10 kV 变压器温升试验系统设计

李 涛，魏慧慧

（甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018）

对于电力系统而言，变压器的作用是十分重要的，主要用于各级电网之间的电压、电流转换及功率传输。在我们生活中最常见的就是10 kV油浸式配电变压器，广泛用于配电网中，尤其是广大农村地区的配电网中，在人们的日常生活、工农业生产中发挥着极其重要的作用。温升试验是变压器的一项型式试验，通过向被试变压器施加规定的负载验证变压器在规定工作条件下各部件的温升是否符合相关标准要求。

1 变压器温升试验介绍

1.1 变压器温升试验目的

变压器是电力系统的重要组成部分，长期带负荷运行，必须具有较高的可靠性和稳定性，而温升是影响稳定性与可靠性的重要因素，因此对新设计的变压器在定型批量生产前进行温升试验是至关重要的。通过温升试验，验证被试变压器的冷却介质、高低压绕组、铁芯等的温升是否超过标准所规定的限值，验证变压器的设计是否合理，发现缺陷并改进，进而提升变压器产品质量，为电力系统安全运行提供必要保证。

1.2 变压器温升试验原理

变压器温升试验一般是在进行绕组电阻测量、空载试验和负载试验之后进行的一项型式试验，在变压器所有的型式试验和例行试验中需要的电源容量最大、试验用时最长[1]。

由于变压器的种类较多，为了保证试验效率较高、试验结果准确，需要针对不同类型的变压器选择最适合的温升试验方法，现阶段各检验检测机构和变压器生产厂家对于油浸式变压器主要采用短路等效法，对于干式变压器主要采用模拟负载法。不管采用何种试验方法，其主要原理都是向被试变压器施加规定的负载，使变压器运行在规定的状态下，持续监测变压器各部件的温升，在试验完成后测量高低压热态电阻，然后基于测量的高低压电阻数据，推算出电源断开瞬间的热态电阻值，通过热态电阻和温升试验前测得的冷态电阻计算出变压器高低压绕组的平均温升等，并判断是否符合标准要求。通过温升试验的验证，检验变压器是否满足正常情况下的使用需求，进一步优化设计、提升质量，确保变压器在电力系统中稳定可靠运行。变压器温升试验原理图如图1所示。

图1 变压器温升试验原理图

试验电源：为温升试验提供所需要的有功容量，如果试验所需有功容量较小，则可由电网直接提供电源，如果所需试验容量较大，则可采用自备发电机组提供电源；中间变压器（调压器）：用来变化电压、电流，施加于被试变压器，根据试验容量的大小选择变压器或调压器，试验容量较大则采用中间变压器，试验容量较小则采用调压器代替中间变压器；互感器：包括电压互感器、电流互感器，用来采集试验电压、电流等数据；无功补偿：根据试验需要，采用电容器组补偿试验所需的无功容量；被试变压器：进行温升试验的变压器。

2 变压器温升试验系统设计

2.1 预期技术指标

本设计所述温升试验系统主要是用来完成10 kV变压器温升试验，查阅GB/T 6451—2015《油浸式电力变压器技术参数和要求》和GB/T 10228—2015《干式电力变压器技术参数和要求》等变压器技术参数相关标准可知，10 kV下油浸式变压器和干式变压器的最大容量均为6 300 kVA、最小容量为30 kVA。因此，本设计定位于完成10 kV/30kVA-6 300 kVA的变压器温升试验、空载试验和负载试验。

2.2 设计依据标准

GB/T 1094.1—2013《电力变压器 第1部分：总则》、GB/T 1094.2—2013《电力变压器 第2部分：液浸式变压器的温升》、GB/T 1094.11—2007《电力变压器 第11部分：干式变压器》、GB/T 6451—2015《油浸式电力变压器技术参数和要求》、GB/T 10228—2015《干式电力变压器技术参数要求》、JB/T 501—2021《电力变压器试验导则》。

2.3 试验电源方案

研究发现，现阶段检验检测机构和变压器制造厂家通常采用短路等效法进行油浸式变压器温升试验，采用模拟负载法进行干式变压器温升试验，这是因为短路等效法和模拟负载法都充分利用了变压器短路阻抗以感性阻抗为主的特性，进行温升试验时系统电源只需满足有功容量和系统损耗即可，其余绝大部分无功容量可以采用无功补偿的方式实现。因此，为了降低试验电源容量、节约成本，试验电源方案确定为通过电网或发电机组提供试验所需的有功容量和系统损耗，并略有裕量，通过补偿电容器的方式提供试验所需的无功容量。

2.4 试验电源容量计算

10 kV下油浸式变压器和干式变压器最大容量都是6 300 kVA，为了实现试验系统可进行10 kV/30 kVA-6 300 kVA变压器温升试验的技术指标，对油浸式变压器常用的短路等效法和干式变压器常用的模拟负载法进行分析。短路等效法实际上是将被试变压器一侧短接，另一侧通电，利用变压器短路产生的损耗进行温升试验[2]；模拟负载法是将温升试验分为空载温升试验和短路温升试验两个阶段，最终温升为两个阶段的叠加[3]。短路等效法和模拟负载法的短路温升试验阶段利用变压器短路产生的损耗作为负载进行试验的，而模拟负载法的空载温升阶段需要的容量很小，因此本设计以采用短路等效法进行10 kV/6 300 kVA油浸式变压器温升试验为例确定试验容量。

10 kV/6 300 kVA油浸式变压器具体参数如下：

额定容量：6 300 kVA；额定电压：10（10.5）/3.15（6.3）kV；分接范围：±2×2.5%；空载损耗：4.89 kW；负载损耗：35.0 kW；空载电流：0.40%；短路阻抗：5.5%。

