馬桂芬, 袁小嫻, 蔣 海, 董 時

(1.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院, 廣東 廣州 510670;2.國家智能電網(wǎng)設(shè)備輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 廣東 東莞 523325)

0 引 言

電力變壓器是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,其中配電變壓器是指運(yùn)行在配電網(wǎng)中電壓等級為10 kV、20 kV、35 kV系統(tǒng)經(jīng)過電壓變換后直接向終端用戶供電的變壓器,其安全可靠、節(jié)能、環(huán)保性能受到供電部門和用戶的廣泛關(guān)注。

隨著變壓器產(chǎn)品型號更替速度加快,品種增多,產(chǎn)品綜合性能指標(biāo)明顯提高。在國家產(chǎn)業(yè)政策和“節(jié)能降耗”的推動下,對變壓器綜合性能指標(biāo)的要求越來越高,近年來,國家持續(xù)對電力變壓器進(jìn)行監(jiān)督抽查,但其質(zhì)量仍亟待提升。在原國家質(zhì)檢總局修訂發(fā)布的《全國重點(diǎn)工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督目錄(2015年版)》中,電力變壓器被列為Ⅱ級風(fēng)險產(chǎn)品,即屬國內(nèi)市場流通量大,產(chǎn)品質(zhì)量安全問題案例中等,監(jiān)督抽查合格率較低的產(chǎn)品。

本文中通過近三年來全國配電變壓器國家質(zhì)量監(jiān)督抽查發(fā)現(xiàn)的損耗超標(biāo)問題,研究探討了配電變壓器損耗測量的關(guān)鍵技術(shù),分析了測量結(jié)果的不確定度和符合性,并提出相應(yīng)的控制措施和建議。

1 抽查結(jié)果及質(zhì)量主要問題

1.1 配電變壓器抽查質(zhì)量結(jié)果

2017～2019年我國配電變壓器產(chǎn)品抽查結(jié)果如表1所示。

表1 2017～2019年我國配電變壓器產(chǎn)品抽查結(jié)果

1.2 抽查試驗(yàn)項目及其分項合格率

2017～2019年抽檢項目合格率對比如圖1所示。

由圖1可知,短路阻抗和負(fù)載損耗測量項目近兩年的合格率最低,2018年項目合格率只有85.0%;空載電流和空載損耗測量也是連續(xù)3年出現(xiàn)了不合格。結(jié)果反映出上面兩項目是當(dāng)前配電變壓器主要存在質(zhì)量問題的方面[1]。

1.3 損耗測量抽查結(jié)果及不合格原因

短路阻抗和負(fù)載損耗測量項目與空載電流和空載損耗測量項目都是一個檢測項目包含2個參數(shù),其不合格主要都是損耗參數(shù)測量結(jié)果超標(biāo)。其中2018年抽檢的107臺樣品中有16臺產(chǎn)品負(fù)載損耗超過標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定值的要求,有7臺產(chǎn)品空載損耗均超過強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》[2]中3級能效限定值的要求。

抽查結(jié)果發(fā)現(xiàn)的這兩項損耗超標(biāo)缺陷,原因歸納起來有2個方面:一是企業(yè)對標(biāo)準(zhǔn)理解不透徹,對國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 20052—2013要求認(rèn)識不足。二是由于新產(chǎn)品設(shè)計不當(dāng)或生產(chǎn)制造過程中工藝、質(zhì)量控制不當(dāng)所致[3]。

2 配電變壓器損耗測量

鑒于負(fù)載損耗測量與空載損耗測量均屬于例行試驗(yàn)需測量的參數(shù),按理出廠檢驗(yàn)時就應(yīng)能發(fā)現(xiàn)此缺陷,因此排除標(biāo)準(zhǔn)理解和認(rèn)識因素,試驗(yàn)?zāi)芰蜋z驗(yàn)技術(shù)水平是關(guān)鍵,而負(fù)載損耗和空載損耗作為配電變壓器的重要性能指標(biāo),一直是技術(shù)經(jīng)濟(jì)合同關(guān)注的重點(diǎn),在運(yùn)行過程中,損耗指標(biāo)反映了變壓器在運(yùn)行期間的效率。

由于變壓器自身特性及廠家設(shè)計制造水平和試驗(yàn)?zāi)芰Σ町?所以抽檢時對變壓器空載損耗參數(shù)測量結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)較大爭議。

