油浸式電力變壓器短路阻抗及負(fù)載損耗測(cè)量檢測(cè)技術(shù)

一、檢測(cè)原理

短路阻抗與負(fù)載損耗測(cè)量是變壓器投運(yùn)前及大修后至關(guān)重要的例行試驗(yàn)項(xiàng)目，其核心在于通過模擬變壓器額定工況下的短路狀態(tài)，獲取其關(guān)鍵性能參數(shù)。

1. 短路阻抗測(cè)量原理
短路阻抗（Uk%）定義為變壓器一側(cè)繞組短路，另一側(cè)繞組施加額定頻率的額定電流時(shí)，所施加的電壓（短路電壓Uk）與額定電壓Un之比的百分?jǐn)?shù)。其物理本質(zhì)是變壓器在額定電流下，繞組漏磁通在自身電阻和漏電抗上產(chǎn)生的總壓降。從等效電路角度看，短路阻抗Zs是繞組的電阻Rs和漏電抗Xs的矢量和（Zs = √(Rs² + Xs²)）。測(cè)量Uk%即是通過實(shí)驗(yàn)方法間接確定等效電路中的漏阻抗參數(shù)，該參數(shù)直接影響變壓器的短路電流能力、電壓調(diào)整率及并聯(lián)運(yùn)行的環(huán)流分配。

2. 負(fù)載損耗測(cè)量原理
負(fù)載損耗（Pk），傳統(tǒng)上稱為銅損或短路損耗，是指在額定頻率下，當(dāng)一側(cè)繞組短路，另一側(cè)繞組通過額定電流時(shí)，變壓器從電源吸收的有功功率。該損耗主要由以下幾部分構(gòu)成：

• 繞組直流電阻損耗（I²R損耗）：由繞組的直流電阻產(chǎn)生，是負(fù)載損耗的主要部分。

• 渦流損耗：漏磁場(chǎng)在繞組導(dǎo)線內(nèi)部感應(yīng)渦流引起的損耗。

• 雜散損耗：漏磁場(chǎng)在變壓器結(jié)構(gòu)件（如夾件、油箱、屏蔽等）中引起的損耗。

• 環(huán)流損耗：當(dāng)繞組由多根導(dǎo)線并聯(lián)繞制時(shí)，因漏磁場(chǎng)導(dǎo)致導(dǎo)線間環(huán)流而產(chǎn)生的附加損耗。

測(cè)量負(fù)載損耗即是通過功率表直接讀取上述所有損耗之和。由于繞組的交流電阻大于直流電阻，且雜散損耗與頻率和材料特性密切相關(guān)，因此負(fù)載損耗值總是大于由直流電阻計(jì)算得出的I²R損耗。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

檢測(cè)項(xiàng)目可系統(tǒng)分類如下：

1. 核心測(cè)量項(xiàng)目

• 短路阻抗百分比（Uk%）測(cè)量：在額定電流（或降低電流下折算）下，測(cè)量并計(jì)算各對(duì)繞組間的短路阻抗。

• 負(fù)載損耗（Pk）測(cè)量：在額定電流（或降低電流下折算）下，測(cè)量并計(jì)算各對(duì)繞組間的負(fù)載損耗。

• 損耗分量分析：通過將負(fù)載損耗分離為直流電阻損耗（I²R）和附加損耗（主要是渦流與雜散損耗），評(píng)估設(shè)計(jì)及制造工藝的合理性。

2. 關(guān)聯(lián)性檢測(cè)項(xiàng)目

• 繞組直流電阻測(cè)量：為計(jì)算I²R損耗分量和評(píng)估繞組連接、導(dǎo)線焊接質(zhì)量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

• 頻率響應(yīng)分析（FRA）：作為輔助項(xiàng)目，若短路阻抗測(cè)量值與出廠值或歷史數(shù)據(jù)存在顯著偏差，可結(jié)合FRA判斷繞組是否存在不可見的機(jī)械形變或位移。

三、檢測(cè)范圍

本檢測(cè)技術(shù)適用于所有電壓等級(jí)和容量的油浸式電力變壓器，覆蓋領(lǐng)域包括：

• 電力系統(tǒng)：發(fā)電廠升壓變壓器、變電站主變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器、配電變壓器。

• 工業(yè)領(lǐng)域：冶金、化工、鐵路牽引、數(shù)據(jù)中心等所用的電爐變壓器、整流變壓器、動(dòng)力變壓器。

• 新能源領(lǐng)域：風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站的升壓變壓器。

• 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：地鐵、機(jī)場(chǎng)、港口等關(guān)鍵設(shè)施的配電變壓器。

• 檢測(cè)場(chǎng)景：新變壓器出廠試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝后的交接試驗(yàn)、大修后的預(yù)防性試驗(yàn)、故障診斷后的特殊性試驗(yàn)。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)量方法、條件及允差有明確規(guī)定。

核心對(duì)比：IEC與GB標(biāo)準(zhǔn)體系基本一致，是主流。IEEE標(biāo)準(zhǔn)在北美應(yīng)用廣泛。所有標(biāo)準(zhǔn)均強(qiáng)調(diào)測(cè)量應(yīng)在額定電流或可精確折算的電流下進(jìn)行，并對(duì)測(cè)量結(jié)果的溫度校正做出了嚴(yán)格規(guī)定。

五、檢測(cè)方法

主要方法：三相電源法
這是常用和準(zhǔn)確的方法，適用于具備三相試驗(yàn)電源的場(chǎng)合。

1. 接線：將三相試驗(yàn)電源施加于變壓器一側(cè)繞組（通常為高壓側(cè)），另一側(cè)繞組（通常為低壓側(cè)）三相可靠短接。短接線的截面積須足夠大，以承受額定電流且自身?yè)p耗可忽略。

