CN116027104A - 一种高精度现场测试电力变压器负载损耗的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于变压器测试技术领域，具体涉及一种高精度现场测试电力变压器负载损耗的系统及方法，所述系统包括交流工频测试电源、变压器综合测试装置、高压侧电流测试导线、低压侧短路导线、低压侧电压测试导线、低压侧钳形电流互感器、被测变压器、高压侧电压测试导线；在短路试验及负载损耗测试试验时，同时采集变压器高压侧和低压侧的电信号，计算变压器负载损耗时，在变压器高压侧输入功率中扣除低压侧短路导线消耗的功率，消除了测试过程中引入的系统误差，从而提高了变压器负载损耗测试的准确度，采用本发明的系统和方法进行现场测试时，30KVA‑1600KVA以上的变压器采用截面积75mm²，长度3×700mm紫铜短路线时测试误差小于1％。

Description

一种高精度现场测试电力变压器负载损耗的系统及方法

技术领域

本发明属于变压器测试技术领域，具体涉及一种高精度现场测试电力变压器负载损耗的系统及方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中能量传输的重要环节，其性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益；据国家统计局数据显示，自2014年以来，我国每年的电力损失量基本维持在3000亿千瓦小时以上的水平，其中，变压器损耗约占输配电电力损耗的40％，具有较大节能潜力。为节能降耗，国家有关机构2020年5月发布了新国标《GB20052-2020电力变压器能效限定值及能效等级》，对新入网变压器的能效特性把关控制；新国标中对1级、2级、3级能效电力变压器的空载、负载损耗做出了新的规定，其中许多同规格不同级别变压器间的负载损耗相差小于5％，这就对测试准确度提出了较高的要求。

目前，无论实验室或在现场条件下测试变压器空载、负载损耗所用仪器的功率测试精度都优于0.5级，能达到测试要求；变压器负载损耗的测试是在短路试验条件下进行，即低压侧短路、高压侧加压，测出高压侧施加的功率PK′，然后根据公式(1)折算出变压器额定电流下的短路损耗(即负载损耗)：

Pk＝Pk′×(In/I′)2(1)

式中：Pk—额定电流下的短路损耗；

Pk′—在电流I′下测得的损耗；

In—额定电流；

I′—试验电流；

其中，对于一般油浸式变压器还要依据公式(2)统一折算到参考温度下(通常为75℃温度)条件下，即计算Pkt75：

Pkt75＝K_θ×Pk(2)

K_θ＝(α+75)/(α+θ)(3)

Pkt75—折算到参考温度下的负载损耗(75℃下标记Pkt75，即换算至75℃)；

Pk—θ温度下的短路损耗；

K_θ—铜或铝的电阻温度系数，铜导线α为235，铝导线α为225；

由上可知，试验中短路导线的电阻直接影响Pk测试结果，从而影响变压器负载损耗Pkt75的测试结果；在实验室条件下短路用的短路导线或铜排可以选足够大等效线径，减小对测试结果的影响，使短路导线电阻的影响可以忽略。然而，现场测试时，由于现场条件限制不可能做到短路导线等效电阻很小，达到可以忽略的程度，尤其是对400KVA的变压器用截面积150mm²铜导线，其影响可达10％以上，再增加线径不仅携带不方便、现场短接也存在困难；因此，目前现场测测试设备不能满足新国标《GB20052-2020电力变压器能效限定值及能效等级》对变压器负载损耗精度的要求。

发明内容

本发明解决了在现场测试变压器负载损耗时，由于短路电阻造成的测试结果精度较差的问题，本发明通过在进行短路试验时，在低压侧增加电压、电流采样电路，计算出测试电流I′下短路电阻消耗的功率Pr′，按公式(4)计算出额定电流下的短路损耗Pk：

Pk＝(Pk′-Pr′)×(In/I′)2(4)

然后，根据上述公式(2)计算出Pkt75，即变压器的负载损耗(参考温度下的负载损耗)，从而消除了短路电阻消耗的功率对测试结果的影响。

为了达到上述的发明目的，本发明公开了一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统：包括交流工频测试电源、变压器综合测试装置、高压侧电流测试导线、低压侧短路导线、低压侧电压测试导线、低压侧钳形电流互感器、被测变压器、高压侧电压测试导线；交流工频测试电源输出端经高压端测试导线连接于变压器能效测试装置的高压测试侧电流端子输入端，变压器能效测试装置的高压侧电流输出端子经高压端电流测试导线连接到变压器高压侧接线柱，低压侧端子用低压侧短路导线短路，变压器能效测试装置的高压侧电压端子经高压端电压测试导线连接变压器高压侧接线柱；被测变压器低压侧接线端子经低压侧电压测试导线连接于测试装置低压电压端子；钳形电流互感器输出线连接于变压器综合测试装置低压电流插座；

