一种配电变压器温升自动测量系统的研制

郑志曜，李 志，劳增江，柯定芳，余绍峰

（浙江华电器材检测研究所有限公司，杭州 311214）

0 引言

为落实公司“突出配电网建设改造、提升电网发展水平”的决策部署，十三五期间有大量的配网设备入网运行[1]。为保障电网本质安全和设备坚固可靠，入网物资抽检是配网设备质量管控工作的重要环节。以配电变压器（简称配变）为例，国网浙江省电力有限公司2017年采购量约为14 000余台[2-3]，抽检率10%时抽检量有1 400余台，这就要求检测单位月检测配变量需达100多台。而在配变抽检试验中，温升试验耗时最长，油浸式需要8～12 h，干式需要23～26 h。因此，为提高配变检测效率，在增加温升试验装置的同时，集约化、智能化检测手段也是必不可少的。

温升试验属于变压器试验中的型式试验，是验证变压器设计结构及冷却系统是否合理，考核变压器使用寿命和安全性的重要试验[4-5]。现阶段对变压器温升试验的研究很多，但主要集中于工艺设计和不确定度计算方面，对温升试验自动测量方面的研究较少。文献[6]提到的电力变压器温升自动控制只是针对温升试验过程中温度、电流和功率等参数的实时监控和记录，缺少对温升结束时的自动测量和计算；而文献[7-9]提到的温升自动测试系统只针对了电子电路类变压器，试验过程和计算方法与电力变压器不符。故提出一种针对配电变压器温升试验的自动测量系统，在温升过程、测量和计算中均能实时自动控制，真正意义上地做到了一次接线完成整个试验，减少人为干预和人力投入，大大提高了试验效率和试验成功率。

1 配电变压器温升试验概述

1.1 油浸式配电变压器温升试验

油浸式配电变压器温升试验按照GB 1094.2-2013《电力变压器第2部分：液浸式变压器的温升》中7.3.2的双绕组变压器短路试验法进行[10]，具体试验方法如下：

（1）施加总损耗阶段（第1阶段）。当施加对应于变压器最大总损耗的试验电流时，可以测定顶层液体温升和液体平均温升。试验中要监测顶层液体和冷却介质的温度，试验需持续进行直到液体的温升稳定为止。当顶层液体温升的变化率小于1 K/h并至少维持3 h时，本试验阶段可以结束。如果每隔30 min记录离散的温度值，则取最后1 h内读数的平均值作为试验结果；若使用自动连续记录装置，则取最后1 h内的平均值。

（2）施加额定电流（第2阶段）。顶层液体温升测定之后，应立即将试验电流降至额定电流继续试验。持续1 h，在此期间应至少每间隔5 min记录1次顶层液体、绕组热点（如果测量）和外部冷却介质的温度。施加额定电流1 h结束时，应迅速切断电源和断开短路接线，测量2个绕组的电阻（最好在1 min之内读取第1个电阻值）。

1.2 干式配电变压器温升试验

干式配电变压器温升试验按照GB 1094.11-2007《电力变压器第11部分：干式变压器》中23.2.1的模拟负载法进行[11]，具体试验方法如下：

（1）先进行空载试验。在变压器低压侧施加额定电压，监测铁心和高低压侧绕组温度。当铁心和绕组温度的变化率小于1 K/h并至少维持3 h时，空载下的温升试验可以结束，测量并记录断电瞬间2个绕组的电阻值。

（2）再进行负载试验。变压器低压侧短路，高压侧施加额定电流，监测铁心和高低压侧绕组温度。当铁心和绕组温度的变化率小于1 K/h并至少维持3 h时，负载下的温升试验可以结束，测量并记录断电瞬间2个绕组的电阻值。最后，根据两种试验接线方法下各自测得的高低压侧绕组温升，通过修正公式计算得到干式配电变压器的最终温升结果。

2 温升自动测量系统设计与实现

2.1 温升自动测量操作流程设计

温升自动测量是指变压器在完成试验准备布置和试验接线后，在送电过程中能自动监测各测温点温度，并对异常状况能报警断电，同时能实时控制试验过程中的总功率、电流或电压等变量，自动判断温升是否稳定，最后能自动断电和测量热电阻阻值，得出温升计算结果并给出试验结论。

油浸式配变和干式配变的操作流程设计如图1和图2所示。

图1 油浸式配变操作流程

2.2 软件架构与界面设计

配变温升自动测量系统采用模块化结构设计，软件结构设计如图3所示。

配变温升自动测量系统软件是基于VC6.0下MFC模块编程环境实现的。上位机显示主界面与数据计算界面分别如图4和图5所示。

图2 干式配变操作流程

图3 温升自动测量系统软件结构

图4 上位机显示主界面

2.3 系统硬件配置与实现

主要测试仪器设备与工控机计算机、变压器测量控制单元、被试品配变之间的基本连接如图6所示。系统可支持测试设备的多种扩展接口，包括LAN，USB，RS-232，RS-485等。

