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）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。
      《規程》中規定，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值與出廠試驗值相比應無明顯變化。
       空載試驗主要目的是發現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。空載損耗還包括少部分銅損耗（空載電流通過繞組時產生的電阻損耗）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、鐵芯的構造、硅鋼片的質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；
         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——加壓測量側的額定電流。
導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，儀表經互感器接入；
(c)三功率表法，儀表經互感器接入

    對應圖所示，空載損耗P0與空載電流百分數I0(%)計算公式為
        P0＝P1﹢P2
        I0(%)＝(I0a﹢I0b﹢I0c)／3IN×100%
    對應圖所示，P0、I0、I0(%)計算式為
        P0＝(P1﹢P2) kTVkTA
        I0(%)＝(I0a﹢I0b﹢I0c)／3IN×kTA×100%
    對應圖所示，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——變壓器測量側的額定電流
3. 三相變壓器的單相空載試驗
        當現場沒有三相電源或變壓器三相空載試驗數據異常時，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，對發現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) 單相空載損耗數據應符合以下兩個要求：
    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是由該產品鐵芯的幾何尺寸決定的系數。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，相應的空載損耗也很小，因此應注意選擇合適 量程的儀表，以保證測量的準確度，并應考慮儀表、線路等附加損耗的影響。在低電壓下得到的空載試驗數據主要用于與歷次空載損耗數值比較，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，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次試驗所得數值在對數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. 直接用系統電源進行的空載試驗
        由于設備及運輸等方面的原因，電力系統運行部門在現場一般不用較大容量的調壓器和變壓器來進行空載試驗，而直接采用系統電源進行空載試驗。
        用系統電源進行空載試驗時，由于沒有調壓的過程，而是系統電壓直接加到變壓器上，相當于投空載變壓器，對系統有一定的影響。因此用這種方法試驗時，應調整 好各種繼電保護、變壓器及其他電力設備的運行方式，對變壓器、線路、測量儀器設備進行仔細的檢查，確認無誤后方可進行。
        試驗前將測試儀表設備接好，將測試電流互感器用一組高壓隔離開關短路，然后再系統電壓下合電源開關，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在進行測試。現場沒有高壓隔離開關時應將測量電流互感器二次側用低壓開關短路，涌流過后拉開二次側低壓開關，防 止涌流對測量儀表的沖擊和損壞。
         用系統電壓作空載試驗時為避免涌流ihe磁滯等的影響，合閘后應待涌流通過后合儀表讀數非常穩定后方可讀取測試數據，不應合閘后馬上讀取。
        系統電壓一般很少恰好與試品電壓相等，但要根據系統的實測電壓與試品額定電壓的差異，來分析測量數據與出廠數據的差別，判斷產品是否有故障。
        由于系統電源的容量足夠，系統電壓與額定電壓接近，可利用系統現有設備，不需要大容量的試驗設備，試驗電壓波形無畸變，因而這種試驗方法現場經常采用。

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低于0.5級。
        (2) 空載試驗使用的功率應選用cosψ=0.1,、準確度不低于0.5級的低功率因數功率表，這是因為在交流電路中，功率P=UIcosψ.變壓試驗 時，cosψ很低，用普通的功率因數表，會造成電壓、電流雖都達到功率表的標準值，而讀數卻很小，造成測量不準確。例如cosψ=1、倍數為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，表讀數卻只 有100×5×0.02=10格，即讀數很小。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），即誤差的百分數為(0.1/10)×100%=1%。當改用倍數為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，讀數可提高到100格，每差0.1格時的誤差百分數僅為0.1/100×100 %=1%，所以現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的代數和。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，二次端子與表計極性相對應，不可隨意。還需注意，互感器的二次端子中有一個應安全接地，對三相互感器或三只單相互感器，應是同名端、同一接地點接地。
        (5) 對大型變壓器進行現場空載試驗時，應有事先經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數值，選用合適變比和量程的互感 器和儀表。直接用系統電壓進行空載試驗時，對有關繼電保護，運行方式應予以計算調整，防止發生事故。試驗時，試驗現場應設圍欄，做好各項安全措施，專 人負責，保證試驗時人身和設備安全。
       (6) 精度要求較高的空載試驗或對小容量變壓器進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。
    為保證獲得不畸變的正弦電波，實際選擇容量時應盡量大于上式估算結果。