优选地，所述交流工频测试电源为单相交流电源或三相交流电源；

优选地，所述变压器为单相变压器或三相变压器；

优选地，对于所述单相变压器，钳形电流互感器Ta钳入a相被测变压器低压输出端子短路线；

优选地，对于所述三相变压器，钳形电流互感器Ta和Tc分别钳入a相和c相变压器低压输出端子短路线；

优选地，所述低压侧钳形电流互感器采用大电流钳形电流互感器，电流量程25-100A，分辨率0.01A、精度0.2级，钳口直径大于50CM；

优选地，所述变压器低压侧采用低电压取样电路，量程为：2mV、5mV、10mV，内部自动换挡，分辨率0.01mV，精度0.2级，且量程自动切换；所述低压侧有功功率量程0.06W－10W，分辨率0.01W精度0.2级；

优选地，高压侧电压回路量程50V、500V，且内部自动换挡，分辨率0.001V，精度0.2级；高压侧电流回路量程5A、50A，且内部自动换挡，分辨率0.001A精度0.2级；

优选地，所述短路导线采用紫铜，等效截面积75mm²－150mm²，长度3×700mm；

本发明还提出一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统的方法，包括如下步骤：

步骤1：短路试验时，交流工频测试电源电压从零缓慢上升，待升到设定值时，停止上升；此时变压器能效测试装置采集被测变压器高压侧电压和电流(，并计算出当前测试电流下从被测变压器输入的有功功率Pk′，考虑到变压器的负载试验三相对称性，功率测试采用三相三线二元件法，即：

Pk′＝UAB·IA+UBC·IC(6)

当前测试电流计算公式如下：

I′＝(IA+IB+IC)/3(7)

步骤2：通过低压侧钳形电流互感器和低压侧电压测试导线采集低压侧短路导线流过的电流及其承受的电压，并计算出当前电流下低压侧短路导线消耗的有功功率Pr′,考虑到变压器的负载试验三相对称性，功率测试采用三相二元件法，即：

Pr′＝Uab·Ia+Ubc·Ic(8)

步骤3：被测变压器输入功率Pk′，包含两部分损耗，一是变压器的负载损耗，二是短路电阻损耗，利用公式(9)计算出当前测试电流下变压器的负载损耗：

PK＝Pk′-Pr′(9)

步骤4：将I′和PK代入公式(1)计算出Pk，用温度计测出变压器的上层油温，再利用公式(2)和(3)计算出参考温度下的负载损耗Pkt75；

与现有技术相比，本发明的有益效果至少如下所述：

1)本发明在短路试验(负载损耗测试试验)时，同时采集变压器高压侧和低压侧的电信号，计算变压器负载损耗时，在变压器高压侧输入功率中扣除低压侧短路导线消耗的功率，消除了测试过程中引入的系统误差，从而提高了变压器负载损耗测试的准确度，现场测试时，30KVA-1600KVA以上的变压器采用截面积75mm²，长度3×700mm紫铜短路线时测试误差小于1％。

2)本发明通过对关键组件配置和参数设计，降低了对短路导线的严苛要求，方便现场短路接线，而不必为提高测试精度携带大量备用软体缠绕铜导线；低压侧电压测量采用低电压采样电路，能够提高功率的测试精度；低压侧电流取样采用高精度、大电流钳形电流互感器，保证测试精度的同时，现场操作简单、方便；高低压采样均采用自动换挡技术，适配最佳挡位，实现装置最高精度测试。

附图说明

图1为现有技术中单相变压器短路试验时接线图；

图2为现有技术中三相变压器短路试验时接线图；

图3为本发明的实施例1中单相变压器测试时接线图；

图4为本发明的实施例1中三相变压器测试时接线图；

图5和图6分别为本发明的实施例3中单相变压器和三相变压器测试时接线图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前，变压器负载损耗测试采用短路试验方法，即变压器高压侧施加电压，低压侧短路；测出变压器施加电压后产生的电压、电流、功率，并测出测试时变压器的上层油温，计算出变压器的负载损耗；

