CN110118905B - 一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变压器技术领域，具体涉及一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法，包括以下步骤：步骤A：测得变压器产品绕组的直流电阻R_DC，算出直流电阻损耗P_DC；步骤B：测得在频率f₁与频率fx下的产品各自负载损耗P1与Px，并分解出绕组涡流损耗Pwe1与结构件杂散损耗Pse1；步骤C：计算绕组总涡流损耗Pwe、结构件总杂散损耗Pse以及总损耗P_N；步骤D：计算过载电流倍数I_N；步骤E：测得产品的绕组等效温升。本发明相对UL1561标准而言，更加合理的定义了谐波变压器等效负载测试方法，避免将产品结构件中的结构件总杂散损耗Pse混入至绕组中去，致使产品等效损耗虚高而被过渡测试的现象。

Description

一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，具体涉及一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法。

背景技术

当前，随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的非线性负载被应用到各个领域。由于其非线性特性，降低了设备的电磁兼容性能，网侧输入电流发生严重畸变，并产生大量的谐波释放到电网或前端设备中去，给电网及其它用电设备带来了危害。存在于电网中的各种谐波电压或者非线性负载均会在其前端的变压器线圈中产生附加谐波损耗，当这些谐波损耗足够大时会导致变压器的温度升高，甚至超过其允许运行温度，不仅降低了变压器的使用寿命，也可能导致变压器在短时间内烧毁。

近年来，国外一些机构(例如UL)针对带非线性负载的变压器提出了K-Rated变压器的概念，即K系数变压器。根据负载电流中谐波含量的大小，引入K系数，定义K＝(∑Ih²×h²)/(∑Ih²)，其中h及Ih为各次谐波次数和该次谐波有效值(不包含基波)。K值越大，表明负载电流谐波含量越高,典型值有K＝1、K＝4、K＝9、K＝13、K＝20、K＝30等。

由于K系数变压器的谐波含量从Hz到KHz，变化无穷，是很难找到完全相同的谐波负载来测试产品的。目前针对K系数变压器的测试业内或认证机构均采用UL1561标准，现将UL1561标准的测试方法摘要如下：

第1步：测得产品绕组直流电阻R_DC，根据I²R_DC算出直阻损耗P_DC；

第2步：测得产品绕组在基波(例如50Hz)下的负载损耗P_AC(短路法)；

第3步：计算预估稳定温度下的绕组温度系数T_C；

Tc＝(Ts+Tk)/(Tm+Tk)；

Ts:预估变压器绕组稳定温度(℃)；

Tm:测试时的环境温度(℃)；

Tk:铜234.5℃，铝225℃；

第4步：计算假定的额定条件绕组每单位涡流损耗P_EC(每单位额定负载的I²R损耗)；

当容量≤300KVA时：P_EC＝(P_AC-P_DC)/(P_DC×Tc²)；

当容量＞300KVA时：P_EC＝C×(P_AC-P_DC)/(P_DC-I×Tc²)；

P_DC-I为变压器内绕组的直流电阻损耗，当匝数比大于4:1或者有一个以上的绕组额定电流大于1000A时C＝0.7，其他情况下C＝0.6。

第5步：计算K系数谐波下绕组等效总负载损耗P_LL；

P_LL＝P_DC×(1+K×P_EC)×Tc；

在测量等效温升的实验中，维持总损耗P_LL不变，一般采用短路法测试，最终得到产品的等效温升。

按照上面介绍的UL1561标准的等效负载测试方法，在第4步中有两点值得商榷：

其一，为什么容量取300KVA为分界点；且当容量＞300KVA时在其公式的分母中，P_DC-I取变压器内绕组的直流电阻损耗又是为何，内绕组的直流电阻与产品的用途及其设计师思路密切相关，可大亦可小是没有定数的，当分母变化不定时其结果也是变化不定的；当匝数比大于4:1或者有一个以上的绕组额定电流大于1000A时C＝0.7，其他情况下C＝0.6，这些系数都缺乏科学依据，没有说服力，并且测试的结果偏差很大。

其二，在计算每单位涡流损耗P_EC采用的是P_AC-P_DC，即额定条件下的负载损耗减直阻损耗。而变压器负载损耗P_AC的计算公式如下：

P_AC＝P_DC+Pwe1+Pse1；

P_DC：产品绕组的直阻损耗(I²R_DC)；

Pwe1：产品绕组涡流损耗；

Pse1：产品结构件杂散损耗；

不难理解，在UL1561标准中，绕组每单位涡流损耗P_EC实际上是绕组涡流损耗Pwe1与结构件杂散损耗Pse1之和，应称之为变压器绕组每单位附加损耗更为贴切。见下式：

P_EC＝(Pwe1+Pse1)/(P_DC×Tc²)；

接下来在UL1561标准第5步中，直接将每单位涡流损耗P_EC乘以K值，按第5步的公式计算得出K系数谐波下绕组等效总负载损耗P_LL。不难看出，UL1561标准将结构件中的杂散损耗Pse1代入了绕组中去了，最终的结果就是产品绕组等效损耗虚高而被过度测试；换言之，要满足UL1561标准，就需要做比用户所需情况下更大容量的产品，需要更多的投资、占用更多的空间，而实际上这不是用户所需要的。

