变压器温升试验研究

李 涛，张 艳

（甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018）

1 概述

变压器的用途非常广泛，主要用于电力系统中的输电、配电等环节，以完成不同等级的电压和电流转换。变压器长期带电运行，要求必须具有非常高的稳定性和可靠性，而温升试验是考核变压器稳定性和可靠性的重要方法。变压器的种类较多，需要选用针对性的试验方法，才能准确测量其温升,本文主要对变压器几种常用试验方法进行分析研究。

2 变压器温升试验概述

2.1 试验目的

变压器的温升试验是变压器一项重要的型式试验，通过温升试验来验证变压器的高低压绕组、铁芯、绝缘油等各部件的温升是否符合相关标准的要求，发现设计缺陷并改进，提升产品质量，从而确保变压器在电力系统中的长期安全稳定运行。

2.2 试验原理

变压器温升试验的主要原理是，通过向被试变压器施加规定的损耗，使被试变压器处于额定运行条件下，持续监测各部件的温升，在温升试验结束时，测量高低压绕组电阻，并计算高低压绕组平均温升，判断其温升值是否符合相关标准规定，冷却系统是否发挥正常作用。

2.3 试验要求

试验应在环境温度相对稳定的场所进行，不能因光照、空气流动等因素引起环境温度显著变化，试验室环境温度不能低于5 ℃，也不能高于设计的最高环境温度。

试验时分接位置的选择应参考被试变压器的分接范围和额定容量，如果被试变压器分接范围超过±5%，或容量大于2 500 kVA，则应在最大电流分接位置进行，否则应在额定分接位置进行。

试验时如果不能施加规定的损耗或电流（施加损耗偏差不得超过±20%，施加电流偏差不得超过±10%），则要对试验结果进行修正，以得到额定运行条件下的温升，确保试验结果准确。

3 常用试验方法比较

《电力变压器 第2部分：液浸式变压器的温升》（GB/T 1094.2—2013）、《电力变压器 第11部分：干式变压器》（GB/T 1094.11—2007）及《电力变压器试验导则》（JB/T 501—2021）规定的试验方法有短路等效法、模拟负载法、直接负载法、相互负载法、循环电流法、零序电流法[1-3]，以下对6种试验方法比较说明。

3.1 短路等效法

短路等效法是将被试变压器的低压侧短接，高压侧供电，把被试变压器短路产生的损耗等效为负载损耗进行试验的，试验可分为施加总损耗阶段和施加额定电流阶段两个阶段。第一阶段（施加总损耗阶段）：向被试变压器施加规定的总损耗，持续监测外部冷却介质、顶层绝缘油温度和油平均温度，当顶层油温度达到稳定状态时，即变化率至少连续3小时小于1 K/h，此阶段试验可以结束。第二阶段（施加额定电流阶段）：第一阶段温升试验结束后要立即进行第二阶段温升试验，这阶段温升试验的试验电流为被试变压器额定电流[4]，在此期间每5 min要记录一次顶层油温度、外部冷却介质温度，试验进行1 h后，要迅速断开电源，并拆除短路连接线，测量高低压绕组电阻，通过测得的绕组电阻数据计算被试变压器高低压绕组平均温升。

短路等效法是在高压侧供电，铁损很小不会使铁芯发热，但因为施加了总损耗，试验电流大于额定电流，绝缘油就会被加热，铁芯温度也会相应地上升，解决了铁芯不发热的问题。短路等效法不需要增加附属设备，并且因为变压器短路阻抗以电抗为主，所以试验电源只需要满足基本有功功率及损耗，并略有余量即可，其余大部分无功功率通过补偿电容器组的方式进行无功补偿，所以短路等效法具有所需试验容量最小、试验电压最低等优点，非常适用于油浸式变压器。但是，短路等效法并不适用干式变压器，如果采用短路等效法，热源与外部冷却介质直接接触，铁芯不发热，还会散热，测量结果会极不准确。

