10 kV 變壓器溫升試驗系統(tǒng)設計

李 濤，魏慧慧

（甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741018）

對于電力系統(tǒng)而言，變壓器的作用是十分重要的，主要用于各級電網之間的電壓、電流轉換及功率傳輸。在我們生活中最常見的就是10 kV油浸式配電變壓器，廣泛用于配電網中，尤其是廣大農村地區(qū)的配電網中，在人們的日常生活、工農業(yè)生產中發(fā)揮著極其重要的作用。溫升試驗是變壓器的一項型式試驗，通過向被試變壓器施加規(guī)定的負載驗證變壓器在規(guī)定工作條件下各部件的溫升是否符合相關標準要求。

1 變壓器溫升試驗介紹

1.1 變壓器溫升試驗目的

變壓器是電力系統(tǒng)的重要組成部分，長期帶負荷運行，必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，而溫升是影響穩(wěn)定性與可靠性的重要因素，因此對新設計的變壓器在定型批量生產前進行溫升試驗是至關重要的。通過溫升試驗，驗證被試變壓器的冷卻介質、高低壓繞組、鐵芯等的溫升是否超過標準所規(guī)定的限值，驗證變壓器的設計是否合理，發(fā)現缺陷并改進，進而提升變壓器產品質量，為電力系統(tǒng)安全運行提供必要保證。

1.2 變壓器溫升試驗原理

變壓器溫升試驗一般是在進行繞組電阻測量、空載試驗和負載試驗之后進行的一項型式試驗，在變壓器所有的型式試驗和例行試驗中需要的電源容量最大、試驗用時最長[1]。

由于變壓器的種類較多，為了保證試驗效率較高、試驗結果準確，需要針對不同類型的變壓器選擇最適合的溫升試驗方法，現階段各檢驗檢測機構和變壓器生產廠家對于油浸式變壓器主要采用短路等效法，對于干式變壓器主要采用模擬負載法。不管采用何種試驗方法，其主要原理都是向被試變壓器施加規(guī)定的負載，使變壓器運行在規(guī)定的狀態(tài)下，持續(xù)監(jiān)測變壓器各部件的溫升，在試驗完成后測量高低壓熱態(tài)電阻，然后基于測量的高低壓電阻數據，推算出電源斷開瞬間的熱態(tài)電阻值，通過熱態(tài)電阻和溫升試驗前測得的冷態(tài)電阻計算出變壓器高低壓繞組的平均溫升等，并判斷是否符合標準要求。通過溫升試驗的驗證，檢驗變壓器是否滿足正常情況下的使用需求，進一步優(yōu)化設計、提升質量，確保變壓器在電力系統(tǒng)中穩(wěn)定可靠運行。變壓器溫升試驗原理圖如圖1所示。

圖1 變壓器溫升試驗原理圖

試驗電源：為溫升試驗提供所需要的有功容量，如果試驗所需有功容量較小，則可由電網直接提供電源，如果所需試驗容量較大，則可采用自備發(fā)電機組提供電源；中間變壓器（調壓器）：用來變化電壓、電流，施加于被試變壓器，根據試驗容量的大小選擇變壓器或調壓器，試驗容量較大則采用中間變壓器，試驗容量較小則采用調壓器代替中間變壓器；互感器：包括電壓互感器、電流互感器，用來采集試驗電壓、電流等數據；無功補償：根據試驗需要，采用電容器組補償試驗所需的無功容量；被試變壓器：進行溫升試驗的變壓器。

2 變壓器溫升試驗系統(tǒng)設計

2.1 預期技術指標

本設計所述溫升試驗系統(tǒng)主要是用來完成10 kV變壓器溫升試驗，查閱GB/T 6451—2015《油浸式電力變壓器技術參數和要求》和GB/T 10228—2015《干式電力變壓器技術參數和要求》等變壓器技術參數相關標準可知，10 kV下油浸式變壓器和干式變壓器的最大容量均為6 300 kVA、最小容量為30 kVA。因此，本設計定位于完成10 kV/30kVA-6 300 kVA的變壓器溫升試驗、空載試驗和負載試驗。

2.2 設計依據標準

GB/T 1094.1—2013《電力變壓器 第1部分：總則》、GB/T 1094.2—2013《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》、GB/T 1094.11—2007《電力變壓器 第11部分：干式變壓器》、GB/T 6451—2015《油浸式電力變壓器技術參數和要求》、GB/T 10228—2015《干式電力變壓器技術參數要求》、JB/T 501—2021《電力變壓器試驗導則》。

