基于GB和IEC及IEEE标准探讨变压器短路试验及计算方法

何东升，苗本健，姚云涛

(1.国家智能电网输配电设备质量监督检验中心，广东 东莞 523325；2；云南通变电器有限公司，云南 通海 652700)

基于GB和IEC及IEEE标准探讨变压器短路试验及计算方法

何东升1，苗本健1，姚云涛2

(1.国家智能电网输配电设备质量监督检验中心，广东 东莞 523325；2；云南通变电器有限公司，云南 通海 652700)

介绍了电力变压器短路试验的基本情况，概述了国内外三个标准中电力变压器短路试验方法的差异性，通过方法溯源和公式推导，提供了不同频率和温度等测试条件下折算短路电流的计算方法。此研究对电力变压器短路试验方法及准确计算具有一定的指导意义，且进一步保证了短路试验考核的公正性和准确性。

标准；变压器；短路试验；计算方法；绝缘

1 引言

变压器短路承受能力试验，俗称“突发短路试验”，是专门用于检验变压器承受短路事故能力的特殊试验，是对变压器制造的综合技术能力和工艺水平的考核，利用试验中强短路电流产生的电动力检验变压器器身和各种导电部件的机械强度和热应力，其目的是为了考核变压器的动热稳定性。因此，突发短路试验是保证变压器抗短路能力的一项十分重要的特殊试验[1]。目前，我国变压器短路试验所遵循的GB(国标)标准是等效采用IEC(International Electrotechnical Commission，国际电工委员会)标准，而与IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师协会)标准之间存在一定差异。由于在短路试验过程中试验频率不同(分别为50Hz和60Hz)，短路电流必须进行折算，折算方法的正确性将直接影响到短路试验考核的真实性和有效性。

2 电力变压器短路试验简述

目前电力变压器短路试验，国内主要遵循标准为GB1094.1-2013《电力变压器第1部分 总则》和GB1094.5-2008《电力变压器第5部分 承受短路的能力》，分别等效采用对应于IEC标准为IEC60076-1-2011《Power transformers -Part 1:General》和IEC60076-5-2006《Power transformers-Part 5:Ability to withstand short circuit》，而美国主要遵循标准为IEEE C57.12.00-2010《 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配电源和调压变压器的标准通用要求)》和IEEE C57.12.90-2010《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配电源和调压变压器的标准试验规程)》。由于国标等效采用IEC标准，其试验方法和折算方法都完全一致，但对应于美标，由于试验频率、参考温度和系统阻抗不同，折算方法有所不同。

3 短路试验基本情况

GB1094.5-2008《电力变压器第5部分 承受短路的能力》(等同于IEC60076-5：2006)是目前国内变压器产品短路承受能力试验现行所遵循的标准。根据此标准，短路试验可采用两种方式[2]：(1)先短路法：即在变压器的二次侧预先短路，然后在一次侧进行励磁，如图1所示。这种方法为了尽可能地避免铁心饱和以及在试验最初的几个周期中产生过大的的磁化涌流叠加到短路电流上，而要求电源施加在离铁心柱最远的绕组上。此方法与IEEE Std C57.12.90-2010的12.2.1条“根据现有的电源电压，由于二次侧故障最严密反映了系统的故障状态，故应优先采用二次侧施加短路故障。”方法一致。

图1 先短路法试验接线图

(2)后短路法：即变压器一次绕组施加励磁电压，二次绕组利用短路装置进行短路的方式，如图2所示。这种方式更接近实际运行状态，与运行中变压器实际遭受短路故障一样，没有涌流的影响。

图2 后短路法试验接线图

4 国内外标准短路试验方法比较

三个标准对试验的要求存在一定差异，其差异性详见表1所示。

表1 GB和IEC及IEEE标准试验方法比较[1]～[8]

注1：本表仅针对应用最为广泛的油浸式电力变压器进行研究讨论，GB和IEC标准也适用于干式变压器；

注2：本表中美标主要指IEEE C57.12.90-2010和IEEE C57.12.00-2010。

以上表格内容显示，美标对于短路试验的要求规定得更为明确详细，但三者之间并无本质性差异，在试验中可以相互借鉴参考。

5 电力变压器短路计算方法比较

5.1 国标短路计算方法

由于目前国内试验电源和应用系统都为50Hz频率，所以仅需折算到对应参考温度下即可，国标GB1094.5-2008标准中第4.1节对于短路电流的计算给出了详细的计算公式，考虑到下章节将对美标短路电流计算进行详细推导，所以不再赘述。

5.2 IEC标准短路计算方法

国标GB1094.5-2008等效采用标准IEC60076-5-2008版本，短路电流计算方法也完全一致，所以不再赘述。

5.3 IEEE标准短路计算方法

5.3.1 负载损耗的计算

根据美标，负载损耗必须折算到参考温度85℃下，结合国内目前测试电源都为50Hz，所以，测试的负载损耗还必须进行频率折算。根据产品信息和测试结果，可以获取以下已知信息，如表2所示。