请参阅附图1和图2，图1为现有技术中单相变压器短路试验时接线图；图2为三相变压器短路试验时接线图。

短路试验时，测试电源输出端连接于变压器能效测试装置(以下简称测试装置)的高压测试侧电流端子输入端(单相IA或三相IA、IB、IC)，测试装置的高压侧电流输出端子(单相IA或三相IA、IB、IC)连接到变压器高压侧接线柱(单相A、X或三相A、B、C)，低压侧端子(单相a、x或三相a、b、c)用测试导线短路，测试装置的高压侧电压端子(单相UA、UB或三相UA、UB、UC)连接变压器高压侧接线柱；

试验时，高压侧施加电压，电压幅度为Ue×Ukt75，对于一般10KV配电变压器约为400V,待电压稳定后，测试装置采集变压器高压侧电压、电流、功率；

对于单相油浸式变压器直接利用公式(1)算出Pk，再利用公式(2)和(3)计算出参考温度下的负载损耗Pkt75，对于干式变压器通常折算到100℃(B级)、120℃(F级)、145℃(H级)温度下；

对于三相油浸式变压器公式(1)中电流取三相电流平均值，即

I＝(IA+IB+IC)/3(5-1)

对于三相油浸式变压器公式(1)中Pk′取三相功率之和，即

Pk′＝PA+PB+PC(6-1)

将I和Pk′代入公式(1)计算出Pk，再利用公式(2)和(3)计算出参考温度下的负载损耗Pkt75。

然而，上述现有技术中，现场测试变压器负载损耗时，由于现场条件限制不可能做到短路导线等效电阻很小，达到可以忽略的程度，尤其是对400KVA的变压器用截面积150mm²铜导线，其影响可达10％以上，再增加线径不仅携带不方便、现场短接也存在困难。

基于上述现有技术存在的技术问题，本发明提出如下的实施例。

实施例1：

请参阅附图3、图4，图3为本发明的实施例1中单相变压器测试时接线图；图4为本发明的实施例1中三相变压器测试时接线图。

本实施例公开了一种高精度现场测试电力变压器负载损耗的系统，包括交流工频测试电源1、变压器综合测试装置2、高压侧电流测试导线3、低压侧短路导线4、低压侧电压测试导线5、低压侧钳形电流互感器6、被测变压器7、高压侧电压测试导线8；交流工频测试电源1输出端经高压端测试导线3连接于变压器能效测试装置2的高压测试侧电流端子输入端(单相IA或三相IA、IB、IC)，变压器能效测试装置2的高压侧电流输出端子(单相IA或三相IA、IB、IC)经高压端电流测试导线3连接到变压器高压侧接线柱(单相A、X或三相A、B、C)，低压侧端子(单相a、x或三相a、b、c)用低压侧短路导线4短路，变压器能效测试装置2的高压侧电压端子(单相UA、UB或三相UA、UB、UC)经高压端电压测试导线8连接变压器高压侧接线柱(三相为A、B、C，单相A、X)；被测变压器7低压侧接线端子(单相a、x或三相a、b、c)经低压侧电压测试导线5连接于测试装置2低压电压端子(单相Ua或三相Ua、Ub、Uc)；钳形电流互感器6(单相Ta或三相Ta、Tc)输出线连接于测试装置2低压电流插座(单相Ia或三相Ia、Ic)；

进一步地，所述交流工频测试电源1为单相交流电源或三相交流电源；

进一步地，所述被测变压器7为单相变压器或三相变压器；

进一步地，对于所述单相变压器，钳形电流互感器6Ta钳入a相被测变压器7低压输出端子短路线；

进一步地，对于所述三相变压器，钳形电流互感器6Ta和Tc分别钳入a相和c相被测变压器7低压输出端子短路线；

进一步地，所述低压侧钳形电流互感器6采用大电流钳形电流互感器，电流量程25-100A，分辨率0.01A、精度0.2级，钳口直径大于50CM；

进一步地，所述变压器低压侧采用低电压取样电路，量程：2mV、5mV、10mV，内部自动换挡，分辨率0.01mV，精度0.2级，且量程自动切换；所述低压侧有功功率量程0.06W－10W，分辨率0.01W精度0.2级；

