三相電壓不平衡對(duì)變壓器空載試驗(yàn)的影響研究

趙燊元, 陳天翔, 徐會(huì)凱, 楊博聞, 任欣悅

(成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院, 四川 成都 610059)

在電力系統(tǒng)中,變壓器空載試驗(yàn)一般是指從任意一側(cè)作為輸入端輸入正弦波形、頻率一定的交流電壓,其他側(cè)空載,測(cè)量變壓器空載損耗和空載電流[1]。變壓器空載試驗(yàn)的主要目的是檢測(cè)變壓器中鐵心硅鋼片的整體絕緣狀況[2]。變壓器總損耗包括負(fù)載損耗、空載損耗和雜散損耗,對(duì)于小容量配電變壓器來(lái)說(shuō),雜散損耗所占比重很少,可忽略不計(jì)[3]?？蛰d損耗主要包括鐵心損耗。其中,鐵心損耗包括磁滯損耗和渦流損耗。鐵心損耗一般占到空載損耗的95%以上,空載電流的大小一般取決于變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量和建造材質(zhì)等[4]。

GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》[5]指出,電壓不平衡指的是三相電壓在幅值上不同或者相位差不是120°,或兼而有之。三相回路中的電壓不完全平衡主要形成原因一般是三相電路中的負(fù)荷不平衡與系統(tǒng)中三相回路電壓間的阻抗不對(duì)稱等[6]。三相試驗(yàn)電壓不平衡會(huì)使變壓器損耗增大[7-11]。開展這一試驗(yàn),可以分析三相三柱式變壓器空載電流的變化情況[12],也可以了解三相試驗(yàn)電壓不平衡的變化情況[13]。

本文通過(guò)變壓器空載試驗(yàn),并結(jié)合變壓器空載試驗(yàn)基本原理,研究分析三相試驗(yàn)電壓不平衡對(duì)變壓器空載試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。

1 變壓器空載試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本試驗(yàn)以成都理工大學(xué)高壓電力設(shè)備試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室為依托,試驗(yàn)對(duì)象是型號(hào)為S7-50/35/0.4聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)為Yyn0的三相三柱式電力變壓器。調(diào)壓器共用2種:一種是用一組容量為6 kV·A的三相自耦調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)壓,另一種是用3組容量為1 kV·A的單相自耦調(diào)壓器模擬三相調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)壓?？蛰d試驗(yàn)采用精度為0.2%的數(shù)字液晶式電流表和電壓表。測(cè)量功率方式為兩功率表法。35 kV變壓器空載試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 35 kV變壓器空載試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)記錄

變壓器空載試驗(yàn)電路接線如圖2所示,其中,N為中性點(diǎn)。

圖2 變壓器空載試驗(yàn)電路接線

首先,根據(jù)三相四線制與兩瓦特表法的接線方式測(cè)量電壓、電流和功率,三相試驗(yàn)電壓不平衡率為2.32%時(shí)測(cè)得的三相空載數(shù)據(jù)如圖3所示。

在阻抗一定的情況下,隨著試驗(yàn)電壓的升高,空載電流的測(cè)量曲線應(yīng)該是增加的。實(shí)際上,在Yyn型變壓器Y接原繞組中,變壓器空載情況下可能會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁電流[14-15],三相勵(lì)磁電流不僅大小不相等,而且相位也不對(duì)稱[16]。由圖3(a)可知,a,b,c三相空載電流都呈現(xiàn)明顯的先降后升的變化趨勢(shì)。具體表現(xiàn)是:輸入電壓從0 V升至160 V時(shí),三相空載電流從最大值0.5 A下降至最小值0.15 A左右,且a,b,c三相空載電流的下降幅度不同;再將輸入電壓從160 V升至額定電壓400 V時(shí),三相空載電流呈現(xiàn)上升趨勢(shì),且該三相空載電流變化不平衡。

