在线测量10kV配电变压器损耗的方法研究

朱矿男，王 迪，金 洋，李 泽，吴嘉慧

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130000；3.吉林延边供电公司 吉林 延吉 133000；4.吉林油田供电公司，吉林 松原 138000；5.吉林供电公司，吉林 吉林 132000)

在线测量10kV配电变压器损耗的方法研究

朱矿男1，王 迪2，金 洋3，李 泽4，吴嘉慧5

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130000；3.吉林延边供电公司 吉林 延吉 133000；4.吉林油田供电公司，吉林 松原 138000；5.吉林供电公司，吉林 吉林 132000)

在我国，10 kV配电变压器应用较为广泛，对在线测量变压器损耗的方法进行研究有利于电力系统安全可靠运行。在考虑谐波的影响下，实现对变压器损耗实时高效的检测，进而准确判断故障、达到节能降耗的目的。首先把损耗分解为基波损耗及谐波损耗两部分。通过变压器的等效电路模型得出变压器短路阻抗与变压器一、二次侧电压电流关系，理论推导将运行中的变压器不变损耗和可变损耗分解开，依据不变损耗近似为铁耗，可变损耗近似为额定电流下的铜耗，以此为原则来完成配电变压器基波损耗的在线测量。另外建立谐波损耗模型，针对谐波次数对损耗的影响做出分析。在仿真平台上进行仿真，主要针对10 kV配电变压器来建立一套完整的配电变压器检测系统，仿真结果的开路损耗和短路损耗分别在0.42%和2.23%以下，该方法有很好的准确性和普适性。

变压器，在线检测，开路损耗，短路损耗，谐波损耗

在整个电力系统中，变压器占有重要地位，变压器不仅可以改变电压电流的大小，而且还能完成传输功率、改变相位的任务。变压器性能的优劣程度直接影响电力系统安全稳定性，在电力系统的所有损耗中，变压器损耗所占的份额尤其突出，根据相关资料表明，在我国10 kV配电变压器损耗的电能约为30 TWh～50 TWh，占发电总量的4%～5%。且有大部分没有达到寿命年限的变压器因工作环境恶劣，内部元件老化严重，造成损耗大幅增加，由此所带负载能力也随之下降。目前，判断变压器是否处于高损耗状态的方法是对开路损耗和短路损耗的离线检测，不仅浪费资源，且受环境因素影响有诸多不便。针对这一问题，在线检测开路损耗和短路损耗及谐波损耗不仅仅可以节约能源、提高供电效率、保护生态环境，还可以及时发现潜在的故障避免事故发生，以保障电网安全稳定运行[1]。

变压器的损耗分为基波损耗和谐波损耗，其中基波损耗包括开路损耗和短路损耗，对于这两种损耗的实时监测可以让工作人员实时了解变压器的运行效率和变压器性能是否满足正常运行要求，提高了设备的利用效率。而谐波损耗主要是由负载引起的谐波对变压器造成的损耗。据相关资料表明，5次谐波含量在20%时，变压器损耗增加15%。由此，对谐波损耗的在线测量对提高变压器负载能力及维护供电系统稳定有重要意义[2-3]。

目前电力部门进行的空载试验和短路试验都是在离线状态下进行的，如果需要对变压器损耗进行检测必须使运行中的变压器停止运行，从而造成供电中断。这样不但浪费了大量的人力物力财力，而且又影响了供电的可靠性。且谐波损耗随负载变化而变化，在线测量可真实反映变压器运行情况[4]。如今，变压器的在线检测主要包括变压器油气体检测、变压器局部放电检测、介质损耗系数在线检测，而研究变压器损耗在线检测比较少[5]。本文针对配电变压器的损耗在线检测展开研究[6]，进行了数学推导和仿真平台的搭建。

1 检测方法

变压器损耗测试方法总体上分为以下四种：(1)采用开路、短路试验方法测量变压器铁耗与铜耗，但是这种方法不能用于在线测试，而且这种方法还受到电源容量限制，如果电源容量较小，试验的电压波形会产生较大的失真，测量会产生很大的误差[7]；(2)测量变压器的一次侧和二次侧的输入与输出功率表，通过做差求得变压器的功率损耗，这种在线方法只能测量出总损耗而不能得到变压器铁耗、铜耗的具体值，即不能分出铁耗与铜耗[8]；(3)用求和的方法在线测量，这种方法的原理简单、精度准确，但是算法本身很复杂；(4)针对谐波损耗，依据变压器T型等效电路推导出谐波计算公式，但高压侧电流参数测量难度大，计算复杂。

本文介绍现场不断电情况下在线检测变压器损耗，实现在线检测空载损耗、短路损耗及谐波损耗，对比离线的检测方法，在线检测会获得很高的经济效益并且保证了电网安全可靠的运行[9]。

2 基波损耗的在线测量

2.1 损耗的分类

按照不变损耗近似为铁耗，可变损耗近似为额定电流下的铜耗的原则，附加的铁耗和铜耗忽略不计，用等效电路研究变压器，其中单相变压器等值电路如图1所示。

图1 变压器等值电路

在图1中，r1、x1代表变压器一次侧绕组的电阻、电抗，r21、x21代表二次侧绕组折合到一次侧绕组的电阻、电感，rm和xm分别为变压器励磁电阻、电抗，u1、u2、i1、i2分别为一次侧电压，电流的瞬时值，u21、i21分别为二次侧电压、电流折合到一次侧的电压电流值，im为励磁电流，K为变压器变比。

在配电变压器中的介质损耗和散杂损耗测量比较困难，但是它们的数值很小，可以忽略不计。因此变压的损耗分为铁耗和铜耗，表达式如下：

P总损耗=P1-P2=u1i1-u2i2=PFe+Pcu.

