變壓器溫升試驗研究

李 濤，張 艷

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741018）

1 概述

變壓器的用途非常廣泛，主要用于電力系統(tǒng)中的輸電、配電等環(huán)節(jié)，以完成不同等級的電壓和電流轉(zhuǎn)換。變壓器長期帶電運行，要求必須具有非常高的穩(wěn)定性和可靠性，而溫升試驗是考核變壓器穩(wěn)定性和可靠性的重要方法。變壓器的種類較多，需要選用針對性的試驗方法，才能準確測量其溫升,本文主要對變壓器幾種常用試驗方法進行分析研究。

2 變壓器溫升試驗概述

2.1 試驗目的

變壓器的溫升試驗是變壓器一項重要的型式試驗，通過溫升試驗來驗證變壓器的高低壓繞組、鐵芯、絕緣油等各部件的溫升是否符合相關(guān)標準的要求，發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并改進，提升產(chǎn)品質(zhì)量，從而確保變壓器在電力系統(tǒng)中的長期安全穩(wěn)定運行。

2.2 試驗原理

變壓器溫升試驗的主要原理是，通過向被試變壓器施加規(guī)定的損耗，使被試變壓器處于額定運行條件下，持續(xù)監(jiān)測各部件的溫升，在溫升試驗結(jié)束時，測量高低壓繞組電阻，并計算高低壓繞組平均溫升，判斷其溫升值是否符合相關(guān)標準規(guī)定，冷卻系統(tǒng)是否發(fā)揮正常作用。

2.3 試驗要求

試驗應在環(huán)境溫度相對穩(wěn)定的場所進行，不能因光照、空氣流動等因素引起環(huán)境溫度顯著變化，試驗室環(huán)境溫度不能低于5 ℃，也不能高于設(shè)計的最高環(huán)境溫度。

試驗時分接位置的選擇應參考被試變壓器的分接范圍和額定容量，如果被試變壓器分接范圍超過±5%，或容量大于2 500 kVA，則應在最大電流分接位置進行，否則應在額定分接位置進行。

試驗時如果不能施加規(guī)定的損耗或電流（施加損耗偏差不得超過±20%，施加電流偏差不得超過±10%），則要對試驗結(jié)果進行修正，以得到額定運行條件下的溫升，確保試驗結(jié)果準確。

3 常用試驗方法比較

《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》（GB/T 1094.2—2013）、《電力變壓器 第11部分：干式變壓器》（GB/T 1094.11—2007）及《電力變壓器試驗導則》（JB/T 501—2021）規(guī)定的試驗方法有短路等效法、模擬負載法、直接負載法、相互負載法、循環(huán)電流法、零序電流法[1-3]，以下對6種試驗方法比較說明。

3.1 短路等效法

短路等效法是將被試變壓器的低壓側(cè)短接，高壓側(cè)供電，把被試變壓器短路產(chǎn)生的損耗等效為負載損耗進行試驗的，試驗可分為施加總損耗階段和施加額定電流階段兩個階段。第一階段（施加總損耗階段）：向被試變壓器施加規(guī)定的總損耗，持續(xù)監(jiān)測外部冷卻介質(zhì)、頂層絕緣油溫度和油平均溫度，當頂層油溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)時，即變化率至少連續(xù)3小時小于1 K/h，此階段試驗可以結(jié)束。第二階段（施加額定電流階段）：第一階段溫升試驗結(jié)束后要立即進行第二階段溫升試驗，這階段溫升試驗的試驗電流為被試變壓器額定電流[4]，在此期間每5 min要記錄一次頂層油溫度、外部冷卻介質(zhì)溫度，試驗進行1 h后，要迅速斷開電源，并拆除短路連接線，測量高低壓繞組電阻，通過測得的繞組電阻數(shù)據(jù)計算被試變壓器高低壓繞組平均溫升。

短路等效法是在高壓側(cè)供電，鐵損很小不會使鐵芯發(fā)熱，但因為施加了總損耗，試驗電流大于額定電流，絕緣油就會被加熱，鐵芯溫度也會相應地上升，解決了鐵芯不發(fā)熱的問題。短路等效法不需要增加附屬設(shè)備，并且因為變壓器短路阻抗以電抗為主，所以試驗電源只需要滿足基本有功功率及損耗，并略有余量即可，其余大部分無功功率通過補償電容器組的方式進行無功補償，所以短路等效法具有所需試驗容量最小、試驗電壓最低等優(yōu)點，非常適用于油浸式變壓器。但是，短路等效法并不適用干式變壓器，如果采用短路等效法，熱源與外部冷卻介質(zhì)直接接觸，鐵芯不發(fā)熱，還會散熱，測量結(jié)果會極不準確。