2.3 試驗電源方案

研究發(fā)現，現階段檢驗檢測機構和變壓器制造廠家通常采用短路等效法進行油浸式變壓器溫升試驗，采用模擬負載法進行干式變壓器溫升試驗，這是因為短路等效法和模擬負載法都充分利用了變壓器短路阻抗以感性阻抗為主的特性，進行溫升試驗時系統(tǒng)電源只需滿足有功容量和系統(tǒng)損耗即可，其余絕大部分無功容量可以采用無功補償的方式實現。因此，為了降低試驗電源容量、節(jié)約成本，試驗電源方案確定為通過電網或發(fā)電機組提供試驗所需的有功容量和系統(tǒng)損耗，并略有裕量，通過補償電容器的方式提供試驗所需的無功容量。

2.4 試驗電源容量計算

10 kV下油浸式變壓器和干式變壓器最大容量都是6 300 kVA，為了實現試驗系統(tǒng)可進行10 kV/30 kVA-6 300 kVA變壓器溫升試驗的技術指標，對油浸式變壓器常用的短路等效法和干式變壓器常用的模擬負載法進行分析。短路等效法實際上是將被試變壓器一側短接，另一側通電，利用變壓器短路產生的損耗進行溫升試驗[2]；模擬負載法是將溫升試驗分為空載溫升試驗和短路溫升試驗兩個階段，最終溫升為兩個階段的疊加[3]。短路等效法和模擬負載法的短路溫升試驗階段利用變壓器短路產生的損耗作為負載進行試驗的，而模擬負載法的空載溫升階段需要的容量很小，因此本設計以采用短路等效法進行10 kV/6 300 kVA油浸式變壓器溫升試驗為例確定試驗容量。

10 kV/6 300 kVA油浸式變壓器具體參數如下：

額定容量：6 300 kVA；額定電壓：10（10.5）/3.15（6.3）kV；分接范圍：±2×2.5%；空載損耗：4.89 kW；負載損耗：35.0 kW；空載電流：0.40%；短路阻抗：5.5%。

GB/T 1094.2—2013《電力變壓器 第2部分：液浸式變壓器的溫升》及JB/T 501—2021《電力變壓器試驗導則》關于變壓器溫升試驗有明確要求，如果分接范圍小于或等于±5%，且容量小于或等于2 500 kVA的變壓器，則應在額定分接位置下進行溫升試驗；如果分接范圍大于±5%，或容量大于2 500 kVA的變壓器，則應在最大電流分接位置下進行溫升試驗[2-4]。因此10 kV/6 300 kVA油浸式變壓器的溫升試驗應在最大總損耗下（最大電流分接位置）進行溫升試驗，用短路等效法進行試驗，高壓側施加電壓，低壓側短路，額定電流為3 82.9A/1154.7A。根據10 kV/6300 kVA油浸式變壓器的技術參數可知，總損耗P∑=空載損耗+負載損耗=4.89+35.0=39.89 kW。具體計算如下：

（1）進行溫升試驗時施加于被試變壓器的試驗電壓為：

（2）進行溫升試驗時施加于被試變壓器的試驗電流為：

（3）進行溫升試驗時所需試驗容量為：

Se=6 300×5.5% ×39.89 ÷35.0 ×1.1 ×1.1=477.85 kVA (變換因數和安全因數均為1.1)；

（4）進行溫升試驗時的功率因數為：

cosφ=P∑÷Se=39.89÷477.85=0.0 835。

2.5 試驗電源及無功補償容量確定

2.5.1 試驗電源

由上述計算可知，10 kV/6 300kVA油浸式變壓器進行溫升試驗時需要的試驗容量較小，且可以通過無功補償的方式提供試驗所需的大量的無功容量，試驗電源只需滿足有功容量及試驗系統(tǒng)損耗即可，因此試驗電源不必采用自備發(fā)電機組的方式，直接采用用戶電源變壓器低壓側380V電源即可。