进一步地，高压侧电压回路量程50V、500V，且内部自动换挡，分辨率0.001V，精度0.2级；高压侧电流回路量程5A、50A，且内部自动换挡，分辨率0.001A精度0.2级；

进一步地，所述短路导线采用紫铜，等效截面积75mm²－150mm²，长度3×700mm。

实施例2：

本实施例2公开了一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统的方法，包括如下步骤：

步骤1：短路试验时，交流工频测试电源电压从零缓慢上升，待升到设定值时，停止上升；此时变压器能效测试装置采集被测变压器高压侧电压(单相UA或三相UAB、UBC、UCA)和电流(单相IA或三相IA、IB、IC)，并计算出当前测试电流下从被测变压器输入的有功功率Pk′，考虑到变压器的负载试验三相对称性，功率测试采用三相三线二元件法，即：

Pk′＝UAB·IA+UBC·IC(6)

当前测试电流计算公式如下：

I′＝(IA+IB+IC)/3(7)

步骤2：通过低压侧钳形电流互感器和低压侧电压测试导线采集低压侧短路导线流过的电流(单相Ia或三相Ia、Ic)及其承受的电压(单相Ua或三相Uab、Ubc、Uca)，并计算出当前电流下低压侧短路导线消耗的有功功率Pr′,考虑到变压器的负载试验三相对称性，功率测试采用三相二元件法，即：

Pr′＝Uab·Ia+Ubc·Ic(8)

步骤3：被测变压器输入功率Pk′，包含两部分损耗，一是变压器的负载损耗，二是短路电阻损耗，利用公式(9)计算出当前测试电流下变压器的负载损耗：

PK＝Pk′-Pr′(9)

步骤4：将I′和PK代入公式(1)计算出Pk，用温度计测出变压器的上层油温，再利用公式(2)和(3)计算出参考温度下的负载损耗Pkt75。

实施例3：

前述实施例1是测试系统测试电源外置，本实施例采用测试电源内置的变压器负载损耗系统。请参阅附图5、6，图5和图6分别为本发明的实施例3中单相变压器和三相变压器测试时接线图。

本实施例公开了一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统，包括高压侧电流测试线1、高压侧电压测试线2、变压器能效测试装置3、低压侧短路导线6、低压侧电压测试导线4、低压侧钳形电流互感器5、被测变压器7；

其中，A、B、C端子为测试电源电压输出端子(对于三相测试电源为A、B、C，单相电源为A、B，B为零线)；在测试装置内电源输出端经导线穿过内附电流互感器(三相测试电源为三只互感器对应A、B、C三根火线，单相电源为A相一只)连接A、B、C端子，单相电源零线经导线直接连接B端子,这样测试装置面板上端子A、B、C直接输出测试电压(单相电源A、B输出)，同时在测试装置内完成输出电流取样；测试装置的高压侧电压端子(单相UA、UB或三相UA、UB、UC)经高压端电压测试导线2连接变压器高压侧接线柱(三相变压器为A、B、C，单相变压器A、X)；

被测变压器7低压侧接线端子(单相a、x或三相a、b、c)经低压侧电压测试导线4连接于测试装置3低压电压端子(单相Ua或三相Ua、Ub、Uc)；钳形电流互感器5(单相Ta或三相Ta、Tc)输出线连接于测试装置3低压电流插座(单相Ia或三相Ia、Ic)，对于单相变压器，钳形电流互感器Ta钳入a相被测变压器低压输出端子短路线，对于三相变压器，钳形电流互感器Ta和Tc分别钳入a相和c相变压器低压输出端子短路线；

试验时测试装置控制测试电源电压上升，当电压升到待升到设定值(注：现场一般升到变压器阻抗电压Ukt75的5％－10％左右，大约12V－30V)时，停止上升；测试装置采集变压器高压侧和低压侧电压、电流值，并计算出高压侧输入有功功率和低压侧输出功率，同时用温度计测出变压器的上层油温，然后根据公式(7)、(8)、(9)和(2)(3)计算出被测变压器在参考温度下的负载损耗。

以上上述的实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上上述的实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

