移動便攜式配電變壓器能效檢測裝置的研究

張威，成瑤，陳薇，張程，黃浩，葉剛

（1.國網荊州供電公司，湖北荊州 434000；2.長江大學國家級電工電子示范中心，湖北荊州 434023）

目前，隨著中國電網建設不斷推進，各個地區(qū)電網建設項目逐漸增多，電能需求量日益增加，電能損耗問題也越來越嚴重。配電變壓器作為配電網中能量損耗的主要一環(huán)，其效率提升可節(jié)約大量能源。隨著中國“節(jié)能降耗”政策的不斷深入，在網運行的部分高能耗配電變壓器已不符合行業(yè)發(fā)展趨勢，GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》明確給出了額定電壓為10～500 kV 各類電力變壓器能效等級的空載損耗、負載損耗和短路阻抗3 個能效參數(shù)標準[1]。因此對高能耗變壓器進行升級改造，其關鍵問題在于如何便捷、精準地確定變壓器的能效等級[2]。

目前市場上尚無針對電力變壓器能效等級檢測的便攜移動式設備，只有分離的獨立項目測試儀器和固定式測試裝備。獨立項目測試儀器，如低壓法空負載損耗測試儀、空負載損耗測試儀等，在使用時需要準備多種設備組合使用，易發(fā)生接線錯誤，造成儀器或被試變壓器損壞或測量結果不準確。試驗儀器分散且獨立，每一個測試項目結束后均需要人工記錄測試結果，易發(fā)生記錄錯誤，從而降低測試結果的可信度，煩瑣的實驗步驟也使傳統(tǒng)能效檢測效率低下。變壓器能效固定式測試設備體積龐大，在開展變壓器能效等級測試時，需將每臺變壓器進行順序吊裝轉運，測試結束后，才能移入新的變壓器，大量的時間被設備轉運所占據(jù)；該設備并非專門針對于能效等級檢測，非有效測試內容多，拆接線煩瑣，導致單臺變壓器測試時間長。經現(xiàn)場統(tǒng)計，完成單臺變壓器的能效等級測試至少需要30 min，檢測效率極其低，還存在安全風險，無法完成大批量變壓器的能效等級檢測的任務。所以目前急需一種接線簡單、測量結果準確、耗時少、效率高、便攜可移動的變壓器能效專業(yè)檢測設備。

本文設計了一種高集成度的配電變壓器能效檢測系統(tǒng)，具備自動升降壓功能、溫度檢測功能及變壓器空負載功率檢測功能，測試結果集中，避免了記錄錯誤，大大縮小了測試裝置的體積，提高了檢測效率。

1 移動便攜式配電變壓器能效檢測數(shù)據(jù)采集模塊

1.1 移動便攜式配電變壓器能效檢測結構框架

該移動便攜式配電變壓器能效檢測系統(tǒng)主要包括溫度測量模塊、電壓電流測量模塊、空負載試驗測量模塊，對低功率因數(shù)的空載損耗和負載損耗進行采樣計算式測量，系統(tǒng)結構如圖1 所示[3]。

圖1 系統(tǒng)結構圖

1.2 溫度測量模塊

電力變壓器要求能在參考溫度（一般為75 ℃）下長期運行，因此需要將測量溫度下的功率折算為參考溫度，溫度測量的精度直接影響變壓器短路損耗的準確性。本文選擇DS18B20 增強型單總線溫度傳感器，測量溫度范圍可以達到-55～125 ℃，在-10～85 ℃時準確度為±0.5 ℃，具有高精度溫度測量功能，可以滿足檢測要求。其輸出為數(shù)字信號，無需連接A/D 轉換器，可直接輸入微處理器，簡化了能效檢測系統(tǒng)結構。

1.3 電壓電流傳感器和信號調理單元

本模塊采用測量精度與線性度均為0.1 級的電流互感器與電壓互感器，分別測量能效測試中的電流與電壓，電流互感器的測量線性區(qū)間為0～50 A，電壓互感器的測量線性區(qū)間為0～450 V。在實際測量過程中，需要利用運算放大器，將采樣電阻兩側電壓（±5 V）轉換到0～3.3 V 區(qū)間，送入中控單元進行測量，具體電路如圖2 所示。

圖2 檢測原理圖

在實際測量過程中，由于非理想器件的存在，需要對測量值進行修正，采用多項式擬合的方式實現(xiàn)設備校正，其算法模型如下：

式中：y為校正值；x為測量值；參考文獻[1]表明n值越大，獲取的結果越精確。

1.4 中控單元設計

中控單元擬采用STM32 Mini F401 模塊作為主控板，該模塊可采用USB type-c 接口供電，也可直接連接5 V 引腳為模塊供電，具有高精度、高性能的特點，還具有標準、高級通信接口，方便后續(xù)控制器的升級與維修。該控制模塊接收A/D 轉換后的三相電壓電流數(shù)據(jù)和配電變壓器溫度傳感器數(shù)據(jù)，一方面將采集到的溫度信息和電壓電流信息進行處理并顯示到它自帶的LCD 顯示屏上；另一方面LCD（上位機）發(fā)送控制命令通過本模塊反饋給電源電壓電流控制模塊，從而控制三相定頻電源輸出，實現(xiàn)能效檢測。

2 移動便攜式配電變壓器數(shù)據(jù)軟件處理模塊

2.1 空載損耗計算模塊

空載損耗是當變壓器二次繞組開路，一次繞組施加額定頻率正弦波形的額定電壓時，所消耗的為有功功率。硅鋼片的材料性能、加工工藝及裝備、鐵芯的結構形式都會影響變壓器空載性能[4]。

