干式非晶合金变压器短路阻抗及负载损耗测量检测技术

一、检测原理

短路阻抗与负载损耗测量是变压器型式试验和例行试验的关键项目，其技术原理基于变压器的等效电路模型。

1. 短路阻抗原理：短路阻抗（Uk%）是变压器在额定频率和参考温度下，当一侧绕组短路，另一侧绕组流过额定电流时，所施加的电压与额定电压之比的百分数。其物理本质是变压器在额定电流下，绕组漏磁通所产生的漏电抗（主要为电感分量）与绕组电阻（电阻分量）的矢量和。测量时，通过模拟短路工况，施加一个较低的电压（通常为额定电压的5%-15%），使电流达到额定值，此时测得的电压即为短路电压Uk。短路阻抗的计算公式为：Uk% = (Uk / Un) × ，其中Un为额定电压。该参数直接决定了变压器的短路电流承受能力和系统电压稳定性。

2. 负载损耗原理：负载损耗（Pk）是指变压器在一侧绕组短路，另一侧绕组通过额定电流时，变压器自身消耗的有功功率。它在数值上等于绕组的直流电阻损耗（I²R）与附加损耗（主要为涡流损耗和杂散损耗）之和。在工频下，附加损耗与漏磁通的分布和强度密切相关。对于非晶合金变压器，其铁芯采用非晶合金带材，磁化特性优异，空载损耗极低，但其绕组结构与硅钢片变压器类似，因此负载损耗的构成原理相同。测量时，在短路条件下，通过功率表直接读取额定电流下的有功功率输入，此值即为负载损耗。该损耗是变压器运行能效的重要指标，直接转化为运行成本。

二、检测项目

检测项目系统分为核心测量项目及其派生计算项目。

1. 核心测量项目：

   • 短路阻抗测量：在额定频率和指定分接下，测量施加电压与绕组电流，计算阻抗百分比。

   • 负载损耗测量：在额定频率和指定分接下，测量额定电流条件下的有功功率输入。

   • 绕组直流电阻测量：作为前置和辅助项目，用于分离损耗成分和计算绕组温升。需在测量负载损耗前后分别进行，以获得冷热态电阻值。

2. 派生计算与分析项目：

   • 损耗分量分离：根据测量得到的负载损耗Pk和绕组的I²R损耗（通过直流电阻计算），计算出附加损耗Pd：Pd = Pk - I²R。分析附加损耗的比例是否合理。

   • 阻抗电压分量计算：计算短路阻抗中的电阻电压分量（Ukr%）和电抗电压分量（Ukx%）。

   • 温度折算：将测量得到的负载损耗和直流电阻值，根据标准公式折算到参考温度（如75℃或115℃，取决于绝缘耐热等级）。

三、检测范围

干式非晶合金变压器因其高能效特性，广泛应用于对节能、安全有高要求的领域，检测需覆盖以下行业的具体要求：

• 配电网领域：作为10kV/0.4kV配电变压器，检测需符合电网公司入网标准，关注负载损耗值与能效等级，确保满足节能政策（如中国能效一级标准）。

• 轨道交通：用于牵引供电、车站及车辆段，检测环境可能包含振动、湿热因素，要求测量结果稳定，阻抗值满足系统短路容量要求。

• 数据中心：要求变压器具有高可靠性、低损耗。检测需极其精确，负载损耗的微小偏差都可能导致巨大的运行成本差异。

• 新能源发电：光伏逆变升压站、风电箱变，工作环境恶劣，检测需验证其在宽温度范围及非正弦负载电流下的性能参数稳定性。

• 建筑楼宇：要求低噪音、高防火安全性。检测需在常规项目外，关注短路阻抗对系统保护协调的影响。

• 工业制造：针对变频、整流等非线性负载，检测时需考虑谐波对负载损耗（特别是附加损耗）的潜在影响。

四、检测标准

国内外标准对测量方法的规定基本一致，但在限值、参考温度等方面存在差异。

• 国内核心标准：

  • GB/T 1094.1 电力变压器 第1部分：总则

  • GB/T 1094.5 电力变压器 第5部分：承受短路的能力

  • GB/T 1094.10 电力变压器 第10部分：声级测定

  • GB 20052 电力变压器能效限定值及能效等级 - 此标准对负载损耗的限值有强制性要求，是针对非晶合金变压器检测的重要依据。

  • JB/T 10318 干式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求

• 主要标准：

  • IEC 60076-1 Power transformers - Part 1: General

  • IEC 60076-5 Power transformers - Part 5: Ability to withstand short circuit

  • IEC 60076-10 Power transformers - Part 10: Determination of sound levels

  • IEEE Std C57.12.01 Standard for General Requirements for Dry-Type Distribution and Power Transformers