3.2 模拟负载法

模拟负载法是将温升试验分为负载温升试验和空载温升试验两部分来进行的。通过空载温升试验得到空载温升，通过负载温升试验得到负载温升，最终温升为两阶段的叠加。

理论上，无论先进行哪种温升试验，都不会影响试验结果，但实际工作中，一般先进行空载温升试验，再进行负载温升试验。空载温升试验时，由于施加了空载损耗，使得被试变压器铁芯发热而绕组不发热，因此铁芯温度上升很快而绕组温度上升较慢；负载温升试验时，由于施加了负载损耗，绕组温度上升很快而铁芯温度上升较慢。通过两个阶段的试验，叠加得到最终的温升值。模拟负载法有效利用了叠加原理，变一次试验为两次试验，保证了铁芯和绕组温升值测量准确，被广泛运用于干式变压器温升试验中。

3.3 直接负载法

直接负载法是在被试变压器的高压侧供电，在低压侧连接适当的负载，负载可以用一般的电器(如电抗器、电阻或灯泡)，也可以把极板放在水中，通过调节极板距离和溶解盐来改变负载电流，还可以用移圈调压器作负载，调节动圈来改变负载电流。

直接负载法的试验条件与正常运行条件一致，测量结果更加准确、可靠，变压器生产厂家或检验检测机构在有条件时应尽量采用此方法。但所需试验容量要大于被试变压器的容量，并且不容易找到合适的负载，所以受限于试验电源容量和试验负载两方面的原因，直接负载法大多用在小容量变压器的温升试验。

3.4 相互负载法

相互负载法需要选择一台同规格的辅助变压器，辅助变压器一侧与被试变压器同名端并联，施加额定电压，另一侧通过负载辅助变压器与被试变压器同名端并联，调节负载辅助变压器的输入电压就可以使被试变压器运行在额定电流下。

相互负载法虽然能使被试变压器运行额定条件下，试验结果准确，但只适用于两台同规格的变压器，否则无法进行试验。

3.5 循环电流法

循环电流法是将被试变压器与辅助变压器按同名端对应并联，靠被试变压器与辅助变压器感应电势差使负载电流接近被试变压器额定电流。

用循环电流法进行温升试验，一般试验电流不能等于额定电流，试验结果还要进行相应的换算，并且所需试验容量较大。

3.6 零序电流法

零序电流法是在被试变压器一侧供给额定电压，在另一侧零序回路中供电，使绕组产生额定电流，两侧绕组的零序电流应分别有零序回路[5]。

零序电流法进行温升试验，负载电流的相序为零，则磁通的相序也是零，这样绕组磁势平衡后的漏磁通常会使附加损耗猛增，造成局部过热。

3.7 结论

通过上述6种试验方法的比较，对比分析各自的优缺点，考虑试验简单、经济实用、结果准确等因素，对于油浸式变压器温升试验采用短路等效法、干式变压器温升试验采用模拟负载法，试验所需容量较小，也不需要额外辅助设备，同时更能准确地测得被试变压器的温升值。

4 温度测量及温升计算

4.1 温度测量

4.1.1 测量要求

试验过程中应按标准规定，持续监测外部冷却介质温度、被试变压器高低压绕组、绝缘油（油浸式变压器）、铁芯（干式变压器）等部件的温度。温度计、热电偶等及其配套测量设备要经过严格的成套整体校准。

4.1.2 测量外部冷却介质温度

变压器生产厂家或检验检测机构进行变压器温升试验时，外部冷却介质一般为空气，测量外部冷却介质温度即测量试验室周围环境温度，一般采用温度计或热电偶测量，具体方法为：在被试变压器周围布置至少3个测量点[6]，将温度计或热电偶放置在油杯中，油杯距地面高度应为被试变压器高度的二分之一处，并保证不受阳光、气流、热辐射等的影响，环境温度值应为多个测量点的平均值。