以上上述的仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统，其特征在于，包括交流工频测试电源(1)、变压器综合测试装置(2)、高压侧电流测试导线(3)、低压侧短路导线(4)、低压侧电压测试导线(5)、低压侧钳形电流互感器(6)、被测变压器(7)、高压侧电压测试导线(8)；所述交流工频测试电源(1)输出端经高压测电流测试导线(3)连接于变压器能效测试装置(2)的高压测试侧电流端子输入端，变压器能效测试装置(2)的高压侧电流输出端子经高压测电流测试导线(3)连接到被测变压器(7)高压侧接线柱，低压侧端子用低压侧短路导线(4)短路，变压器能效测试装置(2)的高压侧电压端子经高压端电压测试导线连接被测变压器(7)高压侧接线柱；被测变压器(7)低压侧接线端子经低压侧电压测试导线(5)连接于变压器综合测试装置(2)低压电压端子；低压测钳形电流互感器(6)输出线连接于变压器综合测试装置(2)低压电流插座。

2.根据权利要求1所述的一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统，其特征在于，所述交流工频测试电源(1)为单相交流电源或三相交流电源。

3.根据权利要求1所述的一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统，其特征在于，所述被测变压器(7)为单相变压器或三相变压器。

4.根据权利要求3所述的一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统，其特征在于，对于所述单相变压器，低压侧钳形电流互感器(6)Ta钳入a相被测变压器低压输出端子短路线。

5.根据权利要求3所述的一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统，其特征在于，对于所述三相变压器，低压侧钳形电流互感器(6)Ta和Tc分别钳入a相和c相变压器低压输出端子短路线。

6.根据权利要求1所述的一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统，其特征在于，所述低压侧钳形电流互感器(6)采用大电流钳形电流互感器，电流量程25-100A，分辨率0.01A、精度0.2级，钳口直径大于50CM。

7.根据权利要求1所述的一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统，其特征在于，所述变压器低压侧采用低电压取样电路，量程为：2mV、5mV、10mV，内部自动换挡，分辨率0.01mV，精度0.2级，且量程自动切换；

所述低压侧有功功率量程0.06W－10W，分辨率0.01W精度0.2级；高压侧电压回路量程50V、500V，内部自动换挡，分辨率0.001V，精度0.2级；

高压侧电流回路量程5A、50A，内部自动换挡，分辨率0.001A精度0.2级。

8.根据权利要求1所述的一种高精度现场测试电力变压器负载损耗系统，其特征在于，所述短路导线采用紫铜，等效截面积75mm²－150mm²，长度3×700mm。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的高精度现场测试电力变压器负载损耗系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)：短路试验时，交流工频测试电源(1)电压从零缓慢上升，待升到设定值时，停止上升；此时变压器能效测试装置(2)采集被测变压器高压侧电压和电流，并计算出当前测试电流下从被测变压器(7)输入的有功功率Pk′，考虑到变压器的负载试验三相对称性，功率测试采用三相三线二元件法，即：

Pk′＝UAB·IA+UBC·IC (6)

当前测试电流计算公式如下：

I′＝(IA+IB+IC)/3 (7)

步骤2)：通过低压侧钳形电流互感器(6)和低压侧电压测试导线(5)采集低压侧短路导线(4)流过的电流及其承受的电压，并计算出当前电流下低压侧短路导线(4)消耗的有功功率Pr′,考虑到变压器的负载试验三相对称性，功率测试采用三相二元件法，即：

Pr′＝Uab·Ia+Ubc·Ic (8)

步骤3)：被测变压器输入功率Pk′，包含两部分损耗，一是变压器的负载损耗，二是短路电阻损耗，利用公式(9)计算出当前测试电流下变压器的负载损耗：

PK＝ Pk′-Pr′ (9)

步骤4)：将I′和PK代入公式(1)计算出Pk，用温度计测出变压器的上层油温，再利用公式(2)和(3)计算出参考温度下的负载损耗Pkt75；

其中：

Pk＝Pk′×(In/I′)2 (1)

式中：Pk—额定电流下的短路损耗；

Pk′—在电流I′下测得的损耗；

In—额定电流；

I′—试验电流；

Pkt75＝K_θ×Pk (2)

K_θ＝(α+75)/(α+θ) (3)

Pkt75—折算到参考温度下的负载损耗(75℃下标记Pkt75，即换算至75℃)；

Pk—θ温度下的短路损耗；

K_θ—铜或铝的电阻温度系数，铜导线α为235，铝导线α为225。

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