干式非晶合金變壓器短路阻抗及負(fù)載損耗測(cè)量檢測(cè)技術(shù)

一、檢測(cè)原理

短路阻抗與負(fù)載損耗測(cè)量是變壓器型式試驗(yàn)和例行試驗(yàn)的關(guān)鍵項(xiàng)目，其技術(shù)原理基于變壓器的等效電路模型。

1. 短路阻抗原理：短路阻抗（Uk%）是變壓器在額定頻率和參考溫度下，當(dāng)一側(cè)繞組短路，另一側(cè)繞組流過額定電流時(shí)，所施加的電壓與額定電壓之比的百分?jǐn)?shù)。其物理本質(zhì)是變壓器在額定電流下，繞組漏磁通所產(chǎn)生的漏電抗（主要為電感分量）與繞組電阻（電阻分量）的矢量和。測(cè)量時(shí)，通過模擬短路工況，施加一個(gè)較低的電壓（通常為額定電壓的5%-15%），使電流達(dá)到額定值，此時(shí)測(cè)得的電壓即為短路電壓Uk。短路阻抗的計(jì)算公式為：Uk% = (Uk / Un) × ，其中Un為額定電壓。該參數(shù)直接決定了變壓器的短路電流承受能力和系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

2. 負(fù)載損耗原理：負(fù)載損耗（Pk）是指變壓器在一側(cè)繞組短路，另一側(cè)繞組通過額定電流時(shí)，變壓器自身消耗的有功功率。它在數(shù)值上等于繞組的直流電阻損耗（I²R）與附加損耗（主要為渦流損耗和雜散損耗）之和。在工頻下，附加損耗與漏磁通的分布和強(qiáng)度密切相關(guān)。對(duì)于非晶合金變壓器，其鐵芯采用非晶合金帶材，磁化特性優(yōu)異，空載損耗極低，但其繞組結(jié)構(gòu)與硅鋼片變壓器類似，因此負(fù)載損耗的構(gòu)成原理相同。測(cè)量時(shí)，在短路條件下，通過功率表直接讀取額定電流下的有功功率輸入，此值即為負(fù)載損耗。該損耗是變壓器運(yùn)行能效的重要指標(biāo)，直接轉(zhuǎn)化為運(yùn)行成本。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

檢測(cè)項(xiàng)目系統(tǒng)分為核心測(cè)量項(xiàng)目及其派生計(jì)算項(xiàng)目。

1. 核心測(cè)量項(xiàng)目：

   • 短路阻抗測(cè)量：在額定頻率和指定分接下，測(cè)量施加電壓與繞組電流，計(jì)算阻抗百分比。

   • 負(fù)載損耗測(cè)量：在額定頻率和指定分接下，測(cè)量額定電流條件下的有功功率輸入。

   • 繞組直流電阻測(cè)量：作為前置和輔助項(xiàng)目，用于分離損耗成分和計(jì)算繞組溫升。需在測(cè)量負(fù)載損耗前后分別進(jìn)行，以獲得冷熱態(tài)電阻值。

2. 派生計(jì)算與分析項(xiàng)目：

   • 損耗分量分離：根據(jù)測(cè)量得到的負(fù)載損耗Pk和繞組的I²R損耗（通過直流電阻計(jì)算），計(jì)算出附加損耗Pd：Pd = Pk - I²R。分析附加損耗的比例是否合理。

   • 阻抗電壓分量計(jì)算：計(jì)算短路阻抗中的電阻電壓分量（Ukr%）和電抗電壓分量（Ukx%）。

   • 溫度折算：將測(cè)量得到的負(fù)載損耗和直流電阻值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公式折算到參考溫度（如75℃或115℃，取決于絕緣耐熱等級(jí)）。

三、檢測(cè)范圍

干式非晶合金變壓器因其高能效特性，廣泛應(yīng)用于對(duì)節(jié)能、安全有高要求的領(lǐng)域，檢測(cè)需覆蓋以下行業(yè)的具體要求：

• 配電網(wǎng)領(lǐng)域：作為10kV/0.4kV配電變壓器，檢測(cè)需符合電網(wǎng)公司入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)注負(fù)載損耗值與能效等級(jí)，確保滿足節(jié)能政策（如中國(guó)能效一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）。

• 軌道交通：用于牽引供電、車站及車輛段，檢測(cè)環(huán)境可能包含振動(dòng)、濕熱因素，要求測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，阻抗值滿足系統(tǒng)短路容量要求。

• 數(shù)據(jù)中心：要求變壓器具有高可靠性、低損耗。檢測(cè)需極其精確，負(fù)載損耗的微小偏差都可能導(dǎo)致巨大的運(yùn)行成本差異。

