淺談變壓器容量特性與空載負載試驗方法

一、空載試驗的目的和意義
變壓器空載試驗：從變壓器的某一繞組（一般從二次低壓側(cè)）施加正弦波額定頻率的額定電壓，其余繞組開路，測量空載電流和空載損耗。如果試驗條件有限，電源電壓達不到額定電壓，可在非額定電壓條件下試驗，這種試驗方法誤差較大，一般只用于檢查變壓器有*，只有試驗電壓達到額定電壓的80%以上才可用來測試空載損耗。
      《規(guī)程》中規(guī)定，對容量3150kVA及以上的變壓器進行此項試驗，測得出的空載電流和空載損耗數(shù)值與出廠試驗值相比應(yīng)無明顯變化。
       空載試驗主要目的是發(fā)現(xiàn)磁化中的鐵芯硅鋼片的局部絕緣不良或整體缺陷，如鐵芯多點接地、鐵芯硅鋼片整體老化等；根據(jù)交流耐壓試驗前后兩次空載試驗得的空載損耗比較、判斷繞組是否有匝間擊穿等情況。
       空載損耗主要是鐵芯的損耗，即鐵芯的磁化所引起的磁滯損耗和渦流損耗?？蛰d損耗還包括少部分銅損耗（空載電流通過繞組時產(chǎn)生的電阻損耗）和附加損耗（指鐵 損耗、銅損耗外的其他損耗，如變壓器引起損耗、測量線路及表計損耗等）。計算表明，變壓器空載損耗中的銅損耗及附加損耗不超過總損耗的3%。
       空載損耗和空載電流的大小，取決于變壓器的容量、鐵芯的構(gòu)造、硅鋼片的質(zhì)量和鐵芯的制造工藝等。電力變壓器容量在2000kVA以上時，空載電流約占額定 電流大的0.6%-2.4%；中、小型變壓器的空載電流約占額定電流的4%-16%。鐵芯硅鋼片采用的材質(zhì)不同，其空載電流差異較大。
       空載電流通常以額定電流的百分數(shù)I0%來表示，單相變壓器I0(%)＝(I0／IN)×100%。三相變壓器空載電流百分數(shù)I0%計算公式如下
        I0(%)＝(I0／IN)×100%
        I0＝(I0a﹢I0b﹢I0c)／3
    式中 I0(%)——空載電流百分數(shù)；
         I0——三相空載電流平均值；
         I0a、I0b、I0c——a、b、c三相上測得的空載電流；
         IN——加壓測量側(cè)的額定電流。
導(dǎo)致變壓器空載損耗和空載電流增大的原因有以下幾點：
    (1) 變壓器鐵芯多點（兩點及以上）接地
    (2) 硅鋼片之間絕緣不良，或部分硅鋼片之間短路
    (3) 穿心螺栓或壓板的絕緣損壞，上夾件和鐵芯、穿心螺栓間絕緣不良，造成鐵芯的局部短路
    (4) 變壓器繞組有匝間、層間短路，并聯(lián)支路短路
    (5) 硅鋼片松動、劣化，鐵芯接觸不良

二、空載試驗的試驗方法
1. 單相變壓器空載試驗
        試驗接線如圖所示。當試驗電壓和電流不超過儀表的額定值時，可直接將測量儀表接入測量回路見圖。當電壓、電流超過儀表額定值時，可通過電壓互感器及電流互感器接入測量回路見圖。

