干式非晶合金變壓器部分參數(shù)檢測技術(shù)研究

一、檢測原理

干式非晶合金變壓器的性能檢測基于電磁感應(yīng)、絕緣介質(zhì)響應(yīng)、熱力學(xué)、聲學(xué)及材料科學(xué)等多學(xué)科原理。

1. 空載損耗與空載電流檢測原理：空載損耗主要由鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗構(gòu)成。非晶合金具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力的特性，其磁滯回線面積狹小，理論上磁滯損耗顯著低于硅鋼片。檢測時(shí)，在變壓器一側(cè)繞組施加額定頻率的正弦波額定電壓，另一側(cè)開路，通過測量此時(shí)輸入繞組的功率（主要用以克服鐵芯損耗）和電流（勵(lì)磁電流），即可獲得空載損耗和空載電流。其科學(xué)依據(jù)是鐵芯在交變磁場中的能量消耗規(guī)律。

2. 負(fù)載損耗與短路阻抗檢測原理：負(fù)載損耗主要由繞組的直流電阻損耗（I²R）和附加損耗（如渦流損耗、雜散損耗）構(gòu)成。檢測時(shí)，將變壓器一側(cè)繞組短路，在另一側(cè)繞組施加額定頻率的電流，使電流達(dá)到額定電流值，此時(shí)測得的功率即為負(fù)載損耗。短路阻抗通過測量施加的電壓與額定電壓之比計(jì)算得出，其物理本質(zhì)是變壓器繞組的漏阻抗。

3. 局部放電檢測原理：當(dāng)變壓器內(nèi)部存在電場集中點(diǎn)（如絕緣氣隙、金屬尖刺）時(shí)，其電場強(qiáng)度可能超過該處介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)，引發(fā)局部介質(zhì)擊穿，即局部放電。PD會(huì)產(chǎn)生脈沖電流、電磁波、超聲波、以及光、熱等物理化學(xué)現(xiàn)象。通過耦合電容器檢測脈沖電流，或通過超聲波傳感器檢測聲信號(hào)，可以判斷PD的強(qiáng)弱和位置，評(píng)估絕緣系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

4. 絕緣電阻與吸收比檢測原理：在直流電壓作用下，絕緣介質(zhì)會(huì)流過幾何電容充電電流、吸收電流和泄漏電流。絕緣電阻主要反映泄漏電流的大小，表征絕緣的整體受潮或劣化情況。吸收比（K = R60s / R15s）則反映了絕緣介質(zhì)吸收現(xiàn)象的強(qiáng)弱，對(duì)于干燥、良好的絕緣，吸收電流衰減慢，吸收比明顯大于1；受潮嚴(yán)重時(shí)，泄漏電流主導(dǎo)，吸收比接近1。

5. 溫升試驗(yàn)原理：模擬變壓器在額定工況下的運(yùn)行，通過直接負(fù)載法或相互負(fù)載法，使變壓器各部分達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。測量繞組（通常采用電阻法）、鐵芯及結(jié)構(gòu)件的溫度與環(huán)境溫度的差值。其依據(jù)是變壓器的熱平衡方程，損耗產(chǎn)生的熱量與散熱達(dá)到平衡。

二、檢測項(xiàng)目

干式非晶合金變壓器的檢測項(xiàng)目可系統(tǒng)分類如下：

1. 例行試驗(yàn)：每臺(tái)變壓器均需進(jìn)行的出廠檢驗(yàn)。

   • 繞組直流電阻測量

   • 電壓比測量和聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)檢定

   • 短路阻抗和負(fù)載損耗測量

   • 空載電流和空載損耗測量

   • 繞組絕緣電阻、吸收比或極化指數(shù)測量

   • 外施耐壓試驗(yàn)

   • 感應(yīng)耐壓試驗(yàn)

   • 局部放電測量

2. 型式試驗(yàn)：對(duì)代表性產(chǎn)品進(jìn)行的全面性能驗(yàn)證。

   • 溫升試驗(yàn)

   • 雷電沖擊試驗(yàn)

   • 聲級(jí)測定

3. 特殊試驗(yàn)：根據(jù)用戶要求或特殊需求進(jìn)行的試驗(yàn)。

   • 短路承受能力試驗(yàn)

   • 諧波電流下的損耗測量

   • 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)（如濕熱、鹽霧）

   • 燃燒性能試驗(yàn)

三、檢測范圍

干式非晶合金變壓器因其節(jié)能特性，檢測范圍覆蓋以下主要行業(yè)領(lǐng)域：

1. 配電網(wǎng)領(lǐng)域：10kV/0.4kV配電變壓器是核心應(yīng)用。檢測需關(guān)注空載損耗、噪聲水平、防火性能及長期運(yùn)行可靠性，以滿足城市電網(wǎng)、農(nóng)村電網(wǎng)改造對(duì)能效和安全的苛刻要求。

