何東升，苗本健，姚云濤

(1.國(guó)家智能電網(wǎng)輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東 東莞 523325；2；云南通變電器有限公司，云南 通海 652700)

基于GB和IEC及IEEE標(biāo)準(zhǔn)探討變壓器短路試驗(yàn)及計(jì)算方法

何東升1，苗本健1，姚云濤2

(1.國(guó)家智能電網(wǎng)輸配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東 東莞 523325；2；云南通變電器有限公司，云南 通海 652700)

介紹了電力變壓器短路試驗(yàn)的基本情況，概述了國(guó)內(nèi)外三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中電力變壓器短路試驗(yàn)方法的差異性，通過方法溯源和公式推導(dǎo)，提供了不同頻率和溫度等測(cè)試條件下折算短路電流的計(jì)算方法。此研究對(duì)電力變壓器短路試驗(yàn)方法及準(zhǔn)確計(jì)算具有一定的指導(dǎo)意義，且進(jìn)一步保證了短路試驗(yàn)考核的公正性和準(zhǔn)確性。

標(biāo)準(zhǔn)；變壓器；短路試驗(yàn)；計(jì)算方法；絕緣

1 引言

變壓器短路承受能力試驗(yàn)，俗稱“突發(fā)短路試驗(yàn)”，是專門用于檢驗(yàn)變壓器承受短路事故能力的特殊試驗(yàn)，是對(duì)變壓器制造的綜合技術(shù)能力和工藝水平的考核，利用試驗(yàn)中強(qiáng)短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力檢驗(yàn)變壓器器身和各種導(dǎo)電部件的機(jī)械強(qiáng)度和熱應(yīng)力，其目的是為了考核變壓器的動(dòng)熱穩(wěn)定性。因此，突發(fā)短路試驗(yàn)是保證變壓器抗短路能力的一項(xiàng)十分重要的特殊試驗(yàn)[1]。目前，我國(guó)變壓器短路試驗(yàn)所遵循的GB(國(guó)標(biāo))標(biāo)準(zhǔn)是等效采用IEC(International Electrotechnical Commission，國(guó)際電工委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)，而與IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣和電子工程師協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)之間存在一定差異。由于在短路試驗(yàn)過程中試驗(yàn)頻率不同(分別為50Hz和60Hz)，短路電流必須進(jìn)行折算，折算方法的正確性將直接影響到短路試驗(yàn)考核的真實(shí)性和有效性。

2 電力變壓器短路試驗(yàn)簡(jiǎn)述

目前電力變壓器短路試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)主要遵循標(biāo)準(zhǔn)為GB1094.1-2013《電力變壓器第1部分 總則》和GB1094.5-2008《電力變壓器第5部分 承受短路的能力》，分別等效采用對(duì)應(yīng)于IEC標(biāo)準(zhǔn)為IEC60076-1-2011《Power transformers -Part 1:General》和IEC60076-5-2006《Power transformers-Part 5:Ability to withstand short circuit》，而美國(guó)主要遵循標(biāo)準(zhǔn)為IEEE C57.12.00-2010《 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配電源和調(diào)壓變壓器的標(biāo)準(zhǔn)通用要求)》和IEEE C57.12.90-2010《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers(浸油配電源和調(diào)壓變壓器的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程)》。由于國(guó)標(biāo)等效采用IEC標(biāo)準(zhǔn)，其試驗(yàn)方法和折算方法都完全一致，但對(duì)應(yīng)于美標(biāo)，由于試驗(yàn)頻率、參考溫度和系統(tǒng)阻抗不同，折算方法有所不同。

3 短路試驗(yàn)基本情況

GB1094.5-2008《電力變壓器第5部分 承受短路的能力》(等同于IEC60076-5：2006)是目前國(guó)內(nèi)變壓器產(chǎn)品短路承受能力試驗(yàn)現(xiàn)行所遵循的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，短路試驗(yàn)可采用兩種方式[2]：(1)先短路法：即在變壓器的二次側(cè)預(yù)先短路，然后在一次側(cè)進(jìn)行勵(lì)磁，如圖1所示。這種方法為了盡可能地避免鐵心飽和以及在試驗(yàn)最初的幾個(gè)周期中產(chǎn)生過大的的磁化涌流疊加到短路電流上，而要求電源施加在離鐵心柱最遠(yuǎn)的繞組上。此方法與IEEE Std C57.12.90-2010的12.2.1條“根據(jù)現(xiàn)有的電源電壓，由于二次側(cè)故障最嚴(yán)密反映了系統(tǒng)的故障狀態(tài)，故應(yīng)優(yōu)先采用二次側(cè)施加短路故障?！狈椒ㄒ恢?。