單相變壓器空載試驗接線圖
(a)儀表直接入；(b)儀表經(jīng)互感器接入   

2. 三相變壓器空載試驗

    三相變壓器的空載試驗多采用兩功率表法和三功率表法，試驗接線如圖所示。

三相變壓器空載試驗接線圖
(a)兩功率表法；(b)兩功率表法，儀表經(jīng)互感器接入；
(c)三功率表法，儀表經(jīng)互感器接入

    對應(yīng)圖所示，空載損耗P0與空載電流百分數(shù)I0(%)計算公式為
        P0＝P1﹢P2
        I0(%)＝(I0a﹢I0b﹢I0c)／3IN×100%
    對應(yīng)圖所示，P0、I0、I0(%)計算式為
        P0＝(P1﹢P2) kTVkTA
        I0(%)＝(I0a﹢I0b﹢I0c)／3IN×kTA×100%
    對應(yīng)圖所示，P0、I0、I0(%)計算式為
        P0＝(P1﹢P2﹢P3)kTVkTA
        I0(%)＝(I0a﹢I0b﹢I0c)／3IN×kTA×100%
    以上各式中 P1、 P2、 P3——功率表的測量值（表計格數(shù)換算后實際值）
               I0a、I0b、I0c——電流表的實測值
                        kTV——測量用電壓互感器的變比
                        kTA——測量用電流互感器的變比
                         IN——變壓器測量側(cè)的額定電流
3. 三相變壓器的單相空載試驗
        當現(xiàn)場沒有三相電源或變壓器三相空載試驗數(shù)據(jù)異常時，可進行單相空載試驗。通過三相變壓器的單相空載試驗，對各相空載損耗的分析比較，可了解空載損耗在各相分布狀況，對發(fā)現(xiàn)繞組與鐵磁路有無局部缺陷，判斷鐵芯故障部位較為有效。
        進行三相變壓器單相空載試驗時，將三相變壓器中的一相一次短路，按單相變壓器的空載試驗接線圖接好，在其他兩相上施加電壓，測量空載損耗和空載電流。一相短路的目的是使該相沒有磁通通過，因而也沒有損耗。
    (1) 當加壓繞組為星形接線時，施加電壓U=2UN/√3,測量方法如下：
    *次試驗--a、b端加壓，c、0端或c相上的其他繞組（如cb或ca）短路，測量P0ab和I0ab。
    第二次試驗--b、c端加壓，a、0端或a相上的其他繞組（如ab或ac）短路，測量P0ab和I0ab。
    第三次試驗--a、c端加壓，b、0端或b相上的其他繞組（如ba或bc）短路，測量P0ab和I0ab。
    三相空載損耗P0和空載百分數(shù)I0(%)計算式為
        P0＝[(P0ab﹢P0bc﹢P0ac)／2]kTVkTA
        I0(%)＝[(I0ab﹢I0bc﹢I0ac)／3IN]kTA×100%
    式中P0ab、P0bc、P0ac、I0ab、I0bc、I0ac——表計的實測值；
                                  kTV、kTA——測量電壓互感器和電流互感器的變比，儀表直接接入時kTV＝kTA＝1.
    (2) 當繞壓組為a-y、b-z、c-x連接，即三角形接線時，施加電壓U=UN（額定的線電壓），測量方法如下：
    *次試驗--a、b端加壓，a、c短路，測量P0ab和I0ab。
    第二次試驗--b、c端加壓，a、c短路，測量P0bc和I0bc。
    第三次試驗--a、c端加壓，a、b短路，測量P0ac和I0ac。
    (3) 當加壓繞組為a-z、b-x、c-y連接，即三角形接線時，施加電壓、測量方法和順序同（2），只是*次試驗測量的是P0ac和I0ac，第二次試驗測量的是P0bc和I0bc，第三次試驗測量的是P0ab和I0ab。三相空載損耗P0和空載百分數(shù)I0(%)計算式為
        P0＝[(P0ab﹢P0bc﹢P0ac)／2]kTVkTA
        I0(%)＝[0.289(I0ab﹢I0bc﹢I0ac)／IN]kTA×100%