2. 新能源領(lǐng)域：光伏逆變升壓變壓器、風(fēng)電箱式變電站。檢測需關(guān)注在諧波含量較高的非正弦波電流下的損耗特性、過載能力及惡劣環(huán)境（如高海拔、高溫、高濕）下的絕緣性能。

3. 軌道交通領(lǐng)域：牽引供電、車站及隧道配電。檢測需強(qiáng)化振動(dòng)適應(yīng)性、短路承受能力、防火等級(jí)（通常要求高）及低噪聲指標(biāo)。

4. 工業(yè)領(lǐng)域：冶金、化工、數(shù)據(jù)中心等。檢測在于抗短路能力、電壓穩(wěn)定性、在非線性負(fù)載下的性能以及溫升控制，確保對(duì)敏感負(fù)載供電的連續(xù)性和質(zhì)量。

5. 建筑樓宇領(lǐng)域：檢測需嚴(yán)格遵守防火標(biāo)準(zhǔn)（如阻燃、低煙無鹵）、低噪聲標(biāo)準(zhǔn)，并驗(yàn)證其在小容量、緊湊空間下的散熱性能。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)干式非晶合金變壓器的技術(shù)要求各有側(cè)重。

• 國內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)：

  • GB/T 25446-2019《干式非晶合金鐵心配電變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》：核心標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了技術(shù)參數(shù)、試驗(yàn)方法、標(biāo)志包裝等。

  • GB 1094.11-2023《電力變壓器 第11部分：干式變壓器》：通用性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋所有干式變壓器的共同要求。

  • GB/T 22072-2019《干式非晶合金鐵心配電變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》 與25446類似，需注意版本差異。

  • 能源局標(biāo)準(zhǔn)NB/T 42009-2023《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》：引導(dǎo)變壓器（包括非晶變）的應(yīng)用。

• 主要標(biāo)準(zhǔn)：

  • IEC 60076-11:2023《Power transformers - Part 11: Dry-type transformers》：電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，是技術(shù)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。

  • IEEE Std C57.12.01-2023《IEEE Standard for General Requirements for Dry-Type Distribution and Power Transformers》：美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，在北美地區(qū)具有性。

  • UL 1562《Standard for Dry-Type General Purpose and Power Transformers》：美國安全檢測實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)重于安全性能。

• 對(duì)比分析：

  • 能效要求：中國標(biāo)準(zhǔn)（如GB 20052）對(duì)能效等級(jí)的限定值通常更為嚴(yán)格，尤其是空載損耗，積極推動(dòng)非晶合金等材料的應(yīng)用。

  • 安全與測試：IEC與GB標(biāo)準(zhǔn)在主要試驗(yàn)項(xiàng)目（如耐壓、溫升）上已基本接軌。IEEE和UL標(biāo)準(zhǔn)在細(xì)節(jié)要求、安全認(rèn)證流程上更具特色，例如對(duì)材料阻燃性的測試方法可能有所不同。

  • 環(huán)境適應(yīng)性：IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同氣候條件（如C1, C2, E0, E1, E2級(jí)）的劃分更為系統(tǒng)。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)正逐步采納和完善這些分類。

五、檢測方法

1. 空載損耗檢測：

   • 方法：三相電源法，在低壓側(cè)施加額定頻率的額定電壓，高壓側(cè)開路。

   • 要點(diǎn)：電源電壓應(yīng)為正弦波，波形畸變率需小于5%。需采用低功率因數(shù)瓦特表或高精度功率分析儀，以準(zhǔn)確測量微小相位差的功率值。需扣除儀表本身的損耗。

2. 局部放電檢測：

   • 方法：電氣脈沖法（依據(jù)IEC 60270）是標(biāo)準(zhǔn)方法。超聲波定位法作為輔助。

   • 要點(diǎn)：試驗(yàn)前需進(jìn)行背景噪聲測量并屏蔽。施加電壓程序?yàn)椋荷令A(yù)加電壓（如1.1Um/√3），保持規(guī)定時(shí)間，再降至測量電壓（如1.1Um/√3），在此電壓下測量PD量。需區(qū)分內(nèi)部放電與外部干擾。

3. 溫升試驗(yàn)：

   • 方法：直接負(fù)載法（準(zhǔn)確，但耗能）、相互負(fù)載法（常用）、短路法（等效法）。

   • 要點(diǎn)：試驗(yàn)需持續(xù)至變壓器各部位在后4小時(shí)內(nèi)溫升變化不超過2K，即達(dá)到熱穩(wěn)定。繞組熱電阻應(yīng)在斷電后盡可能短的時(shí)間內(nèi)（如90秒內(nèi)）完成多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電阻測量，外推至斷電瞬間的電阻值進(jìn)行計(jì)算。