2.5.2 中間變壓器

考慮試驗所需基本有功容量需求、試驗系統(tǒng)損耗、電壓變化導致容量折算、進行無功補償等因素，選擇中間變壓器的容量，為電容器組少補償后留有余量。本設計選用額定容量為150 kVA的調壓器作為中間變壓器，其額定輸入電壓為0.38 kV,額定輸出電壓為0～0.65 kV，按進行溫升試驗時施加在被試變壓器上的電壓0.59 kV折算后的容量為：

Sf=150×0.592÷0.652=123.58 kVA≥39.89 kVA，滿足要求。

2.5.3 無功補償

根據上述計算，試驗時所需容量為477.85 kVA，采用短路等效法進行溫升試驗，短路產生的損耗作為負載都是感性的，溫升試驗系統(tǒng)的中間變壓器（調壓器）的容量只需要滿足試驗系統(tǒng)基本有功容量和損耗，并略有調節(jié)裕量即可，其余絕大部分無功容量通過補償電容器進行補償。上述計算中，進行溫升試驗時功率因數非常小，僅為0.083 5，遠遠低于電網運行水平，會增加供電線路損耗、降低電源質量，因此進行無功補償一方面可提高功率因數，提高電源利用效率，另一方面可有效降低試驗電源容量，節(jié)省投資。設定進行無功補償后功率因數cosφ1=0.95，則共需要補償的容量為：

目前較為常用的補償方案有：低壓補償方式、高壓補償方式、高壓+低壓補償方式。三種補償方式原理圖如圖2—圖4所示。

圖2 低壓補償方式原理圖

圖3 高壓補償方式原理圖

圖4 高壓+低壓補償方式原理圖

三種補償方式各有優(yōu)缺點，其中低壓補償方式建造容易，但損耗大，經濟性較差；高壓補償方式需要的中間變壓器（調壓器）容量小、損耗低，但復雜程度高；高壓+低壓補償方式介于高壓補償與低壓補償方案之間，可適用于變壓器、電抗器等多種產品的溫升試驗，但復雜程度高，短時間內難以建成且投資大。從經濟實用的角度考慮，高壓補償方式更好，本設計選用高壓補償方式。本試驗系統(tǒng)共需無功補償的容量為462.9 kVA，選用略高于試驗電壓590 V的額定電壓為660 V、額定容量為50 kVA的三相電容器，1～12臺并聯，補償容量為50-600 kVA，折算到試驗電壓590 V時的容量為40.0 kVA～479.5 kVA，滿足無功補償的要求。

2.6 試驗系統(tǒng)

根據以上分析，設計了10 kV變壓器溫升試驗系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 變壓器溫升試驗系統(tǒng)圖

試驗電源經隔離開關QS1、斷路器QF1、接觸器KM1輸入調壓器TR，經斷路器QF2、接觸器KM2、隔離開關QS2施加于被試變壓器，隔離開關QS3實現補償電容器組的投切，電流互感器TA1、TA2、TA3實現電流采集，電壓互感器TV實現電壓采集。

因試驗所需有功容量較小，試驗電源直接采用用戶電源變壓器低壓側380 V電源；中間變壓器選擇額定容量為150 kVA的調壓器，額定輸入電壓380 V，額定輸出電壓0～650 V；無功補償采用高壓補償的方式實現，選擇12臺660 V/50 kVA的三相電容器組并聯,根據試驗所需無功容量，選擇投切。

3 結語

溫升試驗是考核變壓器質量的重要手段，通過溫升試驗驗證變壓器設計是否合理、發(fā)現設計或制造缺陷并改進，是提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性的必要保證。短路等效法是現階段變壓器生產廠家和檢驗檢測機構普遍采用的一種試驗方法，相比于其他試驗方法具有試驗容量最小、試驗電壓最低、接線簡單、易于實現、投資較小等優(yōu)點[5]。

本文僅以10 kV下最大容量6 300 kVA油浸式變壓器作為被試變壓器確定試驗容量，設計溫升試驗系統(tǒng)，適用于10 kV/6 300 kVA及以下油浸式變壓器和干式變壓器溫升試驗。而對于大型變壓器生產廠家或檢驗檢測機構而言，變壓器電壓范圍更廣、容量更大，試驗容量計算需進一步完善，可考慮配置自備發(fā)電機組，根據最大容量被試變壓器的有功容量及系統(tǒng)損耗選擇更大容量的中間變壓器，根據無功容量配置更大容量的補償電容器組等方式來提高試驗容量。