大型电力变压器损耗测量的不确定度研究

国网浙江省电力有限公司温州供电公司 黄继来 刘茂集 周鹿鸣 王 昶 国网浙江省电力有限公司双创中心 魏文力

电力变压器是电力系统运行过程中的电力转换设备，其应用目的在于保证供电系统的正常运行。随着经济的不断发展，对电力需求和变压器的质量要求越来越高。然而，在电力变压器装机数量增加的同时，也增加了自身的能量消耗，从而导致应用过程中存在大量的损耗，这要求采取相应的措施对损耗进行测量，从而降低损耗量[1]。

1 电力变压器的损耗情况

电力变压器的损耗包括空载损耗和负载损耗。空载损耗主要包括以下几个方面。

第一，磁滞损耗。设备中铁磁材料能够利用磁化操作，影响到磁滞情况产生损耗，磁滞损耗大小和回线面积成正比。

第二，涡流损耗。设备铁心为金属导体，在电磁感应下产生电动势，在铁心中环流作用为涡流。因此，铁心涡流和铁心电阻的反应为涡流损耗。

第三，附加铁损。附加铁损并不是由变压器自身的材料所决定，而是因变压器的工艺和结构导致影响。一般是因为磁通波形高次谐波分量不同，导致出现附加涡流损耗。

在电力变压器运行的过程中，绕组中也会出现电流，产生负载损耗。负载损耗也称之为铜损，在基本绕组中会出现直流损耗，还会出现附加损耗。

第一，基本铜损。在电力变压器容量比较小的时候，负载损耗也称之为基本铜损，主要是因为漏磁场导致的附加损耗占比较小。

第二，附加损耗。附加损耗指的是绕阻涡流损耗，如果变压器运行容量大，就会导致绕组安匝存在漏磁场，和绕组导线电阻出现涡流损耗、杂散损耗[2]。

空载电流与损耗测量的原理如图1所示。

图1 空载电流与损耗测量的原理

2 不确定度的来源和分析

根据测量不确定度来源界定，通过大型电力变压器损耗的测量方式表示是因为校准用标准互感器、功率分析仪、绕组直流电阻测量等导致，利用B 类不确定度的评定方法对不确定度进行分析。电流表示为I，电压表示为U，属于实验中的变压器功率因数：

公式中的P指的是损耗测量值，KU和KI是指电压和电流互感器出现的改变，UP和IP是指功率分析仪得出的二次电压与电流。

损耗测量不确定度除和电流、电压互感器的测量变化误差之外，还和功率因数大小相关，尤其是功率因数比较小的时候[3]。简单来说，同个测量系统在不同功率因数时的损耗测量，测量不确定度也会出现改变，表1为标准不确定度表。

表1 标准不确定度表

3 变压器损耗测量的实现

3.1 空载损耗带电测量

在测量变压器空载损耗时，三相变压器断开，高压侧进行供电，要对变压器高压侧的电流和电压进行测量，对信号进行处理，计算变压器空载损耗。变压器空载损耗的带电测量指的是射频通信、数据收集、电压同步触发器和空载电流采集器，图2为空载损耗带电测量的构成如图2所示。

通过空载电流采集器对空载电流进行收集，对计算机发送数据。对数据采集卡中发送电压触发器的信号，射频通信通过电流采集器、计算机与电压同步触发器进行通信，对电压信号进行收集。计算机能够实现人机界面接口的设置，使测试人员对系统进行操作[4]。

由于变压器的空载电流比较小，精度也会对其造成限制，无法有效使用变压器电流互感器空载电流。可以利用空载电流采集器测量变压器空载电流，实现电流采集器的安装。因电压比较高，需对人身安全和设备绝缘进行考虑，使用无线射频通信方式，从而能够实现数据的远距离传输。

为了对空载损耗进行计算，要求对电流电压收集的同步性进行保证。因为测量空载电流位置处于变压器高压侧，触发信号的接入比较困难，并且空载电流测量的位置和高压侧电压距离比较远，GPS 时间脉冲信号指的是触发源，可以同步收集电压与触发电流[5]。

