國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司溫州供電公司 黃繼來(lái) 劉茂集 周鹿鳴 王 昶 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司雙創(chuàng)中心 魏文力

電力變壓器是電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，其應(yīng)用目的在于保證供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)電力需求和變壓器的質(zhì)量要求越來(lái)越高。然而，在電力變壓器裝機(jī)數(shù)量增加的同時(shí)，也增加了自身的能量消耗，從而導(dǎo)致應(yīng)用過(guò)程中存在大量的損耗，這要求采取相應(yīng)的措施對(duì)損耗進(jìn)行測(cè)量，從而降低損耗量[1]。

1 電力變壓器的損耗情況

電力變壓器的損耗包括空載損耗和負(fù)載損耗。空載損耗主要包括以下幾個(gè)方面。

第一，磁滯損耗。設(shè)備中鐵磁材料能夠利用磁化操作，影響到磁滯情況產(chǎn)生損耗，磁滯損耗大小和回線面積成正比。

第二，渦流損耗。設(shè)備鐵心為金屬導(dǎo)體，在電磁感應(yīng)下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，在鐵心中環(huán)流作用為渦流。因此，鐵心渦流和鐵心電阻的反應(yīng)為渦流損耗。

第三，附加鐵損。附加鐵損并不是由變壓器自身的材料所決定，而是因變壓器的工藝和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致影響。一般是因?yàn)榇磐úㄐ胃叽沃C波分量不同，導(dǎo)致出現(xiàn)附加渦流損耗。

在電力變壓器運(yùn)行的過(guò)程中，繞組中也會(huì)出現(xiàn)電流，產(chǎn)生負(fù)載損耗。負(fù)載損耗也稱(chēng)之為銅損，在基本繞組中會(huì)出現(xiàn)直流損耗，還會(huì)出現(xiàn)附加損耗。

第一，基本銅損。在電力變壓器容量比較小的時(shí)候，負(fù)載損耗也稱(chēng)之為基本銅損，主要是因?yàn)槁┐艌?chǎng)導(dǎo)致的附加損耗占比較小。

第二，附加損耗。附加損耗指的是繞阻渦流損耗，如果變壓器運(yùn)行容量大，就會(huì)導(dǎo)致繞組安匝存在漏磁場(chǎng)，和繞組導(dǎo)線電阻出現(xiàn)渦流損耗、雜散損耗[2]。

空載電流與損耗測(cè)量的原理如圖1所示。

圖1 空載電流與損耗測(cè)量的原理

2 不確定度的來(lái)源和分析

根據(jù)測(cè)量不確定度來(lái)源界定，通過(guò)大型電力變壓器損耗的測(cè)量方式表示是因?yàn)樾?zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)互感器、功率分析儀、繞組直流電阻測(cè)量等導(dǎo)致，利用B 類(lèi)不確定度的評(píng)定方法對(duì)不確定度進(jìn)行分析。電流表示為I，電壓表示為U，屬于實(shí)驗(yàn)中的變壓器功率因數(shù)：

公式中的P指的是損耗測(cè)量值，KU和KI是指電壓和電流互感器出現(xiàn)的改變，UP和IP是指功率分析儀得出的二次電壓與電流。

損耗測(cè)量不確定度除和電流、電壓互感器的測(cè)量變化誤差之外，還和功率因數(shù)大小相關(guān)，尤其是功率因數(shù)比較小的時(shí)候[3]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，同個(gè)測(cè)量系統(tǒng)在不同功率因數(shù)時(shí)的損耗測(cè)量，測(cè)量不確定度也會(huì)出現(xiàn)改變，表1為標(biāo)準(zhǔn)不確定度表。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度表

3 變壓器損耗測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

3.1 空載損耗帶電測(cè)量

在測(cè)量變壓器空載損耗時(shí)，三相變壓器斷開(kāi)，高壓側(cè)進(jìn)行供電，要對(duì)變壓器高壓側(cè)的電流和電壓進(jìn)行測(cè)量，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算變壓器空載損耗。變壓器空載損耗的帶電測(cè)量指的是射頻通信、數(shù)據(jù)收集、電壓同步觸發(fā)器和空載電流采集器，圖2為空載損耗帶電測(cè)量的構(gòu)成如圖2所示。

通過(guò)空載電流采集器對(duì)空載電流進(jìn)行收集，對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)采集卡中發(fā)送電壓觸發(fā)器的信號(hào)，射頻通信通過(guò)電流采集器、計(jì)算機(jī)與電壓同步觸發(fā)器進(jìn)行通信，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行收集。計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)界面接口的設(shè)置，使測(cè)試人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作[4]。

由于變壓器的空載電流比較小，精度也會(huì)對(duì)其造成限制，無(wú)法有效使用變壓器電流互感器空載電流?？梢岳每蛰d電流采集器測(cè)量變壓器空載電流，實(shí)現(xiàn)電流采集器的安裝。因電壓比較高，需對(duì)人身安全和設(shè)備絕緣進(jìn)行考慮，使用無(wú)線射頻通信方式，從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

為了對(duì)空載損耗進(jìn)行計(jì)算，要求對(duì)電流電壓收集的同步性進(jìn)行保證。因?yàn)闇y(cè)量空載電流位置處于變壓器高壓側(cè)，觸發(fā)信號(hào)的接入比較困難，并且空載電流測(cè)量的位置和高壓側(cè)電壓距離比較遠(yuǎn)，GPS 時(shí)間脈沖信號(hào)指的是觸發(fā)源，可以同步收集電壓與觸發(fā)電流[5]。