由图6可知，配变高压侧接有三相负载输出，同时AB2个端子接有直流电阻测试仪高压输出端；低压侧接有软铜导线并搭配接触器，同时ab 2个端子接有直流电阻测试仪低压输出端，其中接触器在送电过程中常闭用于短接低压侧绕组，断电后接触器断开同时导通直流电阻测试仪电源，切换成热电阻测量模式。该接线方法能满足试验前一次接线后，试验过程和温升测量过程均能通过工控机自动控制实现。

配变温升试验现场接线布置如图7所示。

3 温升自动测量系统验证

配变温升自动测量系统与传统温升低压侧铜排短接方法存在区别，但低压侧软铜线和接触器带来的额外电阻和损耗是否影响温升结果准确度；直流电阻测试仪接线端试验过程中长时间接在变压器端子上，其断电后电阻测量是否与传统电阻测量结果相符需要进一步研究。以S13-M-200/10油浸式配电变压器温升试验为例，分别按照温升自动测量系统和传统温升试验方法进行温升试验，2次测得的温升结果如表1所示。

由表1可知，2种试验方式下的温升结果误差最大为1 K，小于传统温升不确定分析的约2 K误差[12-14]，说明配变温升自动测量系统温升结果在可接受范围内，满足试验要求。

此外，相比于传统手动式拆接线的温升试验方法，温升自动测量系统在以下方面更具优越性：

（1）断电后热电阻测量速度更快，绕组断电瞬间平均温度拟合值更精确。

（2）降低了在温升热电阻测量过程中拆线带来的延时误差、热态电阻测量误差以及重复性误差等多方面不确定度误差来源。

（3）系统具备更完善的安全警报防护措施，避免仪器和被试品发生过流、过压、温度超限等异常情况。

（4）通过系统实现的温升试验原则上只需1人完成试验前接线，试验过程全自动控制，试验结果自动测量计算，将人力从单一冗长的试验中解放出来，提高了工作效率。

图5 上位机数据计算界面

图6 温升自动测量系统主要仪器设备连接示意

图7 温升自动测量系统现场接线

4 温升自动测量系统误差分析

结合温升试验实际情况，在不考虑硬件仪器本身带来的测量误差外，配变温升自动测量系统的误差主要来自于冷电阻和热电阻测量所带来的误差。

表1 温升结果对比

热电阻测量误差主要源自直流电阻测试仪的测试线夹端子是否可靠接触了变压器端子，如果存在虚接、误触则会使直阻仪不能充电测量或者测出的电阻值有误。此外，直阻仪的通讯接口与工控机是否可靠连接也是影响试验成功率的因素之一。

冷电阻测量误差主要源自冷态环境下的油顶层温度是否正确。已知绕组电阻与温度换算公式如式（1）所示。

式中：t1和r1为冷态温度和冷态电阻；t2和r2为热态温度和热态电阻；k为电阻温度常数，铜线时取235。

若此时冷态温度测量值变为t1+Δt1，即引进测量误差 Δt1， 带入式（1）得到新的热态温度 t2′，如式（2）所示。

将t2′减去t2，得到热态温度误差Δt2如式（3）所示。

考虑企业节约配变制造成本，在配变温升时其绕组平均温升会略小于标准临界值65 K。这里假设绕组平均温升为60 K，则热态温度t2为t1+60℃，代入式（1）和式（3），得到热态温度误差Δt2与冷态温度误差 Δt1之比为（t1+295）/（t1+235）。 由此可以看出，冷态温度越低时，反映到最后的热态温度误差越大。假设t1为20℃，当冷态温度测量误差为1℃时，带来的热态温度误差为1.24℃。因此，在冷电阻测量过程中，冷态环境下油顶层温度的测量准确度是影响温升试验结果的关键因素之一，当冷态温度测量有较大误差时，很可能会造成原本合格的温升结果变为不合格。

5 结语

以上研究的配电变压器温升自动测量系统，把微计算机控制技术引入变压器温升试验，结合温升试验流程，从软件和硬件上实现了温升试验的自动控制、测量与计算。相比于传统手动式拆接线温升试验，温升自动测量系统免去了试验中的人工干预，试验过程和测试过程更自动智能，解放了人力并提高了工作效率，同时保证温升试验的成功率和稳定性。最后，分析了温升自动测量过程中可能带来的误差来源，提出了热电阻和冷电阻测量的注意事项，确保温升结果的准确可靠。

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