3.2 模擬負載法

模擬負載法是將溫升試驗分為負載溫升試驗和空載溫升試驗兩部分來進行的。通過空載溫升試驗得到空載溫升，通過負載溫升試驗得到負載溫升，最終溫升為兩階段的疊加。

理論上，無論先進行哪種溫升試驗，都不會影響試驗結(jié)果，但實際工作中，一般先進行空載溫升試驗，再進行負載溫升試驗。空載溫升試驗時，由于施加了空載損耗，使得被試變壓器鐵芯發(fā)熱而繞組不發(fā)熱，因此鐵芯溫度上升很快而繞組溫度上升較慢；負載溫升試驗時，由于施加了負載損耗，繞組溫度上升很快而鐵芯溫度上升較慢。通過兩個階段的試驗，疊加得到最終的溫升值。模擬負載法有效利用了疊加原理，變一次試驗為兩次試驗，保證了鐵芯和繞組溫升值測量準確，被廣泛運用于干式變壓器溫升試驗中。

3.3 直接負載法

直接負載法是在被試變壓器的高壓側(cè)供電，在低壓側(cè)連接適當?shù)呢撦d，負載可以用一般的電器(如電抗器、電阻或燈泡)，也可以把極板放在水中，通過調(diào)節(jié)極板距離和溶解鹽來改變負載電流，還可以用移圈調(diào)壓器作負載，調(diào)節(jié)動圈來改變負載電流。

直接負載法的試驗條件與正常運行條件一致，測量結(jié)果更加準確、可靠，變壓器生產(chǎn)廠家或檢驗檢測機構(gòu)在有條件時應盡量采用此方法。但所需試驗容量要大于被試變壓器的容量，并且不容易找到合適的負載，所以受限于試驗電源容量和試驗負載兩方面的原因，直接負載法大多用在小容量變壓器的溫升試驗。

3.4 相互負載法

相互負載法需要選擇一臺同規(guī)格的輔助變壓器，輔助變壓器一側(cè)與被試變壓器同名端并聯(lián)，施加額定電壓，另一側(cè)通過負載輔助變壓器與被試變壓器同名端并聯(lián)，調(diào)節(jié)負載輔助變壓器的輸入電壓就可以使被試變壓器運行在額定電流下。

相互負載法雖然能使被試變壓器運行額定條件下，試驗結(jié)果準確，但只適用于兩臺同規(guī)格的變壓器，否則無法進行試驗。

3.5 循環(huán)電流法

循環(huán)電流法是將被試變壓器與輔助變壓器按同名端對應并聯(lián)，靠被試變壓器與輔助變壓器感應電勢差使負載電流接近被試變壓器額定電流。

用循環(huán)電流法進行溫升試驗，一般試驗電流不能等于額定電流，試驗結(jié)果還要進行相應的換算，并且所需試驗容量較大。

3.6 零序電流法

零序電流法是在被試變壓器一側(cè)供給額定電壓，在另一側(cè)零序回路中供電，使繞組產(chǎn)生額定電流，兩側(cè)繞組的零序電流應分別有零序回路[5]。

零序電流法進行溫升試驗，負載電流的相序為零，則磁通的相序也是零，這樣繞組磁勢平衡后的漏磁通常會使附加損耗猛增，造成局部過熱。

3.7 結(jié)論

通過上述6種試驗方法的比較，對比分析各自的優(yōu)缺點，考慮試驗簡單、經(jīng)濟實用、結(jié)果準確等因素，對于油浸式變壓器溫升試驗采用短路等效法、干式變壓器溫升試驗采用模擬負載法，試驗所需容量較小，也不需要額外輔助設(shè)備，同時更能準確地測得被試變壓器的溫升值。

4 溫度測量及溫升計算

4.1 溫度測量

4.1.1 測量要求

試驗過程中應按標準規(guī)定，持續(xù)監(jiān)測外部冷卻介質(zhì)溫度、被試變壓器高低壓繞組、絕緣油（油浸式變壓器）、鐵芯（干式變壓器）等部件的溫度。溫度計、熱電偶等及其配套測量設(shè)備要經(jīng)過嚴格的成套整體校準。

4.1.2 測量外部冷卻介質(zhì)溫度

變壓器生產(chǎn)廠家或檢驗檢測機構(gòu)進行變壓器溫升試驗時，外部冷卻介質(zhì)一般為空氣，測量外部冷卻介質(zhì)溫度即測量試驗室周圍環(huán)境溫度，一般采用溫度計或熱電偶測量，具體方法為：在被試變壓器周圍布置至少3個測量點[6]，將溫度計或熱電偶放置在油杯中，油杯距地面高度應為被試變壓器高度的二分之一處，并保證不受陽光、氣流、熱輻射等的影響，環(huán)境溫度值應為多個測量點的平均值。