(1)

2.2 在线单相变压器检测的基本原理

功率的大小为电压与电流的乘积，变压器的损耗为变压器原边与副边的功率瞬时值之差

(2)

其中：P(t)为总的损耗；P0(t)为空载损耗；Pk(t)为短路的损耗；K为变压器的变比。计算一个周期的变压器损耗的平均值分别为

(3)

(4)

也可以对公式(3)、公式(4)傅立叶离散化：

(5)

(6)

2.3 在线三相变压器检测的基本原理

三相变压器的开路和短路损耗可以看作是三个变压器的空载损耗和负载损耗之和，即：

(8)

图2 Yy0变压器等值电路图

2.4Yy0变压器在线检测

如图2所示，用PT和CT测出变压器一次二次的线电压和相电流信号，但是所测数据不能直接带入上述方程计算开路与短路损耗，但是Yy0连接组别的变压器，一次二次电流有Ia+Ib+Ic=0，则将Ib=-Ia-Ic带入公式(7)、公式(8)得到：

(9)

(10)

2.5Dyn11变压器在线检测

对于除Yy0连接组别的变压器，可以参照Yy0连接组别的算法推理出相应的开路损耗和短路损耗，如Dyn11连接组方式，如下图：

图3 Dyn11变压器等值电路图

将线电流iLA、iLB、iLC表示为如下形式：

(11)

因为iA+iB+iC=0，则容易推出如下相电流公式：

(12)

然后带入公式(7)、公式(8)就可以计算出Dyn11连接组别变压器的开路和短路损耗，实现变压器损耗的在线测量。

3 谐波损耗的在线检测原理

鉴于T型等效电路中一次侧电流不易测量，借助变压器的Г型等效电路创建其简化模型来计谐波损耗，将所有参数都归算到二次侧(包括一次侧的电阻和电抗)，如图4所示。

图4 第h次谐波下变压器Г型等效电路谐波模型

图4中，ih2为变压器二次侧第h次谐波电流；ih12为变压器一次侧归算到二次侧的第h次谐波电流；rh2为第h次谐波作用下变压器二次侧绕组电阻；xh2为第h次谐波作用下变压器二次侧绕组电抗；rh12为第h次谐波作用下变压器一次侧归算到二次侧的绕组电阻；xh12为第h次谐波作用下变压器一次侧归算到二次侧的绕组电抗；xh(m)2为第h次谐波作用下变压器二次侧的激磁电抗；rh(m)2为第h次谐波作用下变压器二次侧激磁电阻；uh12为变压器一次侧归算到二次侧第h次谐波电压；ih12为变压器一次侧归算到二次侧的第h次谐波电流；uh2为变压器二次侧第h次谐波电压。

根据变压器谐波损耗模型，测出二次侧谐波电流，即可得到谐波损耗计算公式：

(13)

其中：Iah2为变压器二次侧a相第h次谐波电流有效值；Ibh2为变压器二次侧b相第h次谐波电流有效值；Ich2为变压器二次侧c相第h次谐波电流有效值；PEC-R(pu)为变压器涡流损耗系数。

PEC-R(pu)的取值如表1所示：

表1 PEC-R(pu)的取值选择

4 变压器在线检测仿真验证

为了验证变压器空载损耗和短路损耗在线检测方法的正确性，采用MATLAB/SIMULZNK搭建的三相变压器仿真模型如图5所示，对变压器进行在线仿真研究。仿真应用的是Yyn连接组别的变压器，变压器的容量为SN=30 kVA，变压器的额定电压比为10/0.4 kV，变压器的额定频率为50 Hz。变压器的空载试验、短路试验所得的结果如表2所示。

图5 变压器在线检测仿真图

表2 变压器试验结果

表3 变压器开路和短路在线仿真数据

仿真结果，如表3所示。从表3中可以看出负载电流的大小直接影响着可变损耗即铜耗的大小，可变损耗与负载电流之间的拟合关系如图6所示。

图6 可变损耗与负载电流关系

由表3中的数据还可以看出不变损耗即铁耗是一个相对固定的值，这和理论铁耗近似不变相吻合。

图7显示了10 kV级30 kVA配电变压器三相电压和电流的拟合曲线图。查阅相关资料得到实际测量的短路阻抗值为133.2 Ω，短路电阻值为92.75 Ω。图7中拟合线的斜率即为等效短路阻抗值，由图可知实测参数与拟合线非常吻合，故仿真误差很小。对不同负载情况对变压器在线仿真可以得出两种损耗如表4所示。