表2 铭牌信息及测试数据

电力变压器负载损耗中包含直流电阻损耗和附件损耗，其中直流电阻损耗与温度成正比，与频率无关；而附件损耗与温度成反比，与频率为1.34倍关系(依据IEEE Std C57.12.90-2010附录B.2)。

直流电阻总损耗：

(1)

温度系数k：

k=(235+85)/(235+t1)

(2)

校准到参考温度85℃下额定电流的电阻总损耗：

∑I2R850=k×(I2r/Ik)2×∑I2Rt

(3)

环境温度t℃下50Hz测试时额定电流的附加损耗PFt：

PFt=Pkt-∑I2Rt

(4)

(5)

(6)

(7)

5.3.2 短路阻抗的计算

变压器的短路阻抗中包括有功分量(电阻分量)和无功分量(电抗分量)，其中有功分量和温度有关，需要校正到参考温度，与频率无关，无需频率校正；而无功分量与温度无关，无需温度校正，与频率成正比，需进行频率校正。

试验温度下短路阻抗的有功分量zrt：

zrt=Pkt/(10SN)%

(8)

试验温度下短路阻抗zkt：

zkt=(Ukt/Ur)×(Ir/Ik)

(9)

在参考温度85℃下的短路阻抗有功分量：

zr850=Pk850/(10SN)%

(10)

50Hz下短路阻抗的无功分量不随温度改变，无功分量为：

(11)

(12)

60Hz下在参考温度85℃下的短路阻抗：

(13)

5.3.3 短路电流的计算

(14)

60Hz下参考温度85℃下变压器的短路阻抗(二次侧)：

(15)

60Hz下参考温度85℃下变压器的短路阻抗Z″T(一次侧)：

Z″T=Z′+n2=Z′×(U1r/U2r)2

(16)

一次侧(高压侧)对称电流ISC(HV)：

(17)

二次侧(低压侧)对称电流ISC(LV)：

ISC(LV)=ISC(HV)×n2=ISC(HV)×(U1r/U2r)2

(18)

二次侧电阻RLV：

(19)

二次侧电抗XLV：

(20)

峰值系数K：

K=XLV/RLV

(21)

查表IEEE Std C57.12.00-2010表14并计算得二次侧非对称电流：

一次侧非对称电流ISC(HR)pk：

ISC(HV)pk=KISC(HV)

(22)

二次侧非对称电流ISC(LV)pk：

ISC(LV)pk=KISC(LV)

(23)

6 结论

根据以上的讨论分析，由于地域不同，国情有别，对于电力变压器短路试验方法，在GB1094.5-2008和 IEC60076-5-2008以及 IEEE C57.12.90-2010三个标准中，虽然有一定的差异，但三者之间并无本质性差异，在试验中可以相互借鉴参考。对于不同频率、温度和系统阻抗等测试条件下试验，短路电流的计算必须进行折算，已确保短路电流的准确性和测试考核的公正性。

[1] GB1094.1-2013电力变压器第1部分 总则[S].2004.

[2] GB1094.5-2008 电力变压器第5部分 短路[S].2008.

[3] JB/T501-2006 电力变压器试验导则[S].2006.

[4] IEC60076-1-1993《Power transformers-Part 1:General》[S].1993,3,1.

[5] IEC60076-2-1993《Power transformers-Part 2:Temperature rise》[S].1993,4.

[6] IEC60076-2-2011《Power transformers-Part 2:Temperature rise》[S].2011,2.

[7] ANSI/IEEE C57.12.00-2006《 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers》[S].IEEE-SA标准委员会批准,2006,9.

[8] ANSI/IEEE C57.12.90-1999《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers》[S].IEEE标准委员会批准,1999,6.

[9] 胡启凡，保定天威保变电气股份有限公司.变压器试验技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

Discussion on Power Transformer Temperature-rise Test and Calculation Methods Based on the GB,IEC and ANSI Standard

HE Dong-sheng1,MIAO Ben-jian1,YAO Yun-tao2

(1.China National Quality Supervision and Testing Center for Mid-low Voltage Transmission and Distribution Equipment,Dongguan 523325,China;2.Yunnan Tongbian Apparatus Co.,Ltd,Tonghai 652700,China)

This paper introduces the current situation of power transformer temperature-rise test,and discusses the methodological differences in three standards,namely GB,IEC and ANSI,at home and abroad.Through traceability and formula derivation,the consistency of the final result of these three standard calculation methods has been verified.This study has great significance to power transformer temperature-rise test method,and further ensure the accuracy of the temperature-rise test results.

standard；transformer；temperature-rise test；calculation method；insulation

1004-289X(2017)01-0020-04

国家质量监督检验检疫总局科技计划项目(计划编号：2016QK026)

TM406

A

2016-01-04

何东升(1978-)，男，湖南衡阳人，高级工程师，硕士研究生，主要从事能源与动力系统中电力电子及其控制的应用和高低压电器产品的试验、认证与研发； 苗本健(1969-)，男，汉族，河南郑州人，教授级高工，长期从事高低压电器的技术研究和检测认证。 姚云涛(1973-)，男，汉族，云南通海人，工程师，长期从事变压器的技术开发研究和检测。