配电变压器监督抽查结果与损耗准确测量研究

马桂芬, 袁小娴, 蒋 海, 董 时

(1.广东产品质量监督检验研究院, 广东 广州 510670;2.国家智能电网设备输配电设备质量监督检验中心, 广东 东莞 523325)

0 引 言

电力变压器是电力系统的关键设备,其中配电变压器是指运行在配电网中电压等级为10 kV、20 kV、35 kV系统经过电压变换后直接向终端用户供电的变压器,其安全可靠、节能、环保性能受到供电部门和用户的广泛关注。

随着变压器产品型号更替速度加快,品种增多,产品综合性能指标明显提高。在国家产业政策和“节能降耗”的推动下,对变压器综合性能指标的要求越来越高,近年来,国家持续对电力变压器进行监督抽查,但其质量仍亟待提升。在原国家质检总局修订发布的《全国重点工业产品质量监督目录(2015年版)》中,电力变压器被列为Ⅱ级风险产品,即属国内市场流通量大,产品质量安全问题案例中等,监督抽查合格率较低的产品。

本文中通过近三年来全国配电变压器国家质量监督抽查发现的损耗超标问题,研究探讨了配电变压器损耗测量的关键技术,分析了测量结果的不确定度和符合性,并提出相应的控制措施和建议。

1 抽查结果及质量主要问题

1.1 配电变压器抽查质量结果

2017～2019年我国配电变压器产品抽查结果如表1所示。

表1 2017～2019年我国配电变压器产品抽查结果

1.2 抽查试验项目及其分项合格率

2017～2019年抽检项目合格率对比如图1所示。

由图1可知,短路阻抗和负载损耗测量项目近两年的合格率最低,2018年项目合格率只有85.0%;空载电流和空载损耗测量也是连续3年出现了不合格。结果反映出上面两项目是当前配电变压器主要存在质量问题的方面[1]。

1.3 损耗测量抽查结果及不合格原因

短路阻抗和负载损耗测量项目与空载电流和空载损耗测量项目都是一个检测项目包含2个参数,其不合格主要都是损耗参数测量结果超标。其中2018年抽检的107台样品中有16台产品负载损耗超过标准或规定值的要求,有7台产品空载损耗均超过强制性国家标准GB 20052—2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》[2]中3级能效限定值的要求。

抽查结果发现的这两项损耗超标缺陷,原因归纳起来有2个方面:一是企业对标准理解不透彻,对国家强制性标准GB 20052—2013要求认识不足。二是由于新产品设计不当或生产制造过程中工艺、质量控制不当所致[3]。

2 配电变压器损耗测量

鉴于负载损耗测量与空载损耗测量均属于例行试验需测量的参数,按理出厂检验时就应能发现此缺陷,因此排除标准理解和认识因素,试验能力和检验技术水平是关键,而负载损耗和空载损耗作为配电变压器的重要性能指标,一直是技术经济合同关注的重点,在运行过程中,损耗指标反映了变压器在运行期间的效率。

由于变压器自身特性及厂家设计制造水平和试验能力差异,所以抽检时对变压器空载损耗参数测量结果经常出现较大争议。

以下根据配电变压器的空载损耗特性,对损耗测量关键技术进行探讨。

2.1 误差基本源

2.1.1 空载损耗测量

空载损耗是变压器不带负载时产生的损耗,即铁心损耗,主要与铁心的磁滞损耗和涡流损耗有关[4]。GB 1094.1—2013《电力变压器 第1部分:总则》[5]中第11.5条规定了空载损耗测量方法,原则上是以变压器端子上的非畸变正弦波电压为基准。根据平均值电压表U′和方均根值电压表U读数比较,按照d=(U′-U)/U′不超过3%准则判断电源波形是否符合要求。应使绕组各相上所施加的电压尽可能接近于正弦波,空载损耗随施加电压的升高而迅速上升。因此,电源质量和电压测量、调整是空载损耗准确测定的关键,从而有助于减少损耗测量不确定性。

2.1.2 负载损耗测量

负载损耗是变压器在额定电流下通过绕组电阻产生热效应而导致的损耗和漏磁场产生的各种附加损耗。GB 1094.1—2013中第11.4条规定负载损耗测量方法“一对绕组的短路阻抗和负载损耗测量,应在额定频率下,将近似正弦波的电压施加在一个绕组上,另一个绕组短路,其他绕组开路”。

导致配电变压器负载损耗测量中的系统误差来源主要包括以下方面:

(1) 试验电流的测量。负载损耗看作是变压器等效电路中串联阻抗的电阻分量损耗,认为串联阻抗是线性的,意味着负载损耗应随电流的平方而变化,这是误差的主要来源。

(2) 考虑负载损耗随温度的变化。GB 1094.1—2013附录G叙述了当将负载损耗换算到绕组参考温度时应怎样处理I2R损耗和附加损耗。因此,绕组电阻测量误差和损耗测量时确定绕组温度的误差,就是参考温度下损耗计算误差的两个组成部分。

(3) 变压器的串联阻抗主要是感性的。随着额定容量增大,阻抗的功率因数趋于下降。

试验的电压、电流和有功功率的测量是采用包含与测量电压、电流及测量仪器相匹配的传感器在内的测量系统来进行,常规测量系统包括电磁式电压互感器和电流互感器。不同类型的测量系统产生不同测量误差特性,但遵守原则是普遍适用的。按定义,损耗测量为P=UIcosφ。

复合相对误差可由先对等式两边取自然对数,然后取其导数来得出:

(1)