因此，现有测试方法有待修正。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法，包括以下步骤：

步骤A：在常温下测得变压器产品绕组的直流电阻R_DC，然后算出直流电阻损耗P_DC；

步骤B：测得在频率f₁与频率fx下的产品各自负载损耗P1与Px，并分解出绕组涡流损耗Pwe1与结构件杂散损耗Pse1；

步骤C：将Pwe1、Pse1代入谐波频谱计算得出谐波下的绕组总涡流损耗Pwe、结构件总杂散损耗Pse以及总损耗P_N；

步骤D：根据直流电阻损耗P_DC、绕组总涡流损耗Pwe计算得出额定谐波负载下等效为工频时的过载电流倍数I_N；

步骤E：模拟测得产品在相应谐波下的绕组等效温升。

本发明进一步设置为，在步骤B中，通过如下公式计算出P1与Px：

P₁＝P_DC+Pwe1+Pse1；

P_X＝P_DC+Pwe1×(f_X/f₁)²+Pse1×(f_X/f₁)^0.8；由上两式联立解出Pwe1、Pse1。

本发明进一步设置为，在步骤C中，通过如下公式计算绕组总涡流损耗Pwe、结构件总杂散损耗Pse以及总损耗P_N：

P_N＝P_DC+P_We+P_Se；

其中，I_x为频率fx下产品的谐波电流。

本发明进一步设置为，在步骤D中，包括以下步骤：

d1：根据公式Tc＝(Ts+Tk)/(Tm+Tk)计算预估稳定温度下的绕组温度系数T_C；其中Ts为预估变压器绕组稳定温度；Tm为测试时的实质环境温度；Tk为介质的温度常数；

d2：根据下列公式计算额定谐波负载下等效为工频时的过载电流倍数I_N：

本发明进一步设置为，在步骤d2中，铜的温度常数为234.5℃，铝的温度常数为225℃。

本发明进一步设置为，在步骤E中采用短路法在工频条件下，将被试验变压器绕组施加I_N倍额定电流，模拟测得产品在相应谐波下的绕组等效温升。

本发明进一步设置为，在步骤B中，取fx≥3f₁。使得所计算结果具有相当高的精度。

本发明的有益效果：本发明相对UL1561标准而言，更加合理的定义了谐波变压器等效负载测试方法，避免将产品结构件中的结构件总杂散损耗Pse混入至绕组中去，致使产品等效损耗虚高而被过渡测试的现象。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的原理图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

由图1知；本实施例所述的一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法，包括以下步骤：

步骤A：在常温下测得变压器产品绕组的直流电阻R_DC，然后算出直流电阻损耗P_DC；

步骤B：测得在频率f₁与频率fx下的产品各自负载损耗P1与Px，并分解出绕组涡流损耗Pwe1与结构件杂散损耗Pse1；

步骤C：将Pwe1、Pse1代入谐波频谱计算得出谐波下的绕组总涡流损耗Pwe、结构件总杂散损耗Pse以及总损耗P_N；

步骤D：根据直流电阻损耗P_DC、绕组总涡流损耗Pwe计算得出额定谐波负载下等效为工频时的过载电流倍数I_N；

步骤E：模拟测得产品在相应谐波下的绕组等效温升。

本发明相对UL1561标准而言，更加合理的定义了谐波变压器等效负载测试方法，避免将产品结构件中的结构件总杂散损耗Pse混入至绕组中去，致使产品等效损耗虚高而被过渡测试的现象。本发明适用于用户提供了详细谐波频普表的等效计算方法。

为了便于解释本实施例的计算原理，现提供如下详细谐波频普表，计算该产品在此谐波条件下等效为工频时的过载电流倍数I_N以及绕组等效温升；其中，该变压器的额定容量：250KVA，额定电压比：380V/380V，连接组别：YNyn0，铝箔绕制，短路阻抗4％，耐温H级，环境温度30℃，允许温升100K Max。

谐波频率(f)	谐波次数(fx/f1)	谐波电流/基波电流(Ix/I1)
			50	1	100％
250	5	1％
			350	7	1％
550	11	2％
			650	13	2％
850	17	13％
			950	19	14％
1150	23	12％
			1450	29	10％
1550	31	5.5％

下面介绍具体计算步骤如下：

步骤A：在常温30℃下测得变压器产品绕组的直流电阻R_DC，然后根据I²R_DC算出直流电阻损耗P_DC；

步骤B：采用双频法测得两种频率f₁(50Hz)与f₄(200Hz)下的各自负载损耗P₁(50Hz)与P₄(200Hz)，并分解出出绕组涡流损耗Pwe1与结构件杂散损耗Pse1。测得P₁＝2497.4W，P₄＝3270.9W；再根据公式P₁＝P_DC+Pwe1+Pse1；P_X＝P_DC+Pwe1×(f_X/f₁)²+Pse1×(f_X/f₁)^0.8；算的Pwe1＝41.42W，Pse1＝74.95W。