4.1.3 測量繞組平均溫度

繞組平均溫度的測量一般采用測量直流電阻的方法，需要測量兩次，溫升試驗前測量冷態(tài)電阻，溫升試驗結(jié)束后立即斷電并打開短路連接線測量被試變壓器的高低壓繞組電阻，通過測得的數(shù)據(jù)按標準要求推算被試變壓器電源斷開瞬間的熱態(tài)電阻，并按標準要求用冷態(tài)電阻與熱態(tài)電阻計算繞組平均溫升。為確保計算得到的溫升準確，首先需要保證推算得到的熱態(tài)電阻準確，溫升試驗結(jié)束后測得的第一個電阻值是至關(guān)重要的，要求盡快測得第一個電阻值，如果額定容量小于100 MVA，則應在2 min之內(nèi)測得；如果于額定容量在100～500 MVA之間，則應在3 min之內(nèi)測得；對于額定容量大于500 MVA的變壓器，則應在4 min之內(nèi)測得。測量時間也要盡可能長，中型變壓器應至少測量20 min，大型變壓器應至少測量30 min。

4.1.4 測量絕緣油溫度（油浸式變壓器）

對于油浸式變壓器，在溫升試驗過程中應按標準規(guī)定，除測量高低壓繞組溫度外，還應測量被試變壓器的頂層油溫度、油平均溫度等，并按要求做好監(jiān)測與記錄。

4.1.5 測量鐵芯溫度（干式變壓器）

對于干式變壓器，在溫升試驗過程中應按標準規(guī)定，除測量高低壓繞組溫度外，還應測量被試變壓器鐵芯溫度等，并按要求做好監(jiān)測與記錄。

4.2 溫升計算

4.2.1 計算熱態(tài)電阻

熱態(tài)電阻的計算是基于溫升試驗結(jié)束后測得的高低壓繞組電阻值進行的，常用的方法有作圖外推法和回歸分析法。

（1）作圖外推法：建立線性直角坐標系，橫坐標原點右側(cè)為時間、左側(cè)為電阻增量，縱坐標為電阻值，將測量得到的電阻值按對應的測量時間標注在坐標系第一象限上，用平滑的曲線連接各個點。根據(jù)電阻值逐點增量，在坐標系第二象限做輔助斜線L，利用輔助斜線L求出斷電瞬間的熱態(tài)電阻值，曲線圖如圖1所示。

圖1 作圖外推法得到冷卻曲線示意圖

（2）回歸分析法：采用回歸分析法計算熱態(tài)電阻是設(shè)定一個數(shù)學模型，基于溫升試驗結(jié)束后測得的高低壓繞組電阻數(shù)據(jù)，采用最小二乘法的原理，用計算機程序求出數(shù)學模型中的待定系數(shù)，從而求出斷電瞬間的熱態(tài)電阻值。GB/T 1094.2—2013附錄B介紹了一種采用計算機程序擬合曲線求出斷電瞬間繞組平均溫度（熱電阻）的方法，曲線圖如圖2所示。

圖2 用回歸分析法得到冷卻曲線示意圖

4.2.2 油浸式變壓器溫升計算

（1）頂層絕緣油溫升計算公式如下：

式中：△θo為頂層絕緣油溫升；θo為施加總損耗結(jié)束時測得的頂層絕緣油溫度；θa為施加總損耗結(jié)束時測得的外部冷卻介質(zhì)溫度。

（2）絕緣油平均溫升計算公式如下：

式中：△θom為絕緣油平均溫升；θom為施加總損耗結(jié)束時計算的絕緣油平均溫度；θa為施加總損耗結(jié)束時測得的外部冷卻介質(zhì)溫度。

（3）高低壓繞組平均溫度計算公式如下：

式中：θ1為穩(wěn)定的環(huán)境溫度下的繞組溫度；θ2為電源斷開瞬間的繞組平均溫度；R1為穩(wěn)定環(huán)境溫度下的繞組電阻值；R2為用斷開電源后測得的繞組電阻值并外推到斷開電源瞬間的繞組電阻值。

4.2.3 干式變壓器溫升計算

首先分別計算出空載試驗溫升和負載試驗溫升（計算公式與油浸式變壓器繞組平均溫升相同），再計算總溫升。

在繞組通過額定電流和鐵芯為額定勵磁下，每個繞組的總溫升用下式來計算：

5 結(jié)語

通過分析變壓器溫升試驗的6種試驗方法，研究溫升試驗過程中的溫度測量與溫升計算，得出如下結(jié)論：（1）對于油浸式變壓器溫升試驗采用短路等效法、對于干式變壓器溫升試驗采用模擬負載法，試驗易于實現(xiàn)、結(jié)果更加準確；（2）回歸分析法是利用計算機程序外推斷電瞬間的熱態(tài)電阻值，進而計算變壓器繞組平均溫升，是一種準確、實用的方法。