    (4) 單相空載損耗數(shù)據(jù)應(yīng)符合以下兩個要求：
    1）由于BC相的磁通與AB*對稱，所以P0ab就近似等于P0bc，實測結(jié)果P0ab與P0bc的偏差一般在3%以下。
    2）由于AC相的磁路要比AB或BC相的磁路長，所以P0bc＝kP0ab＝kP0bc,其中k是由該產(chǎn)品鐵芯的幾何尺寸決定的系數(shù)。對于110-220kV變壓器，k一般為1.1-1.55；對于35-60kV變壓器，k一般為1.3-1.4。
        所測得的結(jié)果與上述兩要求中的任意一個不符合時，則說明變壓器有缺陷。
4. 降低電壓下的空載試驗
        受試驗條件的限制，現(xiàn)場常需要在低電壓（5%～10%的額定電壓下）進行空載試驗。由于施加的的試驗電壓較低，相應(yīng)的空載損耗也很小，因此應(yīng)注意選擇合適 量程的儀表，以保證測量的準確度，并應(yīng)考慮儀表、線路等附加損耗的影響。在低電壓下得到的空載試驗數(shù)據(jù)主要用于與歷次空載損耗數(shù)值比較，必要時可近似換算 成額定電壓下的空載損耗。換算式為
        P0＝P'0(UN／U')n
    式中 U'——試驗時所加電壓；
         UN——額定電壓；
         P'0——電壓為U′時測量得到的空載損耗；
         P0——換算得到額定電壓下的空載損耗試驗；
         n——系數(shù)，決定于鐵芯硅鋼片的種類，對熱軋硅鋼片取n≈1.8，對冷軋硅鋼片取n≈1.9～2。
        由于電源容量不足，在80%～90%額定電壓下進行空載試驗時，可在70%～90%額定電壓間試驗不少于5次，并將5次試驗所得數(shù)值在對數(shù)坐標紙上繪成空載損耗P0和空載電流I0隨電壓變化的曲線，然后用外推法求出額定電壓下的P0和I0。
5. 直接用系統(tǒng)電源進行的空載試驗
        由于設(shè)備及運輸?shù)确矫娴脑?，電力系統(tǒng)運行部門在現(xiàn)場一般不用較大容量的調(diào)壓器和變壓器來進行空載試驗，而直接采用系統(tǒng)電源進行空載試驗。
        用系統(tǒng)電源進行空載試驗時，由于沒有調(diào)壓的過程，而是系統(tǒng)電壓直接加到變壓器上，相當于投空載變壓器，對系統(tǒng)有一定的影響。因此用這種方法試驗時，應(yīng)調(diào)整 好各種繼電保護、變壓器及其他電力設(shè)備的運行方式，對變壓器、線路、測量儀器設(shè)備進行仔細的檢查，確認無誤后方可進行。
        試驗前將測試儀表設(shè)備接好，將測試電流互感器用一組高壓隔離開關(guān)短路，然后再系統(tǒng)電壓下合電源開關(guān)，被試變壓器將承受很高的操作過電壓和很大的勵磁涌流， 待涌流流過后，用絕緣棒拉開短路用隔離開關(guān)在進行測試?，F(xiàn)場沒有高壓隔離開關(guān)時應(yīng)將測量電流互感器二次側(cè)用低壓開關(guān)短路，涌流過后拉開二次側(cè)低壓開關(guān)，防 止涌流對測量儀表的沖擊和損壞。
         用系統(tǒng)電壓作空載試驗時為避免涌流ihe磁滯等的影響，合閘后應(yīng)待涌流通過后合儀表讀數(shù)非常穩(wěn)定后方可讀取測試數(shù)據(jù)，不應(yīng)合閘后馬上讀取。
        系統(tǒng)電壓一般很少恰好與試品電壓相等，但要根據(jù)系統(tǒng)的實測電壓與試品額定電壓的差異，來分析測量數(shù)據(jù)與出廠數(shù)據(jù)的差別，判斷產(chǎn)品是否有故障。
        由于系統(tǒng)電源的容量足夠，系統(tǒng)電壓與額定電壓接近，可利用系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備，不需要大容量的試驗設(shè)備，試驗電壓波形無畸變，因而這種試驗方法現(xiàn)場經(jīng)常采用。

