況，方便及時(shí)排查解決質(zhì)量隱患。

（2）在交接試驗(yàn)階段測(cè)量直流電阻時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)有不平衡現(xiàn)象，建議先與同溫度下產(chǎn)品出廠實(shí)測(cè)數(shù)值比較，進(jìn)行不同溫度下電阻值折算時(shí)，繞組溫度的確定尤其重要，應(yīng)以變壓器內(nèi)平均油溫作為繞組溫度。

（3）制造廠在提供直流電阻出廠實(shí)測(cè)數(shù)值時(shí)，除記錄環(huán)境溫度外，還要記錄油溫，即繞組溫度。

（4）對(duì)不同地區(qū)、不同季節(jié)下的組合式變壓器，環(huán)境溫度和繞組溫度可能存在明顯差異，需要引起試驗(yàn)人員的重視。