配電變壓器監(jiān)督抽查結(jié)果與損耗準(zhǔn)確測(cè)量研究

馬桂芬, 袁小嫻, 蔣 海, 董 時(shí)

(1.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院, 廣東 廣州 510670;2.國(guó)家智能電網(wǎng)設(shè)備輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 廣東 東莞 523325)

0 引 言

電力變壓器是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,其中配電變壓器是指運(yùn)行在配電網(wǎng)中電壓等級(jí)為10 kV、20 kV、35 kV系統(tǒng)經(jīng)過(guò)電壓變換后直接向終端用戶供電的變壓器,其安全可靠、節(jié)能、環(huán)保性能受到供電部門和用戶的廣泛關(guān)注。

隨著變壓器產(chǎn)品型號(hào)更替速度加快,品種增多,產(chǎn)品綜合性能指標(biāo)明顯提高。在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策和“節(jié)能降耗”的推動(dòng)下,對(duì)變壓器綜合性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高,近年來(lái),國(guó)家持續(xù)對(duì)電力變壓器進(jìn)行監(jiān)督抽查,但其質(zhì)量仍亟待提升。在原國(guó)家質(zhì)檢總局修訂發(fā)布的《全國(guó)重點(diǎn)工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督目錄(2015年版)》中,電力變壓器被列為Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品,即屬國(guó)內(nèi)市場(chǎng)流通量大,產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題案例中等,監(jiān)督抽查合格率較低的產(chǎn)品。

本文中通過(guò)近三年來(lái)全國(guó)配電變壓器國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督抽查發(fā)現(xiàn)的損耗超標(biāo)問(wèn)題,研究探討了配電變壓器損耗測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù),分析了測(cè)量結(jié)果的不確定度和符合性,并提出相應(yīng)的控制措施和建議。

1 抽查結(jié)果及質(zhì)量主要問(wèn)題

1.1 配電變壓器抽查質(zhì)量結(jié)果

2017～2019年我國(guó)配電變壓器產(chǎn)品抽查結(jié)果如表1所示。

表1 2017～2019年我國(guó)配電變壓器產(chǎn)品抽查結(jié)果

1.2 抽查試驗(yàn)項(xiàng)目及其分項(xiàng)合格率

2017～2019年抽檢項(xiàng)目合格率對(duì)比如圖1所示。

由圖1可知,短路阻抗和負(fù)載損耗測(cè)量項(xiàng)目近兩年的合格率最低,2018年項(xiàng)目合格率只有85.0%;空載電流和空載損耗測(cè)量也是連續(xù)3年出現(xiàn)了不合格。結(jié)果反映出上面兩項(xiàng)目是當(dāng)前配電變壓器主要存在質(zhì)量問(wèn)題的方面[1]。

1.3 損耗測(cè)量抽查結(jié)果及不合格原因

短路阻抗和負(fù)載損耗測(cè)量項(xiàng)目與空載電流和空載損耗測(cè)量項(xiàng)目都是一個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目包含2個(gè)參數(shù),其不合格主要都是損耗參數(shù)測(cè)量結(jié)果超標(biāo)。其中2018年抽檢的107臺(tái)樣品中有16臺(tái)產(chǎn)品負(fù)載損耗超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定值的要求,有7臺(tái)產(chǎn)品空載損耗均超過(guò)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》[2]中3級(jí)能效限定值的要求。

抽查結(jié)果發(fā)現(xiàn)的這兩項(xiàng)損耗超標(biāo)缺陷,原因歸納起來(lái)有2個(gè)方面:一是企業(yè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解不透徹,對(duì)國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 20052—2013要求認(rèn)識(shí)不足。二是由于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)不當(dāng)或生產(chǎn)制造過(guò)程中工藝、質(zhì)量控制不當(dāng)所致[3]。

