三相电压不平衡对变压器空载试验的影响研究

赵燊元, 陈天翔, 徐会凯, 杨博闻, 任欣悦

(成都理工大学 核技术与自动化工程学院, 四川 成都 610059)

在电力系统中,变压器空载试验一般是指从任意一侧作为输入端输入正弦波形、频率一定的交流电压,其他侧空载,测量变压器空载损耗和空载电流[1]。变压器空载试验的主要目的是检测变压器中铁心硅钢片的整体绝缘状况[2]。变压器总损耗包括负载损耗、空载损耗和杂散损耗,对于小容量配电变压器来说,杂散损耗所占比重很少,可忽略不计[3]。空载损耗主要包括铁心损耗。其中,铁心损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。铁心损耗一般占到空载损耗的95%以上,空载电流的大小一般取决于变压器的结构、额定容量和建造材质等[4]。

GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》[5]指出,电压不平衡指的是三相电压在幅值上不同或者相位差不是120°,或兼而有之。三相回路中的电压不完全平衡主要形成原因一般是三相电路中的负荷不平衡与系统中三相回路电压间的阻抗不对称等[6]。三相试验电压不平衡会使变压器损耗增大[7-11]。开展这一试验,可以分析三相三柱式变压器空载电流的变化情况[12],也可以了解三相试验电压不平衡的变化情况[13]。

本文通过变压器空载试验,并结合变压器空载试验基本原理,研究分析三相试验电压不平衡对变压器空载试验结果产生的影响。

1 变压器空载试验

1.1 试验平台搭建

本试验以成都理工大学高压电力设备试验检测技术联合实验室为依托,试验对象是型号为S7-50/35/0.4联结组标号为Yyn0的三相三柱式电力变压器。调压器共用2种:一种是用一组容量为6 kV·A的三相自耦调压器进行调压,另一种是用3组容量为1 kV·A的单相自耦调压器模拟三相调压器进行调压。空载试验采用精度为0.2%的数字液晶式电流表和电压表。测量功率方式为两功率表法。35 kV变压器空载试验装置如图1所示。

图1 35 kV变压器空载试验装置

1.2 试验过程及数据记录

变压器空载试验电路接线如图2所示,其中,N为中性点。

图2 变压器空载试验电路接线

首先,根据三相四线制与两瓦特表法的接线方式测量电压、电流和功率,三相试验电压不平衡率为2.32%时测得的三相空载数据如图3所示。

在阻抗一定的情况下,随着试验电压的升高,空载电流的测量曲线应该是增加的。实际上,在Yyn型变压器Y接原绕组中,变压器空载情况下可能会产生励磁电流[14-15],三相励磁电流不仅大小不相等,而且相位也不对称[16]。由图3(a)可知,a,b,c三相空载电流都呈现明显的先降后升的变化趋势。具体表现是:输入电压从0 V升至160 V时,三相空载电流从最大值0.5 A下降至最小值0.15 A左右,且a,b,c三相空载电流的下降幅度不同;再将输入电压从160 V升至额定电压400 V时,三相空载电流呈现上升趋势,且该三相空载电流变化不平衡。

图3(a)中出现空载电流跳跃到最大0.5 A的原因如下:三相自耦式调压器指针转动至零位时,电刷并没有真正在绕组的零电位,少量的电压被输出至负载;电源侧中性点、三相调压器中性点以及变压器中性点连接后,由于电源侧中性点有一定的电压,与变压器中性点形成电位差,会产生一定数量的电流值,由于电源接通后,空载电流跳跃至0.5 A。

低压侧加压升至接近80 V,观察变压器中性点电流的变化,中性点电流测量曲线如图3(b)所示。当忽略三相对称电源的内阻时,有些三相不对称负载可产生零序电流分量[17]。

图3 三相试验电压不平衡率为2.32%时的测量数据

由图3(b)可知,变压器中性点电流变化呈明显下降趋势,当输入线电压在20 V以内时,中性点电流约为2 A,且整段过程中性点电流一直维持在1 A以上。两个功率表显示数如图3(c)所示。其中,Pab为a相和b相间功率表的测量值,Pbc为b相和c相间功率表的测量值。

本文分析将电源侧中性点、三相调压器中性点以及变压器中性点连接后,因为电源侧中性点有一定的电压值,与变压器中性点形成电位差,会产生一定数量的电流值,通过变压器绕组向外输出电流,相当于变压器向外输出功率。

变压器的空载损耗P0的计算公式为

P0=(Pab+Pbc)kTVkTA

(1)

变压器的空载电流百分数I0(%)计算公式为

(2)

式中:kTV——测量用电压互感器的变比;

kTA——测量用电流互感器的变比;

Ia——a相电流表的实测值,A;

Ib——b相电流表的实测值,A;

Ic——c相电流表的实测值,A;

IN——变压器测量侧的额定电流,A。

分析图3可知,无论是三相电流还是中性点电流都是极度不平衡的。

测量得到的三相调压器变比如图4所示。

图4 三相调压器变比

由图4可知,该三相自耦式调压器本身存在三相电压不平衡现象:三相电压在10 V以内时,三相调压器的变比严重不平衡,变比误差最大达到-31.9%;之后,随着输入电压的不断升高,三相调压器的变比误差仍然存在。因此,初步判断是三相电压的不平衡导致了空载试验时三相电流先升后降现象,三相电压不平衡可能是影响空载电流变化的主要因素。

为验证以上推测,设计进行的4组变压器空载试验如下:使用3组单相调压器产生平衡的电压模拟三相调压器进行变压器空载试验,分别采用电源侧与负载侧都连接中性点、电源侧与负载侧的断开中性点2种方式记录空载电流和空载损耗的数据;使用三相调压器进行变压器空载试验,分别采用电源侧与负载侧都连接中性点、电源侧与负载侧断开中性点2种方式记录空载电流和空载损耗的数据。