以下根據(jù)配電變壓器的空載損耗特性,對損耗測量關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

2.1 誤差基本源

2.1.1 空載損耗測量

空載損耗是變壓器不帶負(fù)載時產(chǎn)生的損耗,即鐵心損耗,主要與鐵心的磁滯損耗和渦流損耗有關(guān)[4]。GB 1094.1—2013《電力變壓器 第1部分:總則》[5]中第11.5條規(guī)定了空載損耗測量方法,原則上是以變壓器端子上的非畸變正弦波電壓為基準(zhǔn)。根據(jù)平均值電壓表U′和方均根值電壓表U讀數(shù)比較,按照d=(U′-U)/U′不超過3%準(zhǔn)則判斷電源波形是否符合要求。應(yīng)使繞組各相上所施加的電壓盡可能接近于正弦波,空載損耗隨施加電壓的升高而迅速上升。因此,電源質(zhì)量和電壓測量、調(diào)整是空載損耗準(zhǔn)確測定的關(guān)鍵,從而有助于減少損耗測量不確定性。

2.1.2 負(fù)載損耗測量

負(fù)載損耗是變壓器在額定電流下通過繞組電阻產(chǎn)生熱效應(yīng)而導(dǎo)致的損耗和漏磁場產(chǎn)生的各種附加損耗。GB 1094.1—2013中第11.4條規(guī)定負(fù)載損耗測量方法“一對繞組的短路阻抗和負(fù)載損耗測量,應(yīng)在額定頻率下,將近似正弦波的電壓施加在一個繞組上,另一個繞組短路,其他繞組開路”。

導(dǎo)致配電變壓器負(fù)載損耗測量中的系統(tǒng)誤差來源主要包括以下方面:

(1) 試驗(yàn)電流的測量。負(fù)載損耗看作是變壓器等效電路中串聯(lián)阻抗的電阻分量損耗,認(rèn)為串聯(lián)阻抗是線性的,意味著負(fù)載損耗應(yīng)隨電流的平方而變化,這是誤差的主要來源。

(2) 考慮負(fù)載損耗隨溫度的變化。GB 1094.1—2013附錄G敘述了當(dāng)將負(fù)載損耗換算到繞組參考溫度時應(yīng)怎樣處理I2R損耗和附加損耗。因此,繞組電阻測量誤差和損耗測量時確定繞組溫度的誤差,就是參考溫度下?lián)p耗計算誤差的兩個組成部分。

(3) 變壓器的串聯(lián)阻抗主要是感性的。隨著額定容量增大,阻抗的功率因數(shù)趨于下降。

試驗(yàn)的電壓、電流和有功功率的測量是采用包含與測量電壓、電流及測量儀器相匹配的傳感器在內(nèi)的測量系統(tǒng)來進(jìn)行,常規(guī)測量系統(tǒng)包括電磁式電壓互感器和電流互感器。不同類型的測量系統(tǒng)產(chǎn)生不同測量誤差特性,但遵守原則是普遍適用的。按定義,損耗測量為P=UIcosφ。

復(fù)合相對誤差可由先對等式兩邊取自然對數(shù),然后取其導(dǎo)數(shù)來得出:

(1)

電壓U相量和電流I相量之間的相位夾角φ接近π/2(90°,感性)。功率因數(shù)cosφ為一個很小數(shù)值。由于

(2)

因此,

(3)

式(2)是一個遠(yuǎn)大于1的數(shù)值,表明在相角(弧度)測定中一定的相對誤差會導(dǎo)致?lián)p耗測定中有相當(dāng)大的相對誤差。相角(弧度)測定中的相對誤差與損耗測定相對誤差關(guān)系如圖2所示。相對誤差與功率因數(shù)的函數(shù)關(guān)系如圖3所示。由圖3可見,功率因數(shù)越小對損耗測量影響越大。

2.2 測量結(jié)果的不確定分析

基于以上因素,使用常規(guī)損耗測量系統(tǒng),依據(jù)JB/T 501—2006《電力變壓器試驗(yàn)導(dǎo)則》[6]要求最低配置設(shè)備,即電流互感器、電壓互感器的精度不低于0.2 級,所用儀表的精確度不低于0.5 級,功率測量采用低功率因數(shù)的功率表(小于0.2)。按此選擇0.2 級的電流和電壓互感器和0.5 級的低功率因數(shù)(cos 0.1)功率表,其中變比最大允許誤差為2%,角差最大允許誤差限10′。

2.2.1 直接測量的損耗結(jié)果分析

首先,設(shè)U、I分別為電壓和電流,φ為試驗(yàn)時變壓器的功率因數(shù)角,則有

P=UIcosφ=KPTUPKCTIPcosφ

(4)

式中:P——損耗測量值;

KPT、KCT——電壓互感器和電流互感器的變比;

IP、UP——儀表測得的二次電流和電壓。

根據(jù)式(4),其不確定度合成有:

(5)

式中:u(P)/P——損耗P的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u(KPT)/KPT——電壓互感器變比的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u(KCT)/KCT——電流互感器變比的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u(UP)/UP——功率分析儀電壓測量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u(IP)/IP——功率分析儀電流測量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

u(φ)/φ——功率因數(shù)角測量的不確定度。

由于常規(guī)測量系統(tǒng)包括電磁式電壓互感器和電流互感器以及功率表,測量互感器分別具有相角誤差δu和δi弧度。功率表線圈的電感會使電壓互感器施加的電壓與該表電壓線圈中的電流之間產(chǎn)生一個相角滯后,功率表的相角位移用δω表示。