表4 不同负载损耗情况

在线仿真结果的开路损耗和短路损耗的结果与离线试验结果误差分别在0.42%和2.23%以下，可见本文提出来在线检测变压器损耗是正确的、可行的。

在变压器三相负载平衡且功率一定时，通过改变变压器各次谐波含有率，进而改变变压器谐波电流，计算出谐波次数与变压器谐波损耗之间的变化关系，如图8所示。

由此可以看出谐波含有率相同时，谐波次数越高，谐波损耗也随之增加。此方法实现了在线检测谐波损耗，对于降低变压器损耗，判断运行状态提供了参考。仿真结果则验证了模型建立的正确性及可行性。

图7 短路阻抗与负载电流拟合关系图8 谐波次数与谐波损耗的关系

5 结 论

利用运行中变压器的运行电压电流分别求出变压器的开路损耗和短路损耗是可行的，并且仿真验证了改进的变压器谐波损耗模型的正确性和简便性。利用在线检测出来的损耗即空载、短路损耗及谐波损耗可以有效的估计挂网运行中变压器的性能指标，达到节能降损和保证电网稳定运行的作用，拥有非常大的效益和发展前景，正确的处理变压器在线损耗检测将会带来重大的经济与社会效益。

[1] 杨俊，杜玮，向冬冬，等.变压器在线监测设备优选研究[J].电工电气，2014(10)：44-47.

[2] 李国庆，王振浩，王晓冲，等.一种新型的变压器铁心多点接地在线监测装置[J].东北电力大学学报，2006，26(1)：1-4.

[3] 王钟.一种新的电力变压器在线监测方法的研究[J].四川电力技术，2005，28(5)：10-12.

[4] 胡国辉，何为，王科.配电变压器谐波附加损耗在线监测系统研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(22)：62-67.

[5] 梁永亮，李可军，赵建国，等.变压器油色谱在线监测周期动态调整策略研究[J].中国电机工程学报，2014，34(9)：1446-1453.

[6] 程林，任士焱.三相变压器空载与负载损耗在线检测方法研究[J].仪器仪表学报，2005,26(8)：144-145.

[7] 梁永亮，李可军，牛林，等.变压器状态评估多层次不确定模型[J].电力系统自动化，2013，37(22)：73-78.

[8] Z.X.Jing，X.P.Chen.Notice of Retraction Optimization of distribution transformer capacity based on comprehensive economic perspective[C]// Power Engineering and Automation Conference.IEEE，2011：376-381.

[9] 胡锡幸，马涛，王文浩.浙江电网变电设备在线监测装置应用分析[J].浙江电力，2013(11)：2-5.

[10] 李朋.电力变压器短路电抗在线测量方法研究[J].电网与水力发电进展，2007，23(4)：15-19.

Abstract：In our country，the application of 10kV distribution transformer is more extensive.The research on the method of on-line measurement of transformer loss is beneficial to the safe and reliable operation of power system.The design of transformer loss measurement system can avoid power supply for off-line measurement of short circuit and open circuit loss caused by discontinuities，and considering the influence of harmonic，detection of transformer loss efficiently，and accurately determine the fault and achieve the purpose of energy saving.Firstly，the loss is divided into two parts：fundamental loss and harmonic loss.The equivalent circuit model of the transformer the transformer short-circuit impedance transformer with one or two voltage current relationship，theoretical derivation of the transformer in constant loss and variable loss decomposition，based on invariant approximation for the loss of iron loss and variable loss approximate to the rated current of the copper consumption，online measurement based on this principle to complete the distribution transformer harmonic loss.In addition，harmonic loss model is established to analyze the effect of harmonic frequency on loss.The simulation in the simulation platform，mainly for 10kV distribution transformer to establish a complete detection system of distribution transformer，the simulation results of the open circuit loss and the short-circuit loss respectively in 0.42% and 2.23%，the method has good accuracy and universality.

Keywords：Transformer；On line detection；Open circuit loss；Short circuit loss；Harmonic loss

OnLineMeasurementofLossof10kVDistributionTransformer

ZhuKuangnan1，WangDi2，JinYang3，LiZe4，WuJiahui5

(1.Electrical Engineering College，Northeast Eletric Power University，Jilin Jilin 132012；2.China Electric Power Engineering Consulting Group Northeast Electric Power Design Institute Co.，ltd.，Changchun Jilin 130000；3.Yanbian Jilin Power Supply Company，Yanji Jilin 133000；4.Jilin Oilfield Power Supply Company，Songyuan Jilin 138000；5.Jilin Power Supply Company，Jilin Jilin 132000)

TM406

A

2017-01-06

朱矿男(1994-)，女，在读硕士研究生，主要研究方向:电力系统分析与控制.

电子邮箱：zzzkkknnn@qq.com(朱矿男)；458553227@qq.com(王迪)；178841182@qq.com(金洋)；277617401@qq.com(李泽)；307904415@qq.com(吴嘉慧)

1005-2992(2017)05-0025-07