圖3(a)中出現(xiàn)空載電流跳躍到最大0.5 A的原因如下:三相自耦式調(diào)壓器指針轉(zhuǎn)動(dòng)至零位時(shí),電刷并沒(méi)有真正在繞組的零電位,少量的電壓被輸出至負(fù)載;電源側(cè)中性點(diǎn)、三相調(diào)壓器中性點(diǎn)以及變壓器中性點(diǎn)連接后,由于電源側(cè)中性點(diǎn)有一定的電壓,與變壓器中性點(diǎn)形成電位差,會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的電流值,由于電源接通后,空載電流跳躍至0.5 A。

低壓側(cè)加壓升至接近80 V,觀察變壓器中性點(diǎn)電流的變化,中性點(diǎn)電流測(cè)量曲線如圖3(b)所示。當(dāng)忽略三相對(duì)稱電源的內(nèi)阻時(shí),有些三相不對(duì)稱負(fù)載可產(chǎn)生零序電流分量[17]。

圖3 三相試驗(yàn)電壓不平衡率為2.32%時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)

由圖3(b)可知,變壓器中性點(diǎn)電流變化呈明顯下降趨勢(shì),當(dāng)輸入線電壓在20 V以內(nèi)時(shí),中性點(diǎn)電流約為2 A,且整段過(guò)程中性點(diǎn)電流一直維持在1 A以上。兩個(gè)功率表顯示數(shù)如圖3(c)所示。其中,Pab為a相和b相間功率表的測(cè)量值,Pbc為b相和c相間功率表的測(cè)量值。

本文分析將電源側(cè)中性點(diǎn)、三相調(diào)壓器中性點(diǎn)以及變壓器中性點(diǎn)連接后,因?yàn)殡娫磦?cè)中性點(diǎn)有一定的電壓值,與變壓器中性點(diǎn)形成電位差,會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的電流值,通過(guò)變壓器繞組向外輸出電流,相當(dāng)于變壓器向外輸出功率。

變壓器的空載損耗P0的計(jì)算公式為

P0=(Pab+Pbc)kTVkTA

(1)

變壓器的空載電流百分?jǐn)?shù)I0(%)計(jì)算公式為

(2)

式中:kTV——測(cè)量用電壓互感器的變比;

kTA——測(cè)量用電流互感器的變比;

Ia——a相電流表的實(shí)測(cè)值,A;

Ib——b相電流表的實(shí)測(cè)值,A;

Ic——c相電流表的實(shí)測(cè)值,A;

IN——變壓器測(cè)量側(cè)的額定電流,A。

分析圖3可知,無(wú)論是三相電流還是中性點(diǎn)電流都是極度不平衡的。

測(cè)量得到的三相調(diào)壓器變比如圖4所示。

圖4 三相調(diào)壓器變比

由圖4可知,該三相自耦式調(diào)壓器本身存在三相電壓不平衡現(xiàn)象:三相電壓在10 V以內(nèi)時(shí),三相調(diào)壓器的變比嚴(yán)重不平衡,變比誤差最大達(dá)到-31.9%;之后,隨著輸入電壓的不斷升高,三相調(diào)壓器的變比誤差仍然存在。因此,初步判斷是三相電壓的不平衡導(dǎo)致了空載試驗(yàn)時(shí)三相電流先升后降現(xiàn)象,三相電壓不平衡可能是影響空載電流變化的主要因素。

為驗(yàn)證以上推測(cè),設(shè)計(jì)進(jìn)行的4組變壓器空載試驗(yàn)如下:使用3組單相調(diào)壓器產(chǎn)生平衡的電壓模擬三相調(diào)壓器進(jìn)行變壓器空載試驗(yàn),分別采用電源側(cè)與負(fù)載側(cè)都連接中性點(diǎn)、電源側(cè)與負(fù)載側(cè)的斷開中性點(diǎn)2種方式記錄空載電流和空載損耗的數(shù)據(jù);使用三相調(diào)壓器進(jìn)行變壓器空載試驗(yàn),分別采用電源側(cè)與負(fù)載側(cè)都連接中性點(diǎn)、電源側(cè)與負(fù)載側(cè)斷開中性點(diǎn)2種方式記錄空載電流和空載損耗的數(shù)據(jù)。