步骤C：通过如下公式计算绕组总涡流损耗Pwe、结构件总杂散损耗Pse以及总损耗P_N：

P_N＝P_DC+P_We+P_Se；将Pwe1＝41.42W，Pse1＝74.95W代入公式后算的；

P_N＝P_DC+P_We+P_Se＝2381+1169.4+115.5＝3666(W)；

步骤d1：根据公式Tc＝(Ts+Tk)/(Tm+Tk)计算预估稳定温度下的绕组温度系数T_C；预估变压器绕组稳定温度Ts＝100+30＝130(℃)；Tc＝(Ts+Tk)/(Tm+Tk)＝1.39；

步骤d2：计算K系数谐波下绕组等效工频时过载电流倍数I_N：

以上计算结果表明：

1、没有谐波时产品工频额定电流为：250/1.732/0.38＝379.85(A)

2、按表1谐波工况下，相当于绕组电流需过载8.8％；

3、按表1谐波下绕组等效工频电流＝379.85×1.088＝413(A)。

最后步骤E：采用短路法在工频条件下，将被试验变压器绕组施加I_N倍额定电流，模拟测得产品在相应谐波下的绕组等效温升。

而通过背景技术中的UL1561介绍的方法计算过载电流倍数I_N以及绕组等效温升，如以下所示：

第1步：P_DC＝2381W；

第2步：P_AC＝2497.4W；

第3步：Tc＝1.39；

第4步：P_EC＝(P_AC-P_DC)/(P_DC×Tc²)＝0.0253；

第5步：计算K系数谐波下绕组等效总负载损耗P_LL；

首先按谐波频普表的数值计算K-Rated：

K＝(∑Ih²×h²)/(∑Ih²)

＝(∑(I_x/I₁)²×(f_x/f₁)²)/(∑(I_x/I₁)²)

＝30

P_LL＝P_DC×(1+K×P_EC)×Tc＝5821.6W；

在温升实验中，维持总损耗P_LL＝5821.6W不变，一般采用短路法测试。

下面折算到常温下计算过载电流倍数(由于UL1561标准没有分解出涡流损耗与杂散损耗，不易折算到稳定温度下过载电流倍数)。

第6步：计算常温时K系数谐波下绕组等效过载电流倍数I_N；

P_EC-2＝(P_AC-P_DC)/P_DC＝0.0489；

P_LL-2＝P_DC×(1+K×P_EC)＝5874W；

I_N＝(P_LL/P_AC)^0.5＝1.53；

为了有可比性，现将本发明所提的一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法具体实施方式第5步中也折算到常温下计算过载电流倍数I_N

从上计算结果可以看出，两式相差1.53-1.22＝31％的等效电流，即要满足UL1561标准就需要额外增容31％(77.5KVA)，需要更多的投资、占用更多的空间，而实际上这不是用户所需要的。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤A：在常温下测得变压器产品绕组的直流电阻R_DC，然后算出直流电阻损耗P_DC；

步骤B：测得在频率f₁与频率fx下的产品各自负载损耗P1与Px，并分解出绕组涡流损耗Pwe1与结构件杂散损耗Pse1；

步骤C：将Pwe1、Pse1代入谐波频谱计算得出谐波下的绕组总涡流损耗Pwe、结构件总杂散损耗Pse以及总损耗P_N；

步骤D：根据直流电阻损耗P_DC、绕组总涡流损耗Pwe计算得出额定谐波负载下等效为工频时的过载电流倍数I_N；

步骤E：模拟测得产品在相应谐波下的绕组等效温升；

在步骤D中，包括以下步骤：

d1：根据公式Tc＝(Ts+Tk)/(Tm+Tk)计算预估稳定温度下的绕组温度系数TC；其中Ts为预估变压器绕组稳定温度；Tm为测试时的实质环境温度；Tk为介质的温度常数；

d2：根据下列公式计算额定谐波负载下等效为工频时的过载电流倍数IN：

2.根据权利要求1所述的一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法，其特征在于：在步骤B中，通过如下公式计算出P1与Px：

P₁＝P_DC+Pwe1+Pse1；

P_x＝P_DC+Pwe1×(f_X/f₁)²+Pse1×(f_X/f₁)^0.8；由上两式联立解出Pwe1、Pse1。

3.根据权利要求1所述的一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法，其特征在于：在步骤C中，通过如下公式计算绕组总涡流损耗Pwe、结构件总杂散损耗Pse以及总损耗P_N：

P_N＝P_DC+P_We+P_Se；

其中，I_x为频率fx下产品的谐波电流。

4.根据权利要求1所述的一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法，其特征在于：在步骤d2中，铜的温度常数为234.5℃，铝的温度常数为225℃。

5.根据权利要求1所述的一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法，其特征在于：在步骤E中采用短路法在工频条件下，将被试验变压器绕组施加I_N倍额定电流，模拟测得产品在相应谐波下的绕组等效温升。

6.根据权利要求1所述的一种应用于谐波条件下的隔离变压器等效负载测试方法，其特征在于：在步骤B中，取fx≥3f₁。

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