影响配电变压器负载损耗测量精度的研究

覃凯宁，廖姗姗，陈友鹏，罗海凹，刘顺桂，温倚嘉，欧志平

(1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518001；2.广东工业大学，广东 广州 510006；3.国家智能电网输配电设备质量监督检验中心，广东 东莞 523325；4.智检科技(广州)有限公司，广东 广州 510665)

1 引言

在电网中，变压器是电压等级变换的枢纽，在电力传输具有重要的作用。配电变压器是配电网主要的电力设备，也是配电网电能损耗的重要来源。空载损耗和负载损耗是变压器重要的性能参数，通常采用空载损耗和负载损耗来评价配电变压器的能效水平。新变压器投网运行前需进行例行试验，测量其负载损耗和空载损耗。遵循国家“节能减耗”相关法律法规的规定，对测量空负载损耗不合格的变压器，禁止投网运行。

在对配电变压器进行负载试验时，负载试验方法的采用决定了测量的精度，在试验过程中存在很多影响结果的因素，如直流电阻的测量、绕组温度、测量仪器以及铜排的使用方法等。为了研究这些因素对配电变压器负载试验的影响，本文从检测分析的角度分别探讨这些因素对负载损耗精度的影响，对规范变压器负载损耗的检测和提高检测精度具有一定的指导意义。

2 配电变压器负载损耗的试验原理

变压器负载试验属于变压器的例行试验，通过负载试验可以得到变压器的短路阻抗和负载损耗，变压器的负载损耗意味着在运行时的能量损失，变压器的短路阻抗也是系统安全运行的重要参数。与此同时，负载损耗试验也为变压器的温升试验奠定基础。

负载试验的原理如下:当变压器的一侧绕组施加电压而另外一侧短路时，一般为高压侧通电压，低压侧短路，铁心中产生磁通，施加电压的高压绕组中流过电流。由磁动势平衡原理可知，低压侧绕组产生感应电流，两侧绕组的安匝数是相等的[1]。其原理线路如图1所示。图中r1是一次侧绕组的交流电阻，x1是一次侧绕组的漏抗；r2是二次侧绕组的交流电阻，x2是二次侧绕组的漏抗；e1和e2表示铁心中互感磁通感应的电动势。

图1 变压器负载试验原理图

由图1变压器短路原理图，可以得到图2的变压器短路试验的等效电路，图2中将二次阻抗r2+jx2折算到一次侧，r′2=r2×k2，x′2=x2×k2，k为一二次侧绕组的电压比。通过图2中的Z0为负载试验等效电路中对应的励磁阻抗，远大于变压器短路阻抗，将其略去后[2]，可以得到简化的变压器负载试验时等效电路如图3所示。

图2 变压器负载试验等效电路

图3 变压器负载试验简化等效电路

变压器负载损耗又称铜损耗，可分为基本铜耗和附加铜耗，基本铜耗指一次绕组和二次绕组电流在绕组中引起的直流电阻损耗，附加铜耗指由于趋肤效应和邻近效应使绕组电阻增大所额外增加的铜耗。铜耗与负载电流的平方成正比，故可称为可变损耗。在进行负载试验时，将绕组的一侧短路，各相处于相同分接位置，在试品的另外一侧施加额定频率，且近似正弦的50% ～100%额定电流。

式中:I1N为一次侧额定电流；r1+r21为短路电阻，r21为二次侧折算到一次侧的电阻；β为负载系数，是变压器实际的负载电流值与其额定值的比值。

3 影响负载损耗的因素

3.1 直流电阻值的影响

由于实测的负载损耗需校正到参考温度下，即将直流电阻损耗和附加损耗校正到参考温度75℃。在变压器负载试验开始之前，需进行变压器的直流电阻测量，所以t℃下的直流电阻损耗可以直接由直流电阻和绕组电流的二次方的乘积求得。下面给出负载损耗的校正公式:

式中:Pk75为参考温度75℃时的负载损耗；Pkt为t℃下的负载损耗；∑I2Rt为t℃ 下的直流电阻损耗。

由上式可知，参考温度下的负载损耗由t℃下的负载损耗Pkt和t℃下的直流电阻损耗∑I2Rt。目前，负载损耗通过功率分析仪直接测量得出，绕组的直流电阻可以通过直流电阻测试仪测量得出。但在测量变压器直流电阻时，必须先确定绕组连接组别，不同的连接组别，测量出来的电阻是不一样的，这将直接影响变压器负载损耗的计算结果。对于三相变压器绕组为Y联结无中性点引出时，应测量其线电阻，如RAB、RBC、RCA；对于有中性点引出的变压器，应测量其相电阻，如RAO、RBO、RCO；但对于中点引线电阻占比较大的yn联结且低压为400V的配电变压器，应测量其线电阻及中点对一个线端的电阻[3]；对于绕组为D联结时，首末端均引出的应测量其相电阻。因此，在测量直流电阻时，如果误把相电阻当成线电阻，这将对变压器负载损耗计算产生较大的影响。