• 新能源發(fā)電：光伏逆變升壓站、風(fēng)電箱變，工作環(huán)境惡劣，檢測(cè)需驗(yàn)證其在寬溫度范圍及非正弦負(fù)載電流下的性能參數(shù)穩(wěn)定性。

• 建筑樓宇：要求低噪音、高防火安全性。檢測(cè)需在常規(guī)項(xiàng)目外，關(guān)注短路阻抗對(duì)系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)的影響。

• 工業(yè)制造：針對(duì)變頻、整流等非線性負(fù)載，檢測(cè)時(shí)需考慮諧波對(duì)負(fù)載損耗（特別是附加損耗）的潛在影響。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)量方法的規(guī)定基本一致，但在限值、參考溫度等方面存在差異。

• 國(guó)內(nèi)核心標(biāo)準(zhǔn)：

  • GB/T 1094.1 電力變壓器 第1部分：總則

  • GB/T 1094.5 電力變壓器 第5部分：承受短路的能力

  • GB/T 1094.10 電力變壓器 第10部分：聲級(jí)測(cè)定

  • GB 20052 電力變壓器能效限定值及能效等級(jí) - 此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)負(fù)載損耗的限值有強(qiáng)制性要求，是針對(duì)非晶合金變壓器檢測(cè)的重要依據(jù)。

  • JB/T 10318 干式非晶合金鐵心配電變壓器技術(shù)參數(shù)和要求

• 主要標(biāo)準(zhǔn)：

  • IEC 60076-1 Power transformers - Part 1: General

  • IEC 60076-5 Power transformers - Part 5: Ability to withstand short circuit

  • IEC 60076-10 Power transformers - Part 10: Determination of sound levels

  • IEEE Std C57.12.01 Standard for General Requirements for Dry-Type Distribution and Power Transformers

• 對(duì)比分析：

  • 技術(shù)原理與方法：IEC與GB/T、IEEE在測(cè)量原理、接線方式、儀器精度要求上高度統(tǒng)一。

  • 損耗限值：中國(guó)GB 20052標(biāo)準(zhǔn)的能效一級(jí)要求通常嚴(yán)于上普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了非晶合金等低損耗技術(shù)的應(yīng)用。

  • 參考溫度：對(duì)于不同絕緣等級(jí)的干式變壓器，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)負(fù)載損耗折算的參考溫度規(guī)定可能略有不同，檢測(cè)時(shí)需明確依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。

  • 阻抗公差：各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)短路阻抗的允許偏差規(guī)定基本一致（通常為±10%），但針對(duì)特定用途（如多臺(tái)并聯(lián)）可能有更嚴(yán)格要求。

五、檢測(cè)方法

主要檢測(cè)方法為三相電源法，在無法實(shí)現(xiàn)時(shí)可采用單相電源法。

1. 三相電源法：

   • 操作要點(diǎn)：采用對(duì)稱的三相試驗(yàn)電源，將變壓器一側(cè)繞組（通常是低壓繞組）用足夠截面積的銅排或?qū)Ь€可靠短接，短接線應(yīng)盡量靠近套管引出端，以減少測(cè)量誤差。在另一側(cè)（高壓繞組）施加額定頻率的電壓，通過調(diào)壓器緩慢升壓，直至繞組電流達(dá)到額定值。

   • 數(shù)據(jù)采集：同時(shí)記錄三相電壓、三相電流和輸入的三相有功功率。宜采用三功率表法，以獲取更準(zhǔn)確的結(jié)果。

   • 適用性：這是符合變壓器實(shí)際運(yùn)行工況的試驗(yàn)方法，為首選方法。

2. 單相電源法：

   • 操作要點(diǎn)：使用單相電源，依次對(duì)變壓器的三個(gè)相進(jìn)行測(cè)量。以AB相為例，將低壓繞組ab相短路，在高壓繞組AB相施加電壓，使電流達(dá)到額定相電流。

   • 數(shù)據(jù)計(jì)算：分別測(cè)量并記錄每相的短路阻抗和負(fù)載損耗。對(duì)于三相變壓器的總負(fù)載損耗，通常取三個(gè)單相測(cè)量值的算術(shù)平均值。對(duì)于短路阻抗，需根據(jù)繞組聯(lián)結(jié)組別進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算。

   • 適用性：適用于現(xiàn)場(chǎng)缺乏大容量三相電源，或?qū)嶒?yàn)室電源容量不足的情況。其結(jié)果與三相法存在理論上的等效性，但可能無法完全反映三相磁路的相互影響。