圖1 先短路法試驗(yàn)接線圖

(2)后短路法：即變壓器一次繞組施加勵(lì)磁電壓，二次繞組利用短路裝置進(jìn)行短路的方式，如圖2所示。這種方式更接近實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，與運(yùn)行中變壓器實(shí)際遭受短路故障一樣，沒有涌流的影響。

圖2 后短路法試驗(yàn)接線圖

4 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)短路試驗(yàn)方法比較

三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)的要求存在一定差異，其差異性詳見表1所示。

表1 GB和IEC及IEEE標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法比較[1]～[8]

注1：本表僅針對(duì)應(yīng)用最為廣泛的油浸式電力變壓器進(jìn)行研究討論，GB和IEC標(biāo)準(zhǔn)也適用于干式變壓器；

注2：本表中美標(biāo)主要指IEEE C57.12.90-2010和IEEE C57.12.00-2010。

以上表格內(nèi)容顯示，美標(biāo)對(duì)于短路試驗(yàn)的要求規(guī)定得更為明確詳細(xì)，但三者之間并無本質(zhì)性差異，在試驗(yàn)中可以相互借鑒參考。

5 電力變壓器短路計(jì)算方法比較

5.1 國(guó)標(biāo)短路計(jì)算方法

由于目前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)電源和應(yīng)用系統(tǒng)都為50Hz頻率，所以僅需折算到對(duì)應(yīng)參考溫度下即可，國(guó)標(biāo)GB1094.5-2008標(biāo)準(zhǔn)中第4.1節(jié)對(duì)于短路電流的計(jì)算給出了詳細(xì)的計(jì)算公式，考慮到下章節(jié)將對(duì)美標(biāo)短路電流計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)，所以不再贅述。

5.2 IEC標(biāo)準(zhǔn)短路計(jì)算方法

國(guó)標(biāo)GB1094.5-2008等效采用標(biāo)準(zhǔn)IEC60076-5-2008版本，短路電流計(jì)算方法也完全一致，所以不再贅述。

5.3 IEEE標(biāo)準(zhǔn)短路計(jì)算方法

5.3.1 負(fù)載損耗的計(jì)算

根據(jù)美標(biāo)，負(fù)載損耗必須折算到參考溫度85℃下，結(jié)合國(guó)內(nèi)目前測(cè)試電源都為50Hz，所以，測(cè)試的負(fù)載損耗還必須進(jìn)行頻率折算。根據(jù)產(chǎn)品信息和測(cè)試結(jié)果，可以獲取以下已知信息，如表2所示。

表2 銘牌信息及測(cè)試數(shù)據(jù)

電力變壓器負(fù)載損耗中包含直流電阻損耗和附件損耗，其中直流電阻損耗與溫度成正比，與頻率無關(guān)；而附件損耗與溫度成反比，與頻率為1.34倍關(guān)系(依據(jù)IEEE Std C57.12.90-2010附錄B.2)。

直流電阻總損耗：

(1)

溫度系數(shù)k：

k=(235+85)/(235+t1)

(2)

校準(zhǔn)到參考溫度85℃下額定電流的電阻總損耗：

∑I2R850=k×(I2r/Ik)2×∑I2Rt

(3)

環(huán)境溫度t℃下50Hz測(cè)試時(shí)額定電流的附加損耗PFt：

PFt=Pkt-∑I2Rt

(4)

(5)

(6)

(7)

5.3.2 短路阻抗的計(jì)算

變壓器的短路阻抗中包括有功分量(電阻分量)和無功分量(電抗分量)，其中有功分量和溫度有關(guān)，需要校正到參考溫度，與頻率無關(guān)，無需頻率校正；而無功分量與溫度無關(guān)，無需溫度校正，與頻率成正比，需進(jìn)行頻率校正。

試驗(yàn)溫度下短路阻抗的有功分量zrt：

zrt=Pkt/(10SN)%

(8)

試驗(yàn)溫度下短路阻抗zkt：

zkt=(Ukt/Ur)×(Ir/Ik)

(9)

在參考溫度85℃下的短路阻抗有功分量：

zr850=Pk850/(10SN)%

(10)