下面以一台400kVA的Dyn11联结的变压器为例，探究负载损耗计算时低压侧电阻采用线电阻和相电阻的差别。表1为低压侧电阻分别采用线电阻和相电阻计算引起的低压绕组直流电阻损耗和校正到参考温度下负载损耗值。低压线电阻R2平均值为线电阻Rab、Rbc、Rca的平均值，低压相电阻R′2平均值为相电阻Rao、Rbo、Rco的平均值。低压绕组直流电阻损耗采用线电阻计算时，P=1.5I2R线；低压绕组直流电阻损耗采用相电阻计算时，P=3I2R线。

表1 低压侧电阻分别采用线电阻和相电阻计算引起损耗差异

低压侧直流电阻采用线电阻计算的电阻损耗和采用相电阻计算的低压侧电阻损耗相差144.9W，校正到参考温度下负载损耗则相差46W。通过对比低压绕组线电阻R2平均值和低压绕组相电阻R′2的测量回路，采用相电阻计算时引入了三次中性排到O端子的直流电阻。1.5R线和 3R线相差为0.0004353Ω，即中性排到 O端子的直流电阻为0.1451mΩ。尽管中性排到O端子的直流电阻很小，但由于计算时三相绕组引入该段电阻值三次以及低压侧额定电流较大，低压绕组直流电阻损耗的差别较大。校正到参考温度下负载损耗由于测量的总有功损耗不变，计算得到的附加损耗降低而缩小差距，但差距仍达到46W，误差达到1.03%。若负载损耗值在标准要求值临界值附近，选择使用低压侧相电阻计算会引起误判。

3.2 绕组温度的影响

由于变压器绕组多采用铜作为绕组材料，当绕组温度升高时，铜的电阻率也会上升，此时产生的直流电阻损耗也会升高[4]。所以绕组温度会直接影响变压器的负载损耗。为此需要对变压器的直流电阻进行校正，计及温度的影响。同时，在进行负载试验时，应尽快完成试验，避免绕组温度上升引起绕组直流电阻随温度增大，测量的总有功损耗随之增大的情况。所以在进行负载试验时，试验时间不宜过长，注意绕组的温度变化，减少试验对变压器产生的不利影响[5]。

3.3 测量仪器损耗的影响

在变压器负载试验中，以三相变压器为例，按照以下接线图进行试验。在实际测量中，常用测量仪器为功率分析仪[6]，由于功率分析仪在测量时也存在自身损耗，所以会使得实测的负载损耗偏大。

图4 变压器负载试验简化等效电路

为了精确的测量变压器负载损耗，应先测量连接线的电阻，确定仪器的自身损耗，将仪器损耗和连接线损耗减去，得出准确的变压器负载损耗。以下给出计算公式:

式中:P′t为去除测量仪器损耗后的变压器负载损耗；Pt为实际测量的负载损耗；P仪为功率分析仪的损耗；P线为连接线的附加损耗；R线为连接线的直流电阻。

3.4 短接配件的影响

在进行负载试验时，需要将变压器的一侧短接，常用的低压侧短接配件主要有两种，一种是硬质铜排[7]，另一种是软质连接铜排。硬质铜排具有良好的支撑性，而软铜排具有一定的柔性，适用性较强，装夹性能好。但是硬质铜排的回路电阻要比软质铜排的回路电阻要小，常见的硬质铜排回路电阻约为11μΩ，软质铜排的回路电阻约为80μΩ。由于铜排的回路电阻较小，铜排产生的损耗相对于变压器的负载损耗可以忽略不计。但在实际试验中，对变压器负载损耗造成影响的因素是短接配件与变压器的引出端的夹紧程度，主要是因为短接配件与引出端间隙的空气电阻比铜排的电阻要大得多，产生较大的附加损耗。

下面以一台630kVA的变压器为例，短接夹件采用硬质铜排，探究配件夹紧程度对变压器负载损耗的影响，表2为不同夹紧程度下的变压器负载损耗。

表2 不同夹紧程度下的变压器负载损耗

该试验结果表明，不同配件夹紧程度对检测结果产生较大的差异，达到了31W。本次试验系统的功率分析仪准确度为0.2级，采用不同夹紧程度进行负载试验时，实际误差值远大于其设备的最大误差，接近国标推荐设备技术参数允许误差。在试验过程中，由于配件夹紧程度不够，配件的温度迅速上升，产生较大的安全风险。这表明配件的不同夹紧程度形成的误差已经严重影响测试结果，导致试验结果出现异常，不利于对试验数据精度的把控。

4 总结

负载损耗作为变压器的重要参数之一，关乎变压器的整体耗能情况和运行性能。本文探究了对变压器负载损耗产生影响的重要因素，主要有直流电阻值、绕组温度、仪器损耗和短接配件的夹紧程度。研究表明，这些因素都会对变压器负载损耗的测量产生一定的影响，尤其是短接配件的夹紧程度。所以在实际试验和计算过程中，必须考虑以上的影响因素，建议使用硬质铜排进行试验，确保短接配件夹紧，尽可能地减少短接配件与变压器引出端的气隙，确保变压器绕组的温升在合理范围之内，使用准确度不小于0.2级的测量仪器，提高变压器负载损耗的检测精确度。