配電變壓器在做空載試驗時，在低壓各相繞組端之間施加額定頻率的額定電壓（400 V），對應的各相之間平均值電壓分別為UmA、UmB、UmC，對應的各相電流為IA、IB、IC，功率因數(shù)為cosφ。

根據(jù)JB/T 501—2006《電力變壓器試驗導則》的要求，當電壓波形畸變時，平均值電壓Um和均方根值電壓Ur之差在3%以內，即電壓畸變偏移量d＜3%。首先，計算電壓偏移量d，檢驗實驗的有效性；然后利用平均值電壓、電流、功率因數(shù)來計算A、B、C 三相繞組對應的空載損耗；并對三相空載損耗求和得到三相總空載損耗Pm；最后對總空載損耗進行波形校正，得到校正后的空載損耗P0：

式中：P0為校正后的空載損耗的數(shù)值，單位kW；Pm為三相總空載損耗的數(shù)值，單位kW。

變壓器空載損耗計算流程如圖3 所示。

圖3 變壓器空載損耗計算流程圖

2.2 負載損耗計算模塊

將變壓器低壓側短路，在高壓側輸入端施加正弦電流，將輸入電流升至額定電流，變壓器所消耗的有功功率即為負載損耗。電力變壓器要求能在參考溫度下長期運行，所以測量值也應從試驗時的環(huán)境溫度折算到參考溫度。

變壓器負載損耗的測量需要獲取各相均方根電壓Ur、功率因數(shù)cosφ、各相額定負載電流I、直阻溫度t1、試驗溫度t等參數(shù)。

首先，計算A、B、C 三相繞組對應的負載損耗和總負載損耗Ps（單位kW），方法與空載損耗實驗相同；然后對總負載損耗進行額定電流校正，得到額定電流下總負載損耗Pk（單位kW）；進行溫度折算，具體過程為計算實驗溫度下電阻校正系數(shù)Kt1和75 ℃參考溫度下的負載損耗校正系數(shù)Kt，將直阻測量溫度下的高壓側線電阻RH（單位Ω）和低壓側線電阻RL（單位mΩ）折算至實驗溫度下的參數(shù)，利用折算后的高壓側線電阻RHt（單位Ω）、低壓側線電阻RLt（單位mΩ）、額定電流計算實驗溫度t時高壓側繞組電阻損耗PHt和低壓側繞組電阻損耗PLt（單位kW）；最后，將額定電流下總負載損耗Pk（單位kW）、高壓側繞組電阻損耗PHt、低壓側繞組電阻損耗PLt（單位kW）都折算至75 ℃下的參數(shù)。

參考溫度下的總負載損耗Pk75（單位kW）公式如下[5]：

短路阻抗是在額定頻域和參考溫度下，某個繞組端子之間的等效串聯(lián)阻抗，其百分數(shù)等于短路電壓與額定電壓之比，測量時應以三相電流的算術平均值為準，如果試驗電流無法達到額定電流時，短路阻抗應進行相應的校正。

首先計算三相均方根電壓平均值Ur（單位V）、三相電流平均值Ik（單位A）、高壓側額定線電流IN（單位A）；再計算實驗溫度下的短路阻抗Zkt；最后利用額定電流下總負載損耗Pk（單位kW）、實驗溫度下的短路阻抗Zkt、變壓器額定容量SN（單位kVA）、75 ℃參考溫度下的負載損耗校正系數(shù)Kt進行溫度校正。

75 ℃參考溫度短路阻抗Zk公式如下：

變壓器負載損耗計算流程如圖4 所示。

圖4 變壓器負載損耗計算流程圖

3 變壓器能效檢測結果及等級的確定

選取某三相油浸式配電變壓器為測試對象，該變壓器采用Dyn11 聯(lián)結，鐵心材料為硅鋼片，額定容量為400 kVA，額定電壓為400 V。利用本文中所設計的裝置對其進行能效檢測，得到相應的空負載實驗數(shù)據(jù)，具體如表1 和表2 所示。

表1 空負載實驗數(shù)據(jù)

表2 負載溫度校正數(shù)據(jù)

利用2.1、2.2 節(jié)中所示方法對所測空負載數(shù)據(jù)進行處理，得到額定電流下的空載損耗，參考溫度下的負載損耗、短路阻抗等數(shù)據(jù)。將上述數(shù)據(jù)與額定容量為400 kVA，額定電壓400 V 的三相油浸式硅鋼片變壓器的能效限制標準值進行對比[6]。

變壓器能效數(shù)據(jù)與其國家能效標準如表3 所示。

表3 變壓器能效數(shù)據(jù)與其國家能效標準

由表3 可知，該變壓器能效等級處于二級與三級之間，屬于三級能效變壓器，與變壓器實際情況吻合。

4 結束語

本文設計了高集成度的配電變壓器能效檢測系統(tǒng)，并對額定容量為400 kVA 的配電變壓器能效等級進行了測量，測量數(shù)據(jù)符合變壓器的真實情況，測量結果所對應能效等級與變壓器真實等級相對應，符合實驗要求。同時兼具準確性、快捷性，簡化實驗操作，大大提高了變壓器能效檢測效率，打破了傳統(tǒng)檢測裝備的空間局限性，為變壓器能效檢測提供了新方法。