3.2 负载损耗带电测量

在测量变压器负载损耗的过程中，要对电流、电压互感器进行收集。利用数据采集系统对绕组三相的电压、电流进行收集，对数据进行分析处理，得出电压电流的相位和幅值信息，对负载损耗进行计算。

为了使测试接线、安装更加方便，通过现场电压、电流互感器收集电参量。电压和电流互感器的输出为0-100V、0-5A，变压器电能计量互感器的准确度等级为0.2级，能够使负载损耗计算得到满足。为了满足不同绕组连接组别变压器，测量变压器线电压和电流，计算每一项的损耗。使电流和电压与信号调理箱连接，电压通过调理箱的分压网络收集。对转换电路进行设置，收集采集卡信号后转换。收集的电流和电压能够利用数据采样在计算机中传输信号，对数据进行分析和处理之后得出变压器负载损耗[6]。

3.3 加窗差值算法

在实际信号收集的过程中，因为变电站中具有大量电气设备，并且可能会有自然干扰，电磁环境比较复杂，信号会受到高频干扰，导致误差增加。在快速傅立叶变换FFF 信号处理的过程中，只能够测量有限长信号，频谱出现畸变，从而产生频谱泄漏。因为电网频率运行中会出现波动，在非同步情况下实现采样，导致栅栏效应，无法使精准测量需求得到满足。使用信号加窗方法能够使频谱泄漏导致的误差得到降低，使用插值算法能够降低误差。

布莱克曼-哈里斯窗为余弦窗，旁瓣每倍频程衰减的速度比较快，能够降低各个频率的成分干扰，使频谱泄漏得到降低，幅值识别精度得到提高。所以，利用布莱克曼-哈里斯窗实现采集信号加窗，利用插值算法处理信号[7]。

4 电力变压器损耗测量设备的选择

4.1 测量中的功率因数范围

基于GB/T6451能够得到变压器空载运行过程中功率因数，在技术水平提升背景下能够提高试验功率因数。实现不同容量变压器的负载试验，从而得到功率因数。如果实际变压器负载损耗比规定值要小，那么就降低了功率因数。在变压器容量和负载试验功率因数为反比时，负载功率因数在0.008～0.015[8]。

4.2 精密互感器结合瓦特表

为了降低测量系统测试中的不确定度，要提高测量设备的精度。一般精密电流、电压互感器的最高级别为0.01，但我们还是使用瓦特表测量功率。瓦特表通过肉眼读数，准确度等级只有0.5级。所以要使0.01级电压、电流互感器和低功率因数表构成测量系统，使损耗测量精准度得到加强。另外，为了使大型电力变压器损耗测量不确定度得到降低，使测量精确性得到提高，不使用功率表，可以使用小功率分析仪[9]，表2为不确定度分析。

表2 不确定度分析

4.3 精密互感器结合功率分析仪

假如使用0.01级电流、电压互感器和功率分析仪，就能够对变压器损耗测量结果的不确定度进行分析。通过电压电流互感器，能够降低变比最大误差。利用功率分析仪，电压和电流的预测最大误差为±0.03%。然后通过此系统能够计算扩展不确定度和标准不确定度，利用结果表示，通过0.01级电压、电流互感器和功率分析仪的配合，能够控制大型电力变压器的损耗测量不确定度在2%范围，使测量精确性得到提高[10]，表3为不确定度分析。

表3 不确定度分析

本文分析了大型电力变压器损耗测量的方法，对导致出现不确定度的因素进行了删除。损耗功率因数和不确定度为反比的关系，为了能够精准测量大型电力变压器损耗，可以使用0.01级电压与电流互感器、高精度功率分析仪。针对损耗正校正过程中的不确定度研究表明，在合理选择测量设备时，损耗测量结果校正的引入不确定度比较小，可以忽略不计。