關(guān)鍵操作要點(diǎn)：

• 測(cè)量前，變壓器應(yīng)處于環(huán)境溫度狀態(tài)（冷態(tài)）。

• 短路連接必須牢固，接觸電阻要極小。

• 測(cè)量?jī)x表（電壓表、電流表、功率表）的精度等級(jí)通常要求不低于0.5級(jí)，互感器精度不低于0.2級(jí)。

• 電源頻率必須穩(wěn)定在額定值，否則需對(duì)阻抗進(jìn)行頻率修正。

• 應(yīng)注意排除外界電磁場(chǎng)的干擾，功率表的電壓取樣點(diǎn)應(yīng)位于電流取樣點(diǎn)的變壓器側(cè)，以包含變壓器自身的損耗。

六、檢測(cè)儀器

檢測(cè)系統(tǒng)主要由以下設(shè)備構(gòu)成：

1. 試驗(yàn)電源系統(tǒng)：

   • 調(diào)壓器：通常采用感應(yīng)調(diào)壓器或電動(dòng)調(diào)壓器，要求輸出電壓平滑可調(diào)，容量能滿足變壓器額定電流下的短路功率需求，波形畸變率小。

   • 發(fā)電機(jī)組：在大型變壓器試驗(yàn)站，采用同步發(fā)電機(jī)組作為電源，能提供穩(wěn)定、純凈的正弦波，是高標(biāo)準(zhǔn)的電源形式。

2. 電量測(cè)量系統(tǒng)：

   • 高精度功率分析儀/三相功率表：核心測(cè)量設(shè)備，需具備多通道同步采樣能力，能同時(shí)測(cè)量多路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等參數(shù)，基本精度優(yōu)于0.1%。

   • 電壓/電流互感器：用于擴(kuò)展儀表的量程，要求比差和角差精度高，尤其在低功率因數(shù)下，角差對(duì)功率測(cè)量影響顯著。

   • 直流電阻測(cè)試儀：采用四線法測(cè)量原理的微歐計(jì)，能輸出穩(wěn)定電流并精確測(cè)量繞組兩端電壓，以消除引線電阻影響，精度高，分辨率可達(dá)1μΩ。

3. 輔助設(shè)備：

   • 標(biāo)準(zhǔn)短接排：低電阻、高載流能力的銅制連接排。

   • 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)：用于自動(dòng)控制升壓過程、同步采集數(shù)據(jù)、計(jì)算和生成報(bào)告。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)分析方法：

   • 一致性檢查：將測(cè)得的負(fù)載損耗和短路阻抗值與產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)GB 20052或IEEE Std C57.12.01規(guī)定的限值進(jìn)行對(duì)比，判斷是否合格。

   • 三相平衡性分析：在三相測(cè)量中，比較三相的負(fù)載損耗和短路阻抗值。對(duì)于對(duì)稱設(shè)計(jì)的變壓器，各相數(shù)據(jù)應(yīng)非常接近。顯著的不平衡可能預(yù)示著繞組變形、匝間短路或連接不良等缺陷。

   • 損耗構(gòu)成分析：通過直流電阻計(jì)算出的I²R損耗，與總負(fù)載損耗比較，評(píng)估附加損耗的比例。對(duì)于非晶合金變壓器，附加損耗通常在合理范圍內(nèi)。若附加損耗異常偏高，可能源于漏磁通控制不當(dāng)、結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)不合理或存在局部過熱點(diǎn)。

   • 趨勢(shì)分析與歷史對(duì)比：將本次測(cè)量結(jié)果與出廠值、歷次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)對(duì)比。若負(fù)載損耗或直流電阻有明顯增大，是繞組老化、接觸劣化的重要征兆。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 負(fù)載損耗：實(shí)測(cè)值（折算到參考溫度后）不應(yīng)超過技術(shù)協(xié)議或能效標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定限值的+15%。同時(shí)，各相損耗值與平均值的偏差通常不應(yīng)超過±5%。

   • 短路阻抗：實(shí)測(cè)值與額定標(biāo)準(zhǔn)值的偏差應(yīng)在±10% 以內(nèi)（除非另有規(guī)定，如多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行要求更嚴(yán)格的偏差）。對(duì)于三相變壓器，各相阻抗值與平均值的偏差不應(yīng)超過±5%。

   • 直流電阻：各相繞組直流電阻值，在校正到相同溫度后，相互間的差別不應(yīng)超過±2%（對(duì)于三角形連接，應(yīng)進(jìn)行線電阻到相電阻的換算）。

任何超出上述評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果，均需進(jìn)行深入調(diào)查，分析原因，判斷變壓器是否存在潛在故障或質(zhì)量隱患，并為設(shè)備的驗(yàn)收、投運(yùn)和維護(hù)提供決定性依據(jù)。