50Hz下短路阻抗的無功分量不隨溫度改變，無功分量為：

(11)

(12)

60Hz下在參考溫度85℃下的短路阻抗：

(13)

5.3.3 短路電流的計(jì)算

(14)

60Hz下參考溫度85℃下變壓器的短路阻抗(二次側(cè))：

(15)

60Hz下參考溫度85℃下變壓器的短路阻抗Z″T(一次側(cè))：

Z″T=Z′+n2=Z′×(U1r/U2r)2

(16)

一次側(cè)(高壓側(cè))對(duì)稱電流ISC(HV)：

(17)

二次側(cè)(低壓側(cè))對(duì)稱電流ISC(LV)：

ISC(LV)=ISC(HV)×n2=ISC(HV)×(U1r/U2r)2

(18)

二次側(cè)電阻RLV：

(19)

二次側(cè)電抗XLV：

(20)

峰值系數(shù)K：

K=XLV/RLV

(21)

查表IEEE Std C57.12.00-2010表14并計(jì)算得二次側(cè)非對(duì)稱電流：

一次側(cè)非對(duì)稱電流ISC(HR)pk：

ISC(HV)pk=KISC(HV)

(22)

二次側(cè)非對(duì)稱電流ISC(LV)pk：

ISC(LV)pk=KISC(LV)

(23)

6 結(jié)論

根據(jù)以上的討論分析，由于地域不同，國(guó)情有別，對(duì)于電力變壓器短路試驗(yàn)方法，在GB1094.5-2008和 IEC60076-5-2008以及 IEEE C57.12.90-2010三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，雖然有一定的差異，但三者之間并無本質(zhì)性差異，在試驗(yàn)中可以相互借鑒參考。對(duì)于不同頻率、溫度和系統(tǒng)阻抗等測(cè)試條件下試驗(yàn)，短路電流的計(jì)算必須進(jìn)行折算，已確保短路電流的準(zhǔn)確性和測(cè)試考核的公正性。

[1] GB1094.1-2013電力變壓器第1部分 總則[S].2004.

[2] GB1094.5-2008 電力變壓器第5部分 短路[S].2008.

[3] JB/T501-2006 電力變壓器試驗(yàn)導(dǎo)則[S].2006.

[4] IEC60076-1-1993《Power transformers-Part 1:General》[S].1993,3,1.

[5] IEC60076-2-1993《Power transformers-Part 2:Temperature rise》[S].1993,4.

[6] IEC60076-2-2011《Power transformers-Part 2:Temperature rise》[S].2011,2.

[7] ANSI/IEEE C57.12.00-2006《 Standard General Requirements for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers》[S].IEEE-SA標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn),2006,9.

[8] ANSI/IEEE C57.12.90-1999《Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution,Power,and Regulating Transformers》[S].IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn),1999,6.

[9] 胡啟凡，保定天威保變電氣股份有限公司.變壓器試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

Discussion on Power Transformer Temperature-rise Test and Calculation Methods Based on the GB,IEC and ANSI Standard

HE Dong-sheng1,MIAO Ben-jian1,YAO Yun-tao2

(1.China National Quality Supervision and Testing Center for Mid-low Voltage Transmission and Distribution Equipment,Dongguan 523325,China;2.Yunnan Tongbian Apparatus Co.,Ltd,Tonghai 652700,China)

This paper introduces the current situation of power transformer temperature-rise test,and discusses the methodological differences in three standards,namely GB,IEC and ANSI,at home and abroad.Through traceability and formula derivation,the consistency of the final result of these three standard calculation methods has been verified.This study has great significance to power transformer temperature-rise test method,and further ensure the accuracy of the temperature-rise test results.

standard；transformer；temperature-rise test；calculation method；insulation

1004-289X(2017)01-0020-04

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(計(jì)劃編號(hào)：2016QK026)

TM406

A

2016-01-04

何東升(1978-)，男，湖南衡陽人，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事能源與動(dòng)力系統(tǒng)中電力電子及其控制的應(yīng)用和高低壓電器產(chǎn)品的試驗(yàn)、認(rèn)證與研發(fā)； 苗本健(1969-)，男，漢族，河南鄭州人，教授級(jí)高工，長(zhǎng)期從事高低壓電器的技術(shù)研究和檢測(cè)認(rèn)證。 姚云濤(1973-)，男，漢族，云南通海人，工程師，長(zhǎng)期從事變壓器的技術(shù)開發(fā)研究和檢測(cè)。