2 配電變壓器損耗測(cè)量

鑒于負(fù)載損耗測(cè)量與空載損耗測(cè)量均屬于例行試驗(yàn)需測(cè)量的參數(shù),按理出廠檢驗(yàn)時(shí)就應(yīng)能發(fā)現(xiàn)此缺陷,因此排除標(biāo)準(zhǔn)理解和認(rèn)識(shí)因素,試驗(yàn)?zāi)芰蜋z驗(yàn)技術(shù)水平是關(guān)鍵,而負(fù)載損耗和空載損耗作為配電變壓器的重要性能指標(biāo),一直是技術(shù)經(jīng)濟(jì)合同關(guān)注的重點(diǎn),在運(yùn)行過(guò)程中,損耗指標(biāo)反映了變壓器在運(yùn)行期間的效率。

由于變壓器自身特性及廠家設(shè)計(jì)制造水平和試驗(yàn)?zāi)芰Σ町?所以抽檢時(shí)對(duì)變壓器空載損耗參數(shù)測(cè)量結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)較大爭(zhēng)議。

以下根據(jù)配電變壓器的空載損耗特性,對(duì)損耗測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

2.1 誤差基本源

2.1.1 空載損耗測(cè)量

空載損耗是變壓器不帶負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的損耗,即鐵心損耗,主要與鐵心的磁滯損耗和渦流損耗有關(guān)[4]。GB 1094.1—2013《電力變壓器 第1部分:總則》[5]中第11.5條規(guī)定了空載損耗測(cè)量方法,原則上是以變壓器端子上的非畸變正弦波電壓為基準(zhǔn)。根據(jù)平均值電壓表U′和方均根值電壓表U讀數(shù)比較,按照d=(U′-U)/U′不超過(guò)3%準(zhǔn)則判斷電源波形是否符合要求。應(yīng)使繞組各相上所施加的電壓盡可能接近于正弦波,空載損耗隨施加電壓的升高而迅速上升。因此,電源質(zhì)量和電壓測(cè)量、調(diào)整是空載損耗準(zhǔn)確測(cè)定的關(guān)鍵,從而有助于減少損耗測(cè)量不確定性。

2.1.2 負(fù)載損耗測(cè)量

負(fù)載損耗是變壓器在額定電流下通過(guò)繞組電阻產(chǎn)生熱效應(yīng)而導(dǎo)致的損耗和漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的各種附加損耗。GB 1094.1—2013中第11.4條規(guī)定負(fù)載損耗測(cè)量方法“一對(duì)繞組的短路阻抗和負(fù)載損耗測(cè)量,應(yīng)在額定頻率下,將近似正弦波的電壓施加在一個(gè)繞組上,另一個(gè)繞組短路,其他繞組開(kāi)路”。

導(dǎo)致配電變壓器負(fù)載損耗測(cè)量中的系統(tǒng)誤差來(lái)源主要包括以下方面:

(1) 試驗(yàn)電流的測(cè)量。負(fù)載損耗看作是變壓器等效電路中串聯(lián)阻抗的電阻分量損耗,認(rèn)為串聯(lián)阻抗是線性的,意味著負(fù)載損耗應(yīng)隨電流的平方而變化,這是誤差的主要來(lái)源。

(2) 考慮負(fù)載損耗隨溫度的變化。GB 1094.1—2013附錄G敘述了當(dāng)將負(fù)載損耗換算到繞組參考溫度時(shí)應(yīng)怎樣處理I2R損耗和附加損耗。因此,繞組電阻測(cè)量誤差和損耗測(cè)量時(shí)確定繞組溫度的誤差,就是參考溫度下?lián)p耗計(jì)算誤差的兩個(gè)組成部分。

(3) 變壓器的串聯(lián)阻抗主要是感性的。隨著額定容量增大,阻抗的功率因數(shù)趨于下降。

試驗(yàn)的電壓、電流和有功功率的測(cè)量是采用包含與測(cè)量電壓、電流及測(cè)量?jī)x器相匹配的傳感器在內(nèi)的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行,常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)包括電磁式電壓互感器和電流互感器。不同類型的測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生不同測(cè)量誤差特性,但遵守原則是普遍適用的。按定義,損耗測(cè)量為P=UIcosφ。

