配电变压器损耗及容量在线检测实验系统研究

黄欧 邹何 杨再学

(重庆市酉阳县供电有限责任公司，重庆 409800)

损耗和容量是配电变压器的重要性能参数，反映变压器的运行效率和性能，其检测对电力系统的安全运行、节能降耗具有重要意义［1－2］。目前，变压器损耗和容量的检测都是通过短路试验和空载试验来进行，这种离线式检测需已挂网运行的变压器停电才能进行，影响供电的连续性。近年来，随着传感器、集成电路、信息信号处理、通信与计算机等技术的迅速发展，电力在线检测取得了很大的进展。目前对变压器在线检测项目主要包括绝缘油中气体在线监测、变压器绕组局部放电在线监测、变压器绕组变形在线检测、介质损坏因数在线监测等，对变压器损耗和容量在线检测的研究较少。本文针对配电变压器损耗和容量的在线检测方法及其具体实现展开研究。

1 检测方法

1.1 变压器损耗检测方法

按照空载损耗近似为铁耗，短路损耗为额定电流下的铜耗的原则，忽略附加铜损和铁损，三相变压器的铁耗PFe和铜耗PCu分别为:

式中:UA、UB、UC—一次侧相电压;

iA、iB、iC—一次侧相电流;

ia、ib、ic—二次侧相电流;

k—变比;

T—交流电周期。

根据式(1)即可实现空载损耗和短路损耗的在线检测。

1.2 变压器容量检测方法

本文通过在线测量变压器的短路阻抗，根据阻抗电压法计算变压器容量，结合在线测量的空载损耗和短路损耗数据对变压器实际容量进行判定，三相变压器各相的短路阻抗为:

式中:ZkA－a、ZkB－b、ZkC－c—A、B、C 相的短路阻抗;

U′A、U′B、U′C—一次侧相电压的第一次测量值;

U″A、U″B、U"C—一次侧相电压的第二次测量值;

U′a、U′b、U′c—二次侧相电压的第一次测量值;

U″a、U″b、U″c—二次侧相电压的第二次测量值;

I′a、I′b、I′c—二次侧相电流的第一次测量值;

I″a、I″b、I″c—二次侧相电流的第二次测量值;k—变比。

对三相变压器，可通过三相短路阻抗的平均值来计算容量，则三相平均短路阻抗表示为:

式(3)计算得到的短路阻抗需折算到参考温度下，利用阻抗电压法计算变压器的实际容量，即

式中:Sn—变压器的容量;

Un—变压器额定电压;

Uk(%)—阻抗电压;

Zk—参考温度下的短路阻抗。

2 变压器损耗及容量在线检测系统

2.1 系统概述

基于上述分析，构建了如图1所示的变压器损耗和容量在线检测系统，该系统通过12路数据采集通道对互感器副端电压、电流信号进行采集，利用串口将采集到的数据传输到计算机进行分析计算，最终以图形化的界面显示检测结果。

2.2 硬件系统设计

为了实现对变压器原副端电压电流信号的实时采集，设计了以DSP芯片TMS320F2812为核心的数据采集装置，其硬件总体结构如图2所示。

图1 变压器损耗及容量在线检测系统

图2 系统硬件框图

电压电流采集前端处理电路是将变压器二次侧电压电流转换为TMS320F2812芯片内置ADC可以测量的电压信号，其范围是0～3V，这部分电路包含了电压互感器电路、电流互感器、电流－电压变换电路和电平偏移电路。低通滤波电路的作用是滤除信号中的高频噪声与干扰，采用巴特沃斯二阶低通滤波器。数据采集装置的核心部件采用了TI公司推出的DSP控制器TMS320F2812。与传统的单片机相比，该器件具有功能强、资源丰富、功耗低等突出性能，并集成了闪存、高速ADC、高性能的CAN模块等。该电路可实现变压器原副边三相电流和电压的同时采样，采样频率为7.5 kHz，每周期采样150点，连续采集5个周期，即每个通道采样750个点，对三相双绕组变压器需采集原副边电压电流12路信号，共9000个点。

2.3 上位机分析软件

本文基于LabVIEW开发了变压器损耗及容量的在线检测软件平台，构建了在线检测系统的软件主界面，前面板主要包括变压器参数设定、数据接收、变压器损耗和容量计算。具体如图3所示，通过人机界面，可以方便地实现变压器损耗和容量的在线检测。

3 实验及结果

3.1 实验平台

在实验室搭建了由配电变压器、3个自耦调压器和3个电炉组成的实验平台。试验变压器为Yyn0连接三相变压器，铭牌容量5 kVA，额定高压和额定低压分别为380 V，空载损耗为75 W，短路损耗为160 W，阻抗电压为3.6%。试验负载是3个2 kW的电炉，经3个单相调压器与变压器副边连接，通过对3个单相调压器的调节，可以模拟不同负荷下变压器在线运行情况。

图3 变压器损耗和容量在线检测主界面

3.2 离线实验

为了得到较为准确的变压器容量、空载损耗和短路损耗值，作为在线检测结果对比的参考依据，首先进行了空载试验和短路试验，根据变压器铭牌参数，计算得到额定电流为7.57 A。空载试验时，断开变压器副端与三个单相调压器之间的接线盒开关，使变压器副端开路，原端接额定电压380 V，接通电源，此时测得的功率为空载损耗。短路试验时，变压器一次侧接与三相调压器副端，二次侧在开关盒处短路，原端三相调压器调至零位，接通电源，通过调节三相调压器使原端电流达到额定电流。此时测得的功率为短路损耗，电压为短路电压，空载试验和短路试验测量结果如表1所示。

表1 空载试验和短路试验结果(温度20℃)

由表1可知，实测空载损耗P0=100 W，短路损耗Pk=130 W，归算到参考温度(75℃)下，得到标准温度下Pk75=158 W。根据表1计算得到实测短路阻抗Zk=0.93 Ω，短路电阻 Rk=0.76 Ω，归算到参考温度下Zk75=1.07 Ω，则可根据公式(4)计算得到变压器实际容量Sn=4.86 kVA。

3.3 在线测量

通过调节变压器三个单相自耦调压器，模拟变压器在不同负荷下的运行状态，根据多次测量结果绘制出铁耗和铜耗随负载变化的趋势图(图4)，并对铜耗和负载电流做了拟合。从图中可以看出，铁耗基本不随负载的变化而变化，铜耗近似和负载电流的平方成正比关系。在线测量结果与离线测量结果对比如表2所示。

表2 在线测量结果和离线测量结果对比

图4 铁耗和铜耗的变化趋势图

从表2中可以看出，在线测量和离线测量误差较小，证明本文提出的变压器损耗在线检测方法是可行的。变压器容量在线检测结果如表3所示。

表3 容量在线测量结果

由表3可见，测量误差基本在10%以内，满足工程测量要求。为了降低测量误差，在实际测量时可通过多次测量求均值的方法来计算变压器实际容量。总体来看，损耗和容量的在线测量结果与离线测量结果误差较小，初步验证了本文提出的损耗和容量的在线检测方法的可行性。

4 结语

本文从变压器的工作原理出发，在研究变压器损耗及容量的离线检测方法的基础上提出相应的在线检测方法，进而构建了变压器损耗和容量在线检测实验系统，完成了数据采集系统和上位机分析软件的设计、制作以及模拟实验平台的搭建，并在此实验平台上完成了变压器损耗和容量的离线测试和在线测试。实验结果显示在线测试和离线测试的误差较小，初步验证了本文提出的变压器损耗和容量在线检测方法的可行性。

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