• 对比分析：

  • 技术原理与方法：IEC与GB/T、IEEE在测量原理、接线方式、仪器精度要求上高度统一。

  • 损耗限值：中国GB 20052标准的能效一级要求通常严于上普遍采用的标准，推动了非晶合金等低损耗技术的应用。

  • 参考温度：对于不同绝缘等级的干式变压器，国内外标准对负载损耗折算的参考温度规定可能略有不同，检测时需明确依据的标准。

  • 阻抗公差：各标准对短路阻抗的允许偏差规定基本一致（通常为±10%），但针对特定用途（如多台并联）可能有更严格要求。

五、检测方法

主要检测方法为三相电源法，在无法实现时可采用单相电源法。

1. 三相电源法：

   • 操作要点：采用对称的三相试验电源，将变压器一侧绕组（通常是低压绕组）用足够截面积的铜排或导线可靠短接，短接线应尽量靠近套管引出端，以减少测量误差。在另一侧（高压绕组）施加额定频率的电压，通过调压器缓慢升压，直至绕组电流达到额定值。

   • 数据采集：同时记录三相电压、三相电流和输入的三相有功功率。宜采用三功率表法，以获取更准确的结果。

   • 适用性：这是符合变压器实际运行工况的试验方法，为首选方法。

2. 单相电源法：

   • 操作要点：使用单相电源，依次对变压器的三个相进行测量。以AB相为例，将低压绕组ab相短路，在高压绕组AB相施加电压，使电流达到额定相电流。

   • 数据计算：分别测量并记录每相的短路阻抗和负载损耗。对于三相变压器的总负载损耗，通常取三个单相测量值的算术平均值。对于短路阻抗，需根据绕组联结组别进行相应计算。

   • 适用性：适用于现场缺乏大容量三相电源，或实验室电源容量不足的情况。其结果与三相法存在理论上的等效性，但可能无法完全反映三相磁路的相互影响。

关键操作要点：

• 测量前，变压器应处于环境温度状态（冷态）。

• 短路连接必须牢固，接触电阻要极小。

• 测量仪表（电压表、电流表、功率表）的精度等级通常要求不低于0.5级，互感器精度不低于0.2级。

• 电源频率必须稳定在额定值，否则需对阻抗进行频率修正。

• 应注意排除外界电磁场的干扰，功率表的电压取样点应位于电流取样点的变压器侧，以包含变压器自身的损耗。

六、检测仪器

检测系统主要由以下设备构成：

1. 试验电源系统：

   • 调压器：通常采用感应调压器或电动调压器，要求输出电压平滑可调，容量能满足变压器额定电流下的短路功率需求，波形畸变率小。

   • 发电机组：在大型变压器试验站，采用同步发电机组作为电源，能提供稳定、纯净的正弦波，是高标准的电源形式。

2. 电量测量系统：

   • 高精度功率分析仪/三相功率表：核心测量设备，需具备多通道同步采样能力，能同时测量多路电压、电流、功率、功率因数、频率等参数，基本精度优于0.1%。

   • 电压/电流互感器：用于扩展仪表的量程，要求比差和角差精度高，尤其在低功率因数下，角差对功率测量影响显著。

   • 直流电阻测试仪：采用四线法测量原理的微欧计，能输出稳定电流并精确测量绕组两端电压，以消除引线电阻影响，精度高，分辨率可达1μΩ。

3. 辅助设备：

   • 标准短接排：低电阻、高载流能力的铜制连接排。

   • 数据采集与控制系统：用于自动控制升压过程、同步采集数据、计算和生成报告。

七、结果分析

1. 数据分析方法：

   • 一致性检查：将测得的负载损耗和短路阻抗值与产品技术协议、标准GB 20052或IEEE Std C57.12.01规定的限值进行对比，判断是否合格。

   • 三相平衡性分析：在三相测量中，比较三相的负载损耗和短路阻抗值。对于对称设计的变压器，各相数据应非常接近。显著的不平衡可能预示着绕组变形、匝间短路或连接不良等缺陷。

   • 损耗构成分析：通过直流电阻计算出的I²R损耗，与总负载损耗比较，评估附加损耗的比例。对于非晶合金变压器，附加损耗通常在合理范围内。若附加损耗异常偏高，可能源于漏磁通控制不当、结构件设计不合理或存在局部过热点。

   • 趋势分析与历史对比：将本次测量结果与出厂值、历次试验数据进行趋势对比。若负载损耗或直流电阻有明显增大，是绕组老化、接触劣化的重要征兆。

2. 评判标准：

   • 负载损耗：实测值（折算到参考温度后）不应超过技术协议或能效标准中规定限值的+15%。同时，各相损耗值与平均值的偏差通常不应超过±5%。

   • 短路阻抗：实测值与额定标准值的偏差应在±10% 以内（除非另有规定，如多台并联运行要求更严格的偏差）。对于三相变压器，各相阻抗值与平均值的偏差不应超过±5%。

   • 直流电阻：各相绕组直流电阻值，在校正到相同温度后，相互间的差别不应超过±2%（对于三角形连接，应进行线电阻到相电阻的换算）。

任何超出上述评判标准的测量结果，均需进行深入调查，分析原因，判断变压器是否存在潜在故障或质量隐患，并为设备的验收、投运和维护提供决定性依据。