3.2 負(fù)載損耗帶電測(cè)量

在測(cè)量變壓器負(fù)載損耗的過(guò)程中，要對(duì)電流、電壓互感器進(jìn)行收集。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)繞組三相的電壓、電流進(jìn)行收集，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出電壓電流的相位和幅值信息，對(duì)負(fù)載損耗進(jìn)行計(jì)算。

為了使測(cè)試接線、安裝更加方便，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)電壓、電流互感器收集電參量。電壓和電流互感器的輸出為0-100V、0-5A，變壓器電能計(jì)量互感器的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)，能夠使負(fù)載損耗計(jì)算得到滿(mǎn)足。為了滿(mǎn)足不同繞組連接組別變壓器，測(cè)量變壓器線電壓和電流，計(jì)算每一項(xiàng)的損耗。使電流和電壓與信號(hào)調(diào)理箱連接，電壓通過(guò)調(diào)理箱的分壓網(wǎng)絡(luò)收集。對(duì)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行設(shè)置，收集采集卡信號(hào)后轉(zhuǎn)換。收集的電流和電壓能夠利用數(shù)據(jù)采樣在計(jì)算機(jī)中傳輸信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理之后得出變壓器負(fù)載損耗[6]。

3.3 加窗差值算法

在實(shí)際信號(hào)收集的過(guò)程中，因?yàn)樽冸娬局芯哂写罅侩姎庠O(shè)備，并且可能會(huì)有自然干擾，電磁環(huán)境比較復(fù)雜，信號(hào)會(huì)受到高頻干擾，導(dǎo)致誤差增加。在快速傅立葉變換FFF 信號(hào)處理的過(guò)程中，只能夠測(cè)量有限長(zhǎng)信號(hào)，頻譜出現(xiàn)畸變，從而產(chǎn)生頻譜泄漏。因?yàn)殡娋W(wǎng)頻率運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，在非同步情況下實(shí)現(xiàn)采樣，導(dǎo)致柵欄效應(yīng)，無(wú)法使精準(zhǔn)測(cè)量需求得到滿(mǎn)足。使用信號(hào)加窗方法能夠使頻譜泄漏導(dǎo)致的誤差得到降低，使用插值算法能夠降低誤差。

布萊克曼-哈里斯窗為余弦窗，旁瓣每倍頻程衰減的速度比較快，能夠降低各個(gè)頻率的成分干擾，使頻譜泄漏得到降低，幅值識(shí)別精度得到提高。所以，利用布萊克曼-哈里斯窗實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)加窗，利用插值算法處理信號(hào)[7]。

4 電力變壓器損耗測(cè)量設(shè)備的選擇

4.1 測(cè)量中的功率因數(shù)范圍

基于GB/T6451能夠得到變壓器空載運(yùn)行過(guò)程中功率因數(shù)，在技術(shù)水平提升背景下能夠提高試驗(yàn)功率因數(shù)。實(shí)現(xiàn)不同容量變壓器的負(fù)載試驗(yàn)，從而得到功率因數(shù)。如果實(shí)際變壓器負(fù)載損耗比規(guī)定值要小，那么就降低了功率因數(shù)。在變壓器容量和負(fù)載試驗(yàn)功率因數(shù)為反比時(shí)，負(fù)載功率因數(shù)在0.008～0.015[8]。

4.2 精密互感器結(jié)合瓦特表

為了降低測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試中的不確定度，要提高測(cè)量設(shè)備的精度。一般精密電流、電壓互感器的最高級(jí)別為0.01，但我們還是使用瓦特表測(cè)量功率。瓦特表通過(guò)肉眼讀數(shù)，準(zhǔn)確度等級(jí)只有0.5級(jí)。所以要使0.01級(jí)電壓、電流互感器和低功率因數(shù)表構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)，使損耗測(cè)量精準(zhǔn)度得到加強(qiáng)。另外，為了使大型電力變壓器損耗測(cè)量不確定度得到降低，使測(cè)量精確性得到提高，不使用功率表，可以使用小功率分析儀[9]，表2為不確定度分析。

表2 不確定度分析

4.3 精密互感器結(jié)合功率分析儀

假如使用0.01級(jí)電流、電壓互感器和功率分析儀，就能夠?qū)ψ儔浩鲹p耗測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行分析。通過(guò)電壓電流互感器，能夠降低變比最大誤差。利用功率分析儀，電壓和電流的預(yù)測(cè)最大誤差為±0.03%。然后通過(guò)此系統(tǒng)能夠計(jì)算擴(kuò)展不確定度和標(biāo)準(zhǔn)不確定度，利用結(jié)果表示，通過(guò)0.01級(jí)電壓、電流互感器和功率分析儀的配合，能夠控制大型電力變壓器的損耗測(cè)量不確定度在2%范圍，使測(cè)量精確性得到提高[10]，表3為不確定度分析。

表3 不確定度分析

本文分析了大型電力變壓器損耗測(cè)量的方法，對(duì)導(dǎo)致出現(xiàn)不確定度的因素進(jìn)行了刪除。損耗功率因數(shù)和不確定度為反比的關(guān)系，為了能夠精準(zhǔn)測(cè)量大型電力變壓器損耗，可以使用0.01級(jí)電壓與電流互感器、高精度功率分析儀。針對(duì)損耗正校正過(guò)程中的不確定度研究表明，在合理選擇測(cè)量設(shè)備時(shí)，損耗測(cè)量結(jié)果校正的引入不確定度比較小，可以忽略不計(jì)。