GB/T 1094.2—2013《电力变压器 第2部分：液浸式变压器的温升》及JB/T 501—2021《电力变压器试验导则》关于变压器温升试验有明确要求，如果分接范围小于或等于±5%，且容量小于或等于2 500 kVA的变压器，则应在额定分接位置下进行温升试验；如果分接范围大于±5%，或容量大于2 500 kVA的变压器，则应在最大电流分接位置下进行温升试验[2-4]。因此10 kV/6 300 kVA油浸式变压器的温升试验应在最大总损耗下（最大电流分接位置）进行温升试验，用短路等效法进行试验，高压侧施加电压，低压侧短路，额定电流为3 82.9A/1154.7A。根据10 kV/6300 kVA油浸式变压器的技术参数可知，总损耗P∑=空载损耗+负载损耗=4.89+35.0=39.89 kW。具体计算如下：

（1）进行温升试验时施加于被试变压器的试验电压为：

（2）进行温升试验时施加于被试变压器的试验电流为：

（3）进行温升试验时所需试验容量为：

Se=6 300×5.5% ×39.89 ÷35.0 ×1.1 ×1.1=477.85 kVA (变换因数和安全因数均为1.1)；

（4）进行温升试验时的功率因数为：

cosφ=P∑÷Se=39.89÷477.85=0.0 835。

2.5 试验电源及无功补偿容量确定

2.5.1 试验电源

由上述计算可知，10 kV/6 300kVA油浸式变压器进行温升试验时需要的试验容量较小，且可以通过无功补偿的方式提供试验所需的大量的无功容量，试验电源只需满足有功容量及试验系统损耗即可，因此试验电源不必采用自备发电机组的方式，直接采用用户电源变压器低压侧380V电源即可。

2.5.2 中间变压器

考虑试验所需基本有功容量需求、试验系统损耗、电压变化导致容量折算、进行无功补偿等因素，选择中间变压器的容量，为电容器组少补偿后留有余量。本设计选用额定容量为150 kVA的调压器作为中间变压器，其额定输入电压为0.38 kV,额定输出电压为0～0.65 kV，按进行温升试验时施加在被试变压器上的电压0.59 kV折算后的容量为：

Sf=150×0.592÷0.652=123.58 kVA≥39.89 kVA，满足要求。

2.5.3 无功补偿

根据上述计算，试验时所需容量为477.85 kVA，采用短路等效法进行温升试验，短路产生的损耗作为负载都是感性的，温升试验系统的中间变压器（调压器）的容量只需要满足试验系统基本有功容量和损耗，并略有调节裕量即可，其余绝大部分无功容量通过补偿电容器进行补偿。上述计算中，进行温升试验时功率因数非常小，仅为0.083 5，远远低于电网运行水平，会增加供电线路损耗、降低电源质量，因此进行无功补偿一方面可提高功率因数，提高电源利用效率，另一方面可有效降低试验电源容量，节省投资。设定进行无功补偿后功率因数cosφ1=0.95，则共需要补偿的容量为：

目前较为常用的补偿方案有：低压补偿方式、高压补偿方式、高压+低压补偿方式。三种补偿方式原理图如图2—图4所示。

图2 低压补偿方式原理图

图3 高压补偿方式原理图

图4 高压+低压补偿方式原理图

三种补偿方式各有优缺点，其中低压补偿方式建造容易，但损耗大，经济性较差；高压补偿方式需要的中间变压器（调压器）容量小、损耗低，但复杂程度高；高压+低压补偿方式介于高压补偿与低压补偿方案之间，可适用于变压器、电抗器等多种产品的温升试验，但复杂程度高，短时间内难以建成且投资大。从经济实用的角度考虑，高压补偿方式更好，本设计选用高压补偿方式。本试验系统共需无功补偿的容量为462.9 kVA，选用略高于试验电压590 V的额定电压为660 V、额定容量为50 kVA的三相电容器，1～12台并联，补偿容量为50-600 kVA，折算到试验电压590 V时的容量为40.0 kVA～479.5 kVA，满足无功补偿的要求。

2.6 试验系统

根据以上分析，设计了10 kV变压器温升试验系统，试验系统图如图5所示。

图5 变压器温升试验系统图

试验电源经隔离开关QS1、断路器QF1、接触器KM1输入调压器TR，经断路器QF2、接触器KM2、隔离开关QS2施加于被试变压器，隔离开关QS3实现补偿电容器组的投切，电流互感器TA1、TA2、TA3实现电流采集，电压互感器TV实现电压采集。

因试验所需有功容量较小，试验电源直接采用用户电源变压器低压侧380 V电源；中间变压器选择额定容量为150 kVA的调压器，额定输入电压380 V，额定输出电压0～650 V；无功补偿采用高压补偿的方式实现，选择12台660 V/50 kVA的三相电容器组并联,根据试验所需无功容量，选择投切。

3 结语

温升试验是考核变压器质量的重要手段，通过温升试验验证变压器设计是否合理、发现设计或制造缺陷并改进，是提高电力系统运行稳定性和可靠性的必要保证。短路等效法是现阶段变压器生产厂家和检验检测机构普遍采用的一种试验方法，相比于其他试验方法具有试验容量最小、试验电压最低、接线简单、易于实现、投资较小等优点[5]。

本文仅以10 kV下最大容量6 300 kVA油浸式变压器作为被试变压器确定试验容量，设计温升试验系统，适用于10 kV/6 300 kVA及以下油浸式变压器和干式变压器温升试验。而对于大型变压器生产厂家或检验检测机构而言，变压器电压范围更广、容量更大，试验容量计算需进一步完善，可考虑配置自备发电机组，根据最大容量被试变压器的有功容量及系统损耗选择更大容量的中间变压器，根据无功容量配置更大容量的补偿电容器组等方式来提高试验容量。