通過(guò)以上試驗(yàn),判斷三相電壓不平衡是否是影響變壓器空載電流和空載損耗變化的主要因素。

2 變壓器空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 3組單相調(diào)壓器模擬三相調(diào)壓器調(diào)壓

采用3組單相調(diào)壓器模擬三相調(diào)壓器平衡狀態(tài)進(jìn)行變壓器空載試驗(yàn)。測(cè)量數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 3組單相調(diào)壓器的電流測(cè)量曲線

變壓器空載試驗(yàn)電源、負(fù)載兩側(cè)連接中性點(diǎn)電路按照?qǐng)D2中的接線圖接線,并將中性點(diǎn)上的開關(guān)閉合,使用電壓表將3組單相調(diào)壓器輸出電壓調(diào)到平衡,測(cè)得的三相空載電流與中性點(diǎn)電流測(cè)量曲線如圖5(a)所示。由圖5(a)可以看出:隨著三相試驗(yàn)電壓的不斷升高,三相空載電流也隨之上升,最大值為1.920 A,但中性點(diǎn)電流最大值也只有0.482 A;在三相試驗(yàn)電壓平衡時(shí),電壓最大不平衡率為0.63%,三相空載電流先降后升現(xiàn)象不再存在;三相試驗(yàn)電壓平衡時(shí)的中性點(diǎn)電流,與三相試驗(yàn)電壓不平衡時(shí)相比顯著下降,說(shuō)明三相試驗(yàn)電壓不平衡使得中性點(diǎn)電流增大,是影響空載電流變化的主要因素。

變壓器空載試驗(yàn)電源、負(fù)載兩側(cè)斷開中性點(diǎn)電路接線按照?qǐng)D2中的接線圖接線,并將中性點(diǎn)上的開關(guān)斷開,其試驗(yàn)過(guò)程與連接中性點(diǎn)試驗(yàn)相同,得到三相空載電流測(cè)量曲線如圖5(b)所示。在斷開兩側(cè)中性點(diǎn)后,無(wú)法形成有效回路。由圖5(b)可以看出:沒(méi)有中性點(diǎn)電流后,三相空載電流呈線性增長(zhǎng),空載電流幅值較中性點(diǎn)接地時(shí)要小很多;在使用3組單相調(diào)壓器模擬三相調(diào)壓器調(diào)壓時(shí),得到的三相試驗(yàn)電壓能夠基本平衡,兩側(cè)中性點(diǎn)都斷開,得到的三相空載電流值最大為1.773 A,與連接中性點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)三相空載電流最大值為1.920 A相比,三相空載電流減小了0.147 A。

2.2 三相調(diào)壓器調(diào)壓

采用1組三相調(diào)壓器直接調(diào)壓進(jìn)行變壓器空載試驗(yàn)。變壓器空載試驗(yàn)電源、負(fù)載兩側(cè)連接中性點(diǎn)電路按照?qǐng)D2中的接線圖接線,并將中性點(diǎn)上的開關(guān)閉合,三相試驗(yàn)電壓不平衡率和電流測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 三相調(diào)壓器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖6(a)中可以看出,三相電壓不平衡率隨著輸入電壓的升高逐漸下降,在輸入電壓升至100 V以上時(shí),三相電壓不平衡率都能夠保持在2%以下。

由圖6(b)可以看出:三相空載電流與中性點(diǎn)電流都呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì),因此可以判斷引起該變化的主要因素是三相電壓不平衡;所加電壓越高,變壓器對(duì)地電容電流越大,其變化呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì),但在試驗(yàn)電壓為400 V時(shí),此電容電流最大為0.133 A,在試驗(yàn)電壓為80 V時(shí)電容電流僅為0.011 A。

變壓器空載試驗(yàn)電源、負(fù)載兩側(cè)斷開中性點(diǎn)電路按照?qǐng)D2中的接線圖接線,并將中性點(diǎn)上的開關(guān)斷開,得到三相空載電流測(cè)量曲線與圖5(b)相同。