4. 繞組直流電阻測量：

   • 方法：電壓降法或?qū)Ｓ弥绷麟娮铚y試儀法。

   • 要點(diǎn)：測量時(shí)繞組導(dǎo)線溫度應(yīng)與環(huán)境溫度一致。需待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄，以消除電感效應(yīng)。對(duì)于大型變壓器，充電時(shí)間可能較長。

六、檢測儀器

1. 功率分析儀：用于損耗測量。要求高精度（通常0.1級(jí)或更高）、寬頻帶（能適應(yīng)諧波分析）、多通道同步測量能力。

2. 變壓器綜合測試系統(tǒng)：集成化設(shè)備，可自動(dòng)完成變比、直流電阻、阻抗電壓、負(fù)載損耗等多項(xiàng)例行試驗(yàn)。

3. 局部放電檢測系統(tǒng)：由無暈試驗(yàn)變壓器、耦合電容器、檢測阻抗和PD分析儀組成。要求檢測靈敏度高（可達(dá)幾個(gè)pC），抗干擾能力強(qiáng)。

4. 絕緣電阻測試儀（兆歐表）：輸出直流高壓通常為500V, 1000V, 2500V, 5000V等多檔位。要求輸出電壓穩(wěn)定，測量范圍寬。

5. 直流電阻測試儀：通常采用恒流源法，輸出電流從毫安到數(shù)十安培不等。要求能快速穩(wěn)定，并具備消磁功能以減小鐵芯剩磁影響。

6. 熱成像儀：用于溫升試驗(yàn)中輔助測量變壓器外殼、引線端子的溫度分布，具有非接觸、直觀的優(yōu)點(diǎn)。

七、結(jié)果分析

1. 空載損耗與電流：

   • 分析方法：與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值、技術(shù)協(xié)議要求值及同批次產(chǎn)品歷史數(shù)據(jù)對(duì)比。

   • 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)測值不應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議規(guī)定的允差范圍（通常為+15%）。若空載損耗異常偏高，可能預(yù)示鐵芯材料不良、片間短路、制造工藝缺陷（如鐵芯受力）；空載電流過大可能與鐵芯磁路設(shè)計(jì)、接縫工藝或匝數(shù)錯(cuò)誤有關(guān)。

2. 局部放電量：

   • 分析方法：觀察在規(guī)定測量電壓下的視在放電量。

   • 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)GB或IEC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于Um=12kV的變壓器，在1.1Um/√3電壓下，PD量通常要求≤10pC；對(duì)于Um=24kV/36kV，要求可能更嚴(yán)（如≤5pC）。PD量超標(biāo)或起始電壓/熄滅電壓過低，表明絕緣內(nèi)部存在危險(xiǎn)缺陷。

3. 絕緣電阻與吸收比：

   • 分析方法：比較相同溫度下的歷史數(shù)據(jù)，或與同類產(chǎn)品橫向比較。分析吸收比或極化指數(shù)的變化趨勢。

   • 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：絕緣電阻無絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，但通常要求高壓-低壓及地之間在常溫下不低于某一經(jīng)驗(yàn)值（如1000MΩ）。吸收比（K）在10-30℃時(shí)，對(duì)于環(huán)氧樹脂澆注型干式變，一般要求K≥1.3。若絕緣電阻顯著下降或吸收比接近1，表明絕緣嚴(yán)重受潮或表面臟污。

4. 溫升結(jié)果：

   • 分析方法：將實(shí)測的各部位溫升值與標(biāo)準(zhǔn)限值對(duì)比。

   • 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)絕緣耐熱等級(jí)（如F級(jí)、H級(jí)），繞組平均溫升限值（電阻法）分別為100K、125K等。鐵芯、金屬部件及外殼的溫升也有限制（如鐵芯表面溫升不得超過與其接觸的絕緣材料允許溫升）。溫升超標(biāo)意味著散熱設(shè)計(jì)不良或存在過熱點(diǎn)，將嚴(yán)重影響絕緣壽命。

5. 負(fù)載損耗與短路阻抗：

   • 分析方法：將實(shí)測值折算到參考溫度（如75℃或115℃）后，與標(biāo)準(zhǔn)值或設(shè)計(jì)值比較。

   • 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：負(fù)載損耗允差通常為+15%。短路阻抗允差為±10%（對(duì)于額定分接）。損耗偏大可能源于繞組直流電阻超標(biāo)、附加損耗計(jì)算不當(dāng)或結(jié)構(gòu)件渦流損耗過大；阻抗偏差過大可能影響系統(tǒng)短路電流計(jì)算和保護(hù)整定。