三、空載試驗的注意事項
        (1) 為測量準確，變壓器空載試驗所用的測量用互感器、儀器儀表的準確度不應(yīng)低于0.5級。
        (2) 空載試驗使用的功率應(yīng)選用cosψ=0.1,、準確度不低于0.5級的低功率因數(shù)功率表，這是因為在交流電路中，功率P=UIcosψ.變壓試驗 時，cosψ很低，用普通的功率因數(shù)表，會造成電壓、電流雖都達到功率表的標準值，而讀數(shù)卻很小，造成測量不準確。例如cosψ=1、倍數(shù)為5、滿刻度、 滿刻度為150格的功率表（電壓量程150V，電流）去測量cosψ=0.02的大型變壓器的空載損耗，當電壓為100V，電流為時，表讀數(shù)卻只 有100×5×0.02=10格，即讀數(shù)很小。不易讀準確。如果電壓互感器的變比為100，電流互感器的變比為30，那么，上述表的讀數(shù)每差0.1格（例 如10.1讀成10）的誤差為0.1×30×100×5=1.5(kW），即誤差的百分數(shù)為(0.1/10)×100%=1%。當改用倍數(shù)為0.5、用 cosψ=0.1、滿刻度為150格的同樣量程檔的低功率表去測量時，讀數(shù)可提高到100格，每差0.1格時的誤差百分數(shù)僅為0.1/100×100 %=1%，所以現(xiàn)場空載試驗時一般采用用cosψ=0.1、準確度為0.2、0.5級的低功率因數(shù)功率表。
        (3) 接線時必須使用功率表的電流線圈和電壓線圈兩端子間的電位差zui小，并注意電流線圈和電壓線圈的極性。極性連接正確無誤后，測量出的功率是兩只功率表或三只功率表讀數(shù)的代數(shù)和。功率表的指示可能是正值也可能是負值。
       (4) 空載試驗使用的互感器的極性必須正確連接，一、二次連接相對應(yīng)，二次端子與表計極性相對應(yīng)，不可隨意。還需注意，互感器的二次端子中有一個應(yīng)安全接地，對三相互感器或三只單相互感器，應(yīng)是同名端、同一接地點接地。
        (5) 對大型變壓器進行現(xiàn)場空載試驗時，應(yīng)有事先經(jīng)過上級同意的試驗方案；了解變壓器初廠試驗時的銘牌空載損耗和空載電流百分數(shù)數(shù)值，選用合適變比和量程的互感 器和儀表。直接用系統(tǒng)電壓進行空載試驗時，對有關(guān)繼電保護，運行方式應(yīng)予以計算調(diào)整，防止發(fā)生事故。試驗時，試驗現(xiàn)場應(yīng)設(shè)圍欄，做好各項安全措施，專 人負責，保證試驗時人身和設(shè)備安全。
       (6) 精度要求較高的空載試驗或?qū)π∪萘孔儔浩鬟M行空載試驗和對大容量變壓器在低電壓下進行空載試驗時，應(yīng)考慮排除附加損耗的影響。
    實際測量的損耗中包含有功率表電壓線圈，電壓表本身和電纜線的損耗，對于中小型變壓器，這個損耗占空載損耗的1.5%～5%，因此必須進行校正。校正公式為
        P0＝P'0－P'
    式中 P'0——包括儀表及電纜線的損耗在沒的空載損耗時實測值。
         P'——儀表及電纜線損耗。
    P'可以在被試變壓器斷開的情況下，施加試驗電壓，直接從瓦特表上讀出來，也可以按下式估算，即：
    P'＝U2(1/rw﹢1/rad﹢1/rv)      
    式中 U——施加試驗電壓，V；
         rw、rnd、rv——分別表示功率表電壓線圈電阻 附加電阻和電壓表線圈電阻。
       (7) 進行空載試驗時，試驗電源應(yīng)有足夠的容量。試驗電源容量估算式為
        S＝SN ×I0%
    式中S——試驗所需的電源容量，kVA；
        SN——被試驗變壓器額定容量，kVA；
        I0%——被試驗變壓器空載電流額定電流百分數(shù)。
    為保證獲得不畸變的正弦電波，實際選擇容量時應(yīng)盡量大于上式估算結(jié)果。