通过以上试验,判断三相电压不平衡是否是影响变压器空载电流和空载损耗变化的主要因素。

2 变压器空载试验数据分析

2.1 3组单相调压器模拟三相调压器调压

采用3组单相调压器模拟三相调压器平衡状态进行变压器空载试验。测量数据如图5所示。

图5 3组单相调压器的电流测量曲线

变压器空载试验电源、负载两侧连接中性点电路按照图2中的接线图接线,并将中性点上的开关闭合,使用电压表将3组单相调压器输出电压调到平衡,测得的三相空载电流与中性点电流测量曲线如图5(a)所示。由图5(a)可以看出:随着三相试验电压的不断升高,三相空载电流也随之上升,最大值为1.920 A,但中性点电流最大值也只有0.482 A;在三相试验电压平衡时,电压最大不平衡率为0.63%,三相空载电流先降后升现象不再存在;三相试验电压平衡时的中性点电流,与三相试验电压不平衡时相比显著下降,说明三相试验电压不平衡使得中性点电流增大,是影响空载电流变化的主要因素。

变压器空载试验电源、负载两侧断开中性点电路接线按照图2中的接线图接线,并将中性点上的开关断开,其试验过程与连接中性点试验相同,得到三相空载电流测量曲线如图5(b)所示。在断开两侧中性点后,无法形成有效回路。由图5(b)可以看出:没有中性点电流后,三相空载电流呈线性增长,空载电流幅值较中性点接地时要小很多;在使用3组单相调压器模拟三相调压器调压时,得到的三相试验电压能够基本平衡,两侧中性点都断开,得到的三相空载电流值最大为1.773 A,与连接中性点试验时三相空载电流最大值为1.920 A相比,三相空载电流减小了0.147 A。

2.2 三相调压器调压

采用1组三相调压器直接调压进行变压器空载试验。变压器空载试验电源、负载两侧连接中性点电路按照图2中的接线图接线,并将中性点上的开关闭合,三相试验电压不平衡率和电流测得的数据如图6所示。

图6 三相调压器的试验数据

由图6(a)中可以看出,三相电压不平衡率随着输入电压的升高逐渐下降,在输入电压升至100 V以上时,三相电压不平衡率都能够保持在2%以下。

由图6(b)可以看出:三相空载电流与中性点电流都呈现先降后升的趋势,因此可以判断引起该变化的主要因素是三相电压不平衡;所加电压越高,变压器对地电容电流越大,其变化呈现线性增长趋势,但在试验电压为400 V时,此电容电流最大为0.133 A,在试验电压为80 V时电容电流仅为0.011 A。

变压器空载试验电源、负载两侧断开中性点电路按照图2中的接线图接线,并将中性点上的开关断开,得到三相空载电流测量曲线与图5(b)相同。

在断开电源与负载两侧中性点后,直接采用三相调压器和采用3组单相调压器模拟三相调压器一样无法形成有效回路,不存在中性点电流,三相空载电流基本达到平衡状态。

2.3 空载电流与空载损耗的误差分析

对于Yyn型三相三柱式配电变压器,高压侧即一次侧绕组为Y型接线,三相一次侧绕组末端直接相连不接地[18]。采用3组单相调压器模拟三相调压器进行变压器空载试验,将三相试验电压调至额定电压400 V使之处于平衡状态,单独调节a相、b相和c相的相电压,使之处于不平衡状态,记录在不平衡状态下三相空载电流与空载损耗的数据。我国目前执行的GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》中规定,电力系统正常运行时,三相不平衡度不应超过2%,短时不超过4%[5]。在试验中考虑三相电压不平衡度与空载电流、空载损耗的关系,得到相电压与三相试验电压不平衡率的关系曲线如图7所示。

图7 相电压与三相试验电压不平衡率的关系曲线

根据式(1)和式(2),分别计算空载电流百分数I0与空载损耗P0的标准值和测量值,并计算两者之间的相对误差,得到的三相试验电压不平衡率与I0相对误差、P0相对误差的关系曲线如图8所示。其中,空载电流百分数I0的标准值为2.18%,空载损耗P0的标准值为270.6 W。

图8 三相试验电压不平衡率与空载试验数据相对误差的关系曲线

由图8中的试验数据发现,三相试验电压不平衡率越低,I0和P0的相对误差越低,对变压器空载试验影响越小。

根据测得的三相电压不平衡率、空载电流百分数I0和空载损耗P0的数据,制作了3组表格。情况1,三相试验电压不平衡率≤1.36%时I0和P0的相对误差如表1所示。

表1 情况1时I0和P0的相对误差

情况2,三相试验电压不平衡率≤2.69%时I0和P0的相对误差如表2所示。

表2 情况2时I0和P0的相对误差

情况3,三相试验电压不平衡率≤5.81%时I0和P0的相对误差如表3所示。

表3 情况3时I0和P0的相对误差

3 结 论

通过对变压器空载试验得到的关于空载电流与空载损耗的数据比较分析,得出以下结论:

(1) 三相试验电压不平衡造成三相空载电流与中性点电流偏大,严重影响变压器空载电流与空载损耗测量准确性,因此空载试验时必须高度重视试验电压不平衡问题;

(2) 在试验变压器不接中性点的情况下,三相试验电压不平衡率低于1.36%时,空载电流测量相对误差在-5.63%以内,空载损耗测量相对误差在-2.85%以内;

(3) 本文建议在三相试验电压平衡状态下以及采用中性点不接地的连接方式进行型号为S7-50/35/0.4的变压器空载试验,且三相试验电压不平衡率应低于1%。