电压U相量和电流I相量之间的相位夹角φ接近π/2(90°,感性)。功率因数cosφ为一个很小数值。由于

(2)

因此,

(3)

式(2)是一个远大于1的数值,表明在相角(弧度)测定中一定的相对误差会导致损耗测定中有相当大的相对误差。相角(弧度)测定中的相对误差与损耗测定相对误差关系如图2所示。相对误差与功率因数的函数关系如图3所示。由图3可见,功率因数越小对损耗测量影响越大。

2.2 测量结果的不确定分析

基于以上因素,使用常规损耗测量系统,依据JB/T 501—2006《电力变压器试验导则》[6]要求最低配置设备,即电流互感器、电压互感器的精度不低于0.2 级,所用仪表的精确度不低于0.5 级,功率测量采用低功率因数的功率表(小于0.2)。按此选择0.2 级的电流和电压互感器和0.5 级的低功率因数(cos 0.1)功率表,其中变比最大允许误差为2%,角差最大允许误差限10′。

2.2.1 直接测量的损耗结果分析

首先,设U、I分别为电压和电流,φ为试验时变压器的功率因数角,则有

P=UIcosφ=KPTUPKCTIPcosφ

(4)

式中:P——损耗测量值;

KPT、KCT——电压互感器和电流互感器的变比;

IP、UP——仪表测得的二次电流和电压。

根据式(4),其不确定度合成有:

(5)

式中:u(P)/P——损耗P的相对标准不确定度;

u(KPT)/KPT——电压互感器变比的相对标准不确定度;

u(KCT)/KCT——电流互感器变比的相对标准不确定度;

u(UP)/UP——功率分析仪电压测量的相对标准不确定度;

u(IP)/IP——功率分析仪电流测量的相对标准不确定度;

u(φ)/φ——功率因数角测量的不确定度。

由于常规测量系统包括电磁式电压互感器和电流互感器以及功率表,测量互感器分别具有相角误差δu和δi弧度。功率表线圈的电感会使电压互感器施加的电压与该表电压线圈中的电流之间产生一个相角滞后,功率表的相角位移用δω表示。

如果在试品上的电压和电流之间的原始相位角为φ,功率表中实际相位角则为

φ′=φ+δu-δi-δω=φ+δφ

(6)

如果总相位角误差δφ为正,则估算的功率因数cosφ比正确值cosφ要低。测出损耗值的校正量具有正号:

(7)

(8)

损耗测量结果(未考虑温度校正)的不确定分析如表2所示。

表2 损耗测量结果(未考虑温度校正)的不确定分析

2.2.2 结果校正的不确定影响分析

由于

(9)

式中:Kt——电阻温度系数,对于铜绕组油浸式变压器为310/(235+t);

Pkt——在温度t下损耗测量值;

Pk75——校正到参考温度时损耗值(对于干式变压器参考温度不同)。

根据式(9),有

(10)

表3 考虑校正后的损耗不确定分析

对于空载损耗测量,结果评估与负载损耗类似,而且更简单。

3 试验结果、规定值、偏差、不确定性限值

众所周知,当试验结果用某数值来表示时,测量值不是一个准确的数字,具有不确定性的特点。这种不确定性界限有多宽是与试验装置的质量水平,特别是测量系统、操作人员的技能和试品测量难度等有关。

GB 1094.1—2013第10章给出了试验验证变压器规定损耗参数的允许偏差。而国家标准GB 20052—2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》中3级能效限定值要求是需要达到的保证值。对上述损耗测量试验各项相应的系统误差分析可见,仅主要考虑测量设备的系统性因素,在常规的测量条件下,最终校准到参考温度下负载损耗测量不确定度就达到了2.9%,实际上由于温度测量及人员技术水平等随机因素不同此值会更大[7-9]。

4 结 语

根据以上分析计算,对测量得出的试验结果应尽可能正确地评估,设计验证时考虑相应的裕度,才能确保满足国家标准强制要求的限值或用户保障值要求,因此提出以下几点建议:

整个试验的接受条件是测量本身必须符合一定的质量要求,给出的限值或不确定性才能是适用的,因此除了使用JB/T 501—2006相关标准中推荐的测量系统及改进系统进行损耗测量,必要时还要考虑误差与随机不确定性各种原因之间的组合和相互影响,除了可追溯性,还有试验电源的质量,如电压谐波分量、电压和频率的稳定性,以及试验环境的电磁干扰影响,包括电磁场、接地、屏蔽等。

空载损耗测量需要特别注意,电压测量读出的读数U′和U实际都是方均根值,电压的施加要以平均值电压表为准,应使绕组各相上所施加的电压尽可能接近于正弦波。空载损耗测量与负载损耗测量是不同的,这是由于功率因数明显地高,并且试验电流波形出现严重畸变。

由于配电变压器在短路时功率因数比较低,其中相位角误差对负载损耗准确测量影响特别重要,负载损耗测量的中心问题是怎样减小或校正整个测量系统中或系统内各个器件的相位角。在实际中,由于校正检验不能满意地覆盖电路中的各种变化参数(测量范围、范围内的数值、仪器的负荷),电压互感器和电流互感器产生的相角误差是很难准确确定。推荐使用更先进的测量系统,对于大型电力变压器功率因数非常小,建议采用有双级式或零磁通电流互感器。

对于测量结果不确定度分析应用而言,应注意不应仅从损耗校正公式去考虑,这样容易忽略角差的影响。而直接用原始公式分析时,对于配电变压器而言,校准到参考温度下的结果时,温度和电阻测量的影响也不能忽略,特别是对于干式变压器来说,绕组温度测量更不易,较大偏差带来的影响更大。