4.1.3 测量绕组平均温度

绕组平均温度的测量一般采用测量直流电阻的方法，需要测量两次，温升试验前测量冷态电阻，温升试验结束后立即断电并打开短路连接线测量被试变压器的高低压绕组电阻，通过测得的数据按标准要求推算被试变压器电源断开瞬间的热态电阻，并按标准要求用冷态电阻与热态电阻计算绕组平均温升。为确保计算得到的温升准确，首先需要保证推算得到的热态电阻准确，温升试验结束后测得的第一个电阻值是至关重要的，要求尽快测得第一个电阻值，如果额定容量小于100 MVA，则应在2 min之内测得；如果于额定容量在100～500 MVA之间，则应在3 min之内测得；对于额定容量大于500 MVA的变压器，则应在4 min之内测得。测量时间也要尽可能长，中型变压器应至少测量20 min，大型变压器应至少测量30 min。

4.1.4 测量绝缘油温度（油浸式变压器）

对于油浸式变压器，在温升试验过程中应按标准规定，除测量高低压绕组温度外，还应测量被试变压器的顶层油温度、油平均温度等，并按要求做好监测与记录。

4.1.5 测量铁芯温度（干式变压器）

对于干式变压器，在温升试验过程中应按标准规定，除测量高低压绕组温度外，还应测量被试变压器铁芯温度等，并按要求做好监测与记录。

4.2 温升计算

4.2.1 计算热态电阻

热态电阻的计算是基于温升试验结束后测得的高低压绕组电阻值进行的，常用的方法有作图外推法和回归分析法。

（1）作图外推法：建立线性直角坐标系，横坐标原点右侧为时间、左侧为电阻增量，纵坐标为电阻值，将测量得到的电阻值按对应的测量时间标注在坐标系第一象限上，用平滑的曲线连接各个点。根据电阻值逐点增量，在坐标系第二象限做辅助斜线L，利用辅助斜线L求出断电瞬间的热态电阻值，曲线图如图1所示。

图1 作图外推法得到冷却曲线示意图

（2）回归分析法：采用回归分析法计算热态电阻是设定一个数学模型，基于温升试验结束后测得的高低压绕组电阻数据，采用最小二乘法的原理，用计算机程序求出数学模型中的待定系数，从而求出断电瞬间的热态电阻值。GB/T 1094.2—2013附录B介绍了一种采用计算机程序拟合曲线求出断电瞬间绕组平均温度（热电阻）的方法，曲线图如图2所示。

图2 用回归分析法得到冷却曲线示意图

4.2.2 油浸式变压器温升计算

（1）顶层绝缘油温升计算公式如下：

式中：△θo为顶层绝缘油温升；θo为施加总损耗结束时测得的顶层绝缘油温度；θa为施加总损耗结束时测得的外部冷却介质温度。

（2）绝缘油平均温升计算公式如下：

式中：△θom为绝缘油平均温升；θom为施加总损耗结束时计算的绝缘油平均温度；θa为施加总损耗结束时测得的外部冷却介质温度。

（3）高低压绕组平均温度计算公式如下：

式中：θ1为稳定的环境温度下的绕组温度；θ2为电源断开瞬间的绕组平均温度；R1为稳定环境温度下的绕组电阻值；R2为用断开电源后测得的绕组电阻值并外推到断开电源瞬间的绕组电阻值。

4.2.3 干式变压器温升计算

首先分别计算出空载试验温升和负载试验温升（计算公式与油浸式变压器绕组平均温升相同），再计算总温升。

在绕组通过额定电流和铁芯为额定励磁下，每个绕组的总温升用下式来计算：

5 结语

通过分析变压器温升试验的6种试验方法，研究温升试验过程中的温度测量与温升计算，得出如下结论：（1）对于油浸式变压器温升试验采用短路等效法、对于干式变压器温升试验采用模拟负载法，试验易于实现、结果更加准确；（2）回归分析法是利用计算机程序外推断电瞬间的热态电阻值，进而计算变压器绕组平均温升，是一种准确、实用的方法。