在斷開電源與負(fù)載兩側(cè)中性點(diǎn)后,直接采用三相調(diào)壓器和采用3組單相調(diào)壓器模擬三相調(diào)壓器一樣無(wú)法形成有效回路,不存在中性點(diǎn)電流,三相空載電流基本達(dá)到平衡狀態(tài)。

2.3 空載電流與空載損耗的誤差分析

對(duì)于Yyn型三相三柱式配電變壓器,高壓側(cè)即一次側(cè)繞組為Y型接線,三相一次側(cè)繞組末端直接相連不接地[18]。采用3組單相調(diào)壓器模擬三相調(diào)壓器進(jìn)行變壓器空載試驗(yàn),將三相試驗(yàn)電壓調(diào)至額定電壓400 V使之處于平衡狀態(tài),單獨(dú)調(diào)節(jié)a相、b相和c相的相電壓,使之處于不平衡狀態(tài),記錄在不平衡狀態(tài)下三相空載電流與空載損耗的數(shù)據(jù)。我國(guó)目前執(zhí)行的GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》中規(guī)定,電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),三相不平衡度不應(yīng)超過(guò)2%,短時(shí)不超過(guò)4%[5]。在試驗(yàn)中考慮三相電壓不平衡度與空載電流、空載損耗的關(guān)系,得到相電壓與三相試驗(yàn)電壓不平衡率的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 相電壓與三相試驗(yàn)電壓不平衡率的關(guān)系曲線

根據(jù)式(1)和式(2),分別計(jì)算空載電流百分?jǐn)?shù)I0與空載損耗P0的標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量值,并計(jì)算兩者之間的相對(duì)誤差,得到的三相試驗(yàn)電壓不平衡率與I0相對(duì)誤差、P0相對(duì)誤差的關(guān)系曲線如圖8所示。其中,空載電流百分?jǐn)?shù)I0的標(biāo)準(zhǔn)值為2.18%,空載損耗P0的標(biāo)準(zhǔn)值為270.6 W。

圖8 三相試驗(yàn)電壓不平衡率與空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差的關(guān)系曲線

由圖8中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),三相試驗(yàn)電壓不平衡率越低,I0和P0的相對(duì)誤差越低,對(duì)變壓器空載試驗(yàn)影響越小。

根據(jù)測(cè)得的三相電壓不平衡率、空載電流百分?jǐn)?shù)I0和空載損耗P0的數(shù)據(jù),制作了3組表格。情況1,三相試驗(yàn)電壓不平衡率≤1.36%時(shí)I0和P0的相對(duì)誤差如表1所示。

表1 情況1時(shí)I0和P0的相對(duì)誤差

情況2,三相試驗(yàn)電壓不平衡率≤2.69%時(shí)I0和P0的相對(duì)誤差如表2所示。

表2 情況2時(shí)I0和P0的相對(duì)誤差

情況3,三相試驗(yàn)電壓不平衡率≤5.81%時(shí)I0和P0的相對(duì)誤差如表3所示。

表3 情況3時(shí)I0和P0的相對(duì)誤差

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)變壓器空載試驗(yàn)得到的關(guān)于空載電流與空載損耗的數(shù)據(jù)比較分析,得出以下結(jié)論:

(1) 三相試驗(yàn)電壓不平衡造成三相空載電流與中性點(diǎn)電流偏大,嚴(yán)重影響變壓器空載電流與空載損耗測(cè)量準(zhǔn)確性,因此空載試驗(yàn)時(shí)必須高度重視試驗(yàn)電壓不平衡問(wèn)題;

(2) 在試驗(yàn)變壓器不接中性點(diǎn)的情況下,三相試驗(yàn)電壓不平衡率低于1.36%時(shí),空載電流測(cè)量相對(duì)誤差在-5.63%以內(nèi),空載損耗測(cè)量相對(duì)誤差在-2.85%以內(nèi);

(3) 本文建議在三相試驗(yàn)電壓平衡狀態(tài)下以及采用中性點(diǎn)不接地的連接方式進(jìn)行型號(hào)為S7-50/35/0.4的變壓器空載試驗(yàn),且三相試驗(yàn)電壓不平衡率應(yīng)低于1%。