如果在試品上的電壓和電流之間的原始相位角為φ,功率表中實(shí)際相位角則為

φ′=φ+δu-δi-δω=φ+δφ

(6)

如果總相位角誤差δφ為正,則估算的功率因數(shù)cosφ比正確值cosφ要低。測出損耗值的校正量具有正號:

(7)

(8)

損耗測量結(jié)果(未考慮溫度校正)的不確定分析如表2所示。

表2 損耗測量結(jié)果(未考慮溫度校正)的不確定分析

2.2.2 結(jié)果校正的不確定影響分析

由于

(9)

式中:Kt——電阻溫度系數(shù),對于銅繞組油浸式變壓器為310/(235+t);

Pkt——在溫度t下?lián)p耗測量值;

Pk75——校正到參考溫度時損耗值(對于干式變壓器參考溫度不同)。

根據(jù)式(9),有

(10)

表3 考慮校正后的損耗不確定分析

對于空載損耗測量,結(jié)果評估與負(fù)載損耗類似,而且更簡單。

3 試驗(yàn)結(jié)果、規(guī)定值、偏差、不確定性限值

眾所周知,當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果用某數(shù)值來表示時,測量值不是一個準(zhǔn)確的數(shù)字,具有不確定性的特點(diǎn)。這種不確定性界限有多寬是與試驗(yàn)裝置的質(zhì)量水平,特別是測量系統(tǒng)、操作人員的技能和試品測量難度等有關(guān)。

GB 1094.1—2013第10章給出了試驗(yàn)驗(yàn)證變壓器規(guī)定損耗參數(shù)的允許偏差。而國家標(biāo)準(zhǔn)GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》中3級能效限定值要求是需要達(dá)到的保證值。對上述損耗測量試驗(yàn)各項相應(yīng)的系統(tǒng)誤差分析可見,僅主要考慮測量設(shè)備的系統(tǒng)性因素,在常規(guī)的測量條件下,最終校準(zhǔn)到參考溫度下負(fù)載損耗測量不確定度就達(dá)到了2.9%,實(shí)際上由于溫度測量及人員技術(shù)水平等隨機(jī)因素不同此值會更大[7-9]。

4 結(jié) 語

根據(jù)以上分析計算,對測量得出的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)盡可能正確地評估,設(shè)計驗(yàn)證時考慮相應(yīng)的裕度,才能確保滿足國家標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求的限值或用戶保障值要求,因此提出以下幾點(diǎn)建議:

整個試驗(yàn)的接受條件是測量本身必須符合一定的質(zhì)量要求,給出的限值或不確定性才能是適用的,因此除了使用JB/T 501—2006相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的測量系統(tǒng)及改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行損耗測量,必要時還要考慮誤差與隨機(jī)不確定性各種原因之間的組合和相互影響,除了可追溯性,還有試驗(yàn)電源的質(zhì)量,如電壓諧波分量、電壓和頻率的穩(wěn)定性,以及試驗(yàn)環(huán)境的電磁干擾影響,包括電磁場、接地、屏蔽等。

空載損耗測量需要特別注意,電壓測量讀出的讀數(shù)U′和U實(shí)際都是方均根值,電壓的施加要以平均值電壓表為準(zhǔn),應(yīng)使繞組各相上所施加的電壓盡可能接近于正弦波?？蛰d損耗測量與負(fù)載損耗測量是不同的,這是由于功率因數(shù)明顯地高,并且試驗(yàn)電流波形出現(xiàn)嚴(yán)重畸變。

由于配電變壓器在短路時功率因數(shù)比較低,其中相位角誤差對負(fù)載損耗準(zhǔn)確測量影響特別重要,負(fù)載損耗測量的中心問題是怎樣減小或校正整個測量系統(tǒng)中或系統(tǒng)內(nèi)各個器件的相位角。在實(shí)際中,由于校正檢驗(yàn)不能滿意地覆蓋電路中的各種變化參數(shù)(測量范圍、范圍內(nèi)的數(shù)值、儀器的負(fù)荷),電壓互感器和電流互感器產(chǎn)生的相角誤差是很難準(zhǔn)確確定。推薦使用更先進(jìn)的測量系統(tǒng),對于大型電力變壓器功率因數(shù)非常小,建議采用有雙級式或零磁通電流互感器。

對于測量結(jié)果不確定度分析應(yīng)用而言,應(yīng)注意不應(yīng)僅從損耗校正公式去考慮,這樣容易忽略角差的影響。而直接用原始公式分析時,對于配電變壓器而言,校準(zhǔn)到參考溫度下的結(jié)果時,溫度和電阻測量的影響也不能忽略,特別是對于干式變壓器來說,繞組溫度測量更不易,較大偏差帶來的影響更大。