復(fù)合相對(duì)誤差可由先對(duì)等式兩邊取自然對(duì)數(shù),然后取其導(dǎo)數(shù)來(lái)得出:

(1)

電壓U相量和電流I相量之間的相位夾角φ接近π/2(90°,感性)。功率因數(shù)cosφ為一個(gè)很小數(shù)值。由于

(2)

因此,

(3)

式(2)是一個(gè)遠(yuǎn)大于1的數(shù)值,表明在相角(弧度)測(cè)定中一定的相對(duì)誤差會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗測(cè)定中有相當(dāng)大的相對(duì)誤差。相角(弧度)測(cè)定中的相對(duì)誤差與損耗測(cè)定相對(duì)誤差關(guān)系如圖2所示。相對(duì)誤差與功率因數(shù)的函數(shù)關(guān)系如圖3所示。由圖3可見(jiàn),功率因數(shù)越小對(duì)損耗測(cè)量影響越大。

2.2 測(cè)量結(jié)果的不確定分析

基于以上因素,使用常規(guī)損耗測(cè)量系統(tǒng),依據(jù)JB/T 501—2006《電力變壓器試驗(yàn)導(dǎo)則》[6]要求最低配置設(shè)備,即電流互感器、電壓互感器的精度不低于0.2 級(jí),所用儀表的精確度不低于0.5 級(jí),功率測(cè)量采用低功率因數(shù)的功率表(小于0.2)。按此選擇0.2 級(jí)的電流和電壓互感器和0.5 級(jí)的低功率因數(shù)(cos 0.1)功率表,其中變比最大允許誤差為2%,角差最大允許誤差限10′。

2.2.1 直接測(cè)量的損耗結(jié)果分析

首先,設(shè)U、I分別為電壓和電流,φ為試驗(yàn)時(shí)變壓器的功率因數(shù)角,則有

P=UIcosφ=KPTUPKCTIPcosφ

(4)

式中:P——損耗測(cè)量值;

KPT、KCT——電壓互感器和電流互感器的變比;

IP、UP——儀表測(cè)得的二次電流和電壓。

根據(jù)式(4),其不確定度合成有:

(5)

式中:u(P)/P——損耗P的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u(KPT)/KPT——電壓互感器變比的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u(KCT)/KCT——電流互感器變比的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u(UP)/UP——功率分析儀電壓測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u(IP)/IP——功率分析儀電流測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u(φ)/φ——功率因數(shù)角測(cè)量的不確定度。

由于常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)包括電磁式電壓互感器和電流互感器以及功率表,測(cè)量互感器分別具有相角誤差δu和δi弧度。功率表線圈的電感會(huì)使電壓互感器施加的電壓與該表電壓線圈中的電流之間產(chǎn)生一個(gè)相角滯后,功率表的相角位移用δω表示。

如果在試品上的電壓和電流之間的原始相位角為φ,功率表中實(shí)際相位角則為

φ′=φ+δu-δi-δω=φ+δφ

(6)

如果總相位角誤差δφ為正,則估算的功率因數(shù)cosφ比正確值cosφ要低。測(cè)出損耗值的校正量具有正號(hào):

(7)

(8)

損耗測(cè)量結(jié)果(未考慮溫度校正)的不確定分析如表2所示。

表2 損耗測(cè)量結(jié)果(未考慮溫度校正)的不確定分析

2.2.2 結(jié)果校正的不確定影響分析

由于

(9)

式中:Kt——電阻溫度系數(shù),對(duì)于銅繞組油浸式變壓器為310/(235+t);

Pkt——在溫度t下?lián)p耗測(cè)量值;

Pk75——校正到參考溫度時(shí)損耗值(對(duì)于干式變壓器參考溫度不同)。

根據(jù)式(9),有

(10)