2. 施加電流：緩慢升高電源電壓，直至繞組電流達(dá)到額定值（Ik = In）。若受電源容量限制，可降低電流至不低于額定值的25%（通常為50%），但需確保測(cè)量?jī)x表能達(dá)到足夠的精度。

3. 數(shù)據(jù)讀取：同時(shí)讀取并記錄各相施加的電壓Uk、電流Ik、以及功率表顯示的負(fù)載損耗功率Pk。使用高精度三相功率分析儀可直接獲取三相平均值。

4. 溫度測(cè)量與校正：記錄測(cè)試時(shí)繞組的溫度（通常以頂層油溫或直流電阻法推算的溫度為準(zhǔn)）。將測(cè)得的負(fù)載損耗和電阻分量校正到標(biāo)準(zhǔn)參考溫度（如75℃或115℃）。計(jì)算公式遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其中電阻損耗部分按電阻溫度系數(shù)校正，附加損耗部分反比于絕對(duì)溫度的一次方進(jìn)行校正。

操作要點(diǎn)：

• 短路連接：必須使用低阻抗、大截面積的銅排或?qū)Ь€，連接牢固，接觸電阻盡可能小。

• 測(cè)量?jī)x表：電壓、電流互感器及功率表的精度等級(jí)通常要求不低于0.2級(jí)，以確保測(cè)量不確定度在可接受范圍內(nèi)。

• 電源穩(wěn)定性：試驗(yàn)電源應(yīng)穩(wěn)定，波形畸變率小，頻率為額定頻率。

• 安全措施：高壓側(cè)施加電壓，低壓側(cè)短路，操作必須嚴(yán)格遵守高壓試驗(yàn)安全規(guī)程，設(shè)置安全圍欄和警示標(biāo)志。

六、檢測(cè)儀器

1. 三相調(diào)壓電源

• 技術(shù)特點(diǎn)：大容量輸出，電壓可平滑調(diào)節(jié)，輸出波形正弦性好，穩(wěn)定性高。通常采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)組或大容量感應(yīng)調(diào)壓器配合補(bǔ)償電容器組，以提供滿足變壓器額定電流所需的試驗(yàn)容量。

2. 測(cè)量系統(tǒng)

• 高壓測(cè)量單元：包含高精度電壓互感器和電流互感器，用于擴(kuò)展儀表的量程并保證隔離安全。

• 數(shù)字功率分析儀：核心設(shè)備。技術(shù)特點(diǎn)包括：多通道同步采樣，高精度（0.1%或更高），寬頻帶，能同時(shí)測(cè)量電壓、電流真有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及頻率，并可直接進(jìn)行矢量運(yùn)算和數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)。

• 標(biāo)準(zhǔn)電阻/電橋：用于繞組直流電阻的精確測(cè)量，為損耗分離提供數(shù)據(jù)。

3. 輔助設(shè)備

• 大電流短路裝置：專用低阻抗短路排和夾具。

• 溫度測(cè)量?jī)x：鉑電阻溫度計(jì)或紅外測(cè)溫儀，用于準(zhǔn)確測(cè)量油溫或連接點(diǎn)溫度。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)分析方法

• 與出廠值/設(shè)計(jì)值比較：將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值校正到相同參考溫度后，與變壓器出廠試驗(yàn)報(bào)告或設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對(duì)。這是直接、重要的分析方法。

• 三相平衡性分析：對(duì)于三相變壓器，分析各相測(cè)得的短路電壓和負(fù)載損耗是否平衡。顯著的不平衡可能指示繞組匝間短路、連接不良或分接開關(guān)接觸問題。

• 歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析：對(duì)同一臺(tái)變壓器歷次預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，觀察其變化趨勢(shì)。緩慢的漂移或突變都可能是內(nèi)部故障的征兆。

• 損耗分量分離：計(jì)算附加損耗與直流電阻損耗的比值，與設(shè)計(jì)預(yù)期或同型號(hào)變壓器典型值比較。比值異常增大可能意味著存在較大的雜散損耗（如結(jié)構(gòu)件局部過熱）或渦流損耗（如導(dǎo)線換位不當(dāng)）。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

• 短路阻抗（Uk%）：

  • 出廠/交接試驗(yàn)：實(shí)測(cè)值與規(guī)定值的偏差應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)允差范圍內(nèi)（通常為±10%或合同規(guī)定更嚴(yán)格值，如±7.5%）。

  • 預(yù)防性試驗(yàn)：測(cè)量值與初值（出廠或上次交接值）比較，其變化不應(yīng)超過±2%。超過此值需引起警惕，并結(jié)合其他試驗(yàn)綜合分析。

• 負(fù)載損耗（Pk）：

  • 出廠/交接試驗(yàn)：實(shí)測(cè)值校正到參考溫度后，不應(yīng)超過規(guī)定值的+15%且總損耗不超過+10%（具體允差見標(biāo)準(zhǔn)或合同）。

  • 預(yù)防性試驗(yàn)：測(cè)量值與初值比較，其變化不應(yīng)超過+5%。顯著增加通常意味著繞組導(dǎo)體或連接回路存在異常附加電阻（如接觸不良、導(dǎo)體斷裂等）。

• 綜合評(píng)判：任何一項(xiàng)參數(shù)的超標(biāo)或異常趨勢(shì)，都應(yīng)視為變壓器可能存在潛在缺陷的警示，需進(jìn)行進(jìn)一步的診斷性試驗(yàn)，如頻率響應(yīng)分析、油中溶解氣體分析等，以綜合判斷變壓器的健康狀態(tài)。