表3 考慮校正后的損耗不確定分析

對(duì)于空載損耗測(cè)量,結(jié)果評(píng)估與負(fù)載損耗類似,而且更簡(jiǎn)單。

3 試驗(yàn)結(jié)果、規(guī)定值、偏差、不確定性限值

眾所周知,當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果用某數(shù)值來(lái)表示時(shí),測(cè)量值不是一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)字,具有不確定性的特點(diǎn)。這種不確定性界限有多寬是與試驗(yàn)裝置的質(zhì)量水平,特別是測(cè)量系統(tǒng)、操作人員的技能和試品測(cè)量難度等有關(guān)。

GB 1094.1—2013第10章給出了試驗(yàn)驗(yàn)證變壓器規(guī)定損耗參數(shù)的允許偏差。而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級(jí)》中3級(jí)能效限定值要求是需要達(dá)到的保證值。對(duì)上述損耗測(cè)量試驗(yàn)各項(xiàng)相應(yīng)的系統(tǒng)誤差分析可見(jiàn),僅主要考慮測(cè)量設(shè)備的系統(tǒng)性因素,在常規(guī)的測(cè)量條件下,最終校準(zhǔn)到參考溫度下負(fù)載損耗測(cè)量不確定度就達(dá)到了2.9%,實(shí)際上由于溫度測(cè)量及人員技術(shù)水平等隨機(jī)因素不同此值會(huì)更大[7-9]。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)以上分析計(jì)算,對(duì)測(cè)量得出的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)盡可能正確地評(píng)估,設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)考慮相應(yīng)的裕度,才能確保滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求的限值或用戶保障值要求,因此提出以下幾點(diǎn)建議:

整個(gè)試驗(yàn)的接受條件是測(cè)量本身必須符合一定的質(zhì)量要求,給出的限值或不確定性才能是適用的,因此除了使用JB/T 501—2006相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的測(cè)量系統(tǒng)及改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行損耗測(cè)量,必要時(shí)還要考慮誤差與隨機(jī)不確定性各種原因之間的組合和相互影響,除了可追溯性,還有試驗(yàn)電源的質(zhì)量,如電壓諧波分量、電壓和頻率的穩(wěn)定性,以及試驗(yàn)環(huán)境的電磁干擾影響,包括電磁場(chǎng)、接地、屏蔽等。

空載損耗測(cè)量需要特別注意,電壓測(cè)量讀出的讀數(shù)U′和U實(shí)際都是方均根值,電壓的施加要以平均值電壓表為準(zhǔn),應(yīng)使繞組各相上所施加的電壓盡可能接近于正弦波?？蛰d損耗測(cè)量與負(fù)載損耗測(cè)量是不同的,這是由于功率因數(shù)明顯地高,并且試驗(yàn)電流波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。

由于配電變壓器在短路時(shí)功率因數(shù)比較低,其中相位角誤差對(duì)負(fù)載損耗準(zhǔn)確測(cè)量影響特別重要,負(fù)載損耗測(cè)量的中心問(wèn)題是怎樣減小或校正整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中或系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)器件的相位角。在實(shí)際中,由于校正檢驗(yàn)不能滿意地覆蓋電路中的各種變化參數(shù)(測(cè)量范圍、范圍內(nèi)的數(shù)值、儀器的負(fù)荷),電壓互感器和電流互感器產(chǎn)生的相角誤差是很難準(zhǔn)確確定。推薦使用更先進(jìn)的測(cè)量系統(tǒng),對(duì)于大型電力變壓器功率因數(shù)非常小,建議采用有雙級(jí)式或零磁通電流互感器。

對(duì)于測(cè)量結(jié)果不確定度分析應(yīng)用而言,應(yīng)注意不應(yīng)僅從損耗校正公式去考慮,這樣容易忽略角差的影響。而直接用原始公式分析時(shí),對(duì)于配電變壓器而言,校準(zhǔn)到參考溫度下的結(jié)果時(shí),溫度和電阻測(cè)量的影響也不能忽略,特別是對(duì)于干式變壓器來(lái)說(shuō),繞組溫度測(cè)量更不易,較大偏差帶來(lái)的影響更大。