变压器 各类试验的基本概念.docx

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变压器各类试验的基本概念

各类试验的基本概念

1）局部放电试验

     局部放电试验是非破坏性试验项目，目前有两类试验方法，一种是以工频耐压作为预激磁电压，降到局部放电试验电压（一般为Um/√3的倍数，变压器为1.5倍，互感器为1.1～1.2倍），持续时间几分钟，测局部放电量；另一种是以Um为预激磁电压，降到局部放电试验电压，持续1小时，测局部放电量。

后一种为变压器所采用。

预激磁电压是模拟运行中过电压，预激磁电压激发的局部放电量不应由局部放电试验电压所延续，概念是系统上有过电压时所激发的局部放电量不会由长期工作电压所延续。

这一方法是使变压器或互感器在Um/√3长期工作电压下无局部放电量，以保证变压器能安全运行，使局部放电起始电压与局部放电熄灭电压都能高于Um/√3。

  因此，变压器的绝缘结构设计、绝缘件加工与工艺处理、带电与接地电极表面场强、绝缘介质的承受场强等都要使局部放电量小于规定值来考虑。

不能以主、纵绝缘是否放电作为依据。

  以工频耐压作为预激磁电压时，局部放电试验电压的持续时间一般较短，约1～5分钟。

延长局部放电试验电压持续时间对绝缘是较为严峻，有时会引起破坏性损坏。

以Um作为预激磁电压时局部放电试验电压持续时间较长，标准要求为1小时，能承受多长时间与绝缘结构的伏秒特性有关。

  局部放电量一般与带电与接地电极表面的场强有关，与电源的频率无关。

试验地点的背境噪声要小，电源的局部放电量要隔离。

  从试验顺序而言，局部放电试验应放在所有绝缘试验之后，从试验类型而言。

长时感应带局部放电试验或短时感应带局部放电试验之一要作为变压器出厂试验。

从变压器的Um等级而言，现有标准，Um≥252kV起要作局部放电试验，正在修订的IEC76-3，Um≥126kV起要作局部放电试验。

  从具体铁心结构而言，采用三相五柱铁心结构的变压器，在作局部放电试验时不能使上下铁轭内磁通密度饱和。

从绝缘结构而言，应能承受三相法作局部放电试验的要求。

2）截波冲击试验

  一般是波尾截断的波形，可用IEC标准棒状间隙截断，也可用多极点火截断装置截断。

用多极点火截断装置截断时，可获得较准的截断时间，示伤波的截断时间差异大于0.15μS，截波冲击试验结果就有问题。

用棒状间隙截断就不易从截断时间的差异来判断是否能通过试验。

  截波试验电压为110%全波试验电压时，如截断时间小于等于3μS时，两者强度相同。

与GIS联的变压器必须要考虑截波试验。

  截波试验必须与全波试验交替进行。

一般采用负极性截波。

3）全波冲击试验

  正在修订的IEC76--3标准，已将全波冲击试验列为Um≥126kV变压器的出厂试验项目。

要进行突发短路试验（特殊试验项目之一）的变压器，要在短路试验后作全波冲击试验。

4）操作波试验

  正在修订的IEC76－3标准，已将操作波试验列为Um≥252kV变压器的出厂试验项目。

由于不作操作波试验的Um=252kV变压器的相间绝缘决定于全波冲击试验或长时感应带局部放电测量的试验。

要进行操作波试验时，外部空气间隙的相间绝缘尺寸就要由操作波试验电压决定，可能要比不考核操作波试验时外部空气间隙要放大。

  从以上分析可知，按新IEC76－3标准来考核变压器的绝缘性能时，很多设计原则要重新考虑，工艺加工方案要相应更改，试验工作量要大为增加。

  新IEC76-3标准是总结国内外经验而进行修订的，贯彻这一标准的时间不会太久了，修订主要内容已于1996年7月30日～8月1日的“沈阳IECTC14”会议上讨论了，工作组根据讨论情况将作调整。

下一次IECTC14会议要通过IEC76-3修改后标准。

2.损耗测量

    目前都在生产低损耗变压器。

有时，同一套图纸在不同生产厂制造低损耗变压器时，损耗实测值相差很多。

引起差别的因素很多，包括电源波形、仪表精度、接线等。

本文主要介绍负载损耗与空载损耗时应注意的一些问题，以便获得更小的误差。

A.负载损耗测量

   不论是双绕组还是三绕组变压器，只能测量一对绕组的负载损耗，应在额定频率下将近似正弦波的电压施加在一个绕组上，此时，另一绕组短路，其它绕组（如果有的话）开路。

但是，对三绕组变压器而言，如果被测一对绕组位于最里面与最外面，中间绕组在测量负载损耗时开路，测出的负载损耗中将包括中间绕组的涡流损耗，这一损耗属附加损耗，它与温度成反比。

   影响负载损耗测量准确度的因素很多，新IEC76－1标准已有特殊的要求：

“所有用于试验的测量系统应要根据ISO9001（1987）标准第4.11条表明其具有保证的可追溯性的准确度。

”对测量系统准确度的规定，也将在新的IEC606中加以说明。

所以，首先要保证测量系统的准确度。

一般，测量系统的测不准误差要达到3％以下。

这对负载损耗测量而言，是较难达到的。

   要减少负载损耗测量误差，应注意：

a.电源容量与电压波形：

   电源容量要能使被试变压器中通过额定电流，照新IEC76－1规定，“也可以不小于50％额定电流。

”这里应注意的是：

一般是假设负载损耗与电流平方成正比，但是，当采用非线性材料时，负载损耗不与电流平方成正比，此时应使电源容量能输出变压器所需的额定电流。

   施加于变压器的电压应是阻抗电压，电压波形要近似于正弦波。

一般用市电作电源时较难达到这一要求，最好用正弦波电压波形发电机作电源。

   对选用的调压器应不使电压波形畸变；对选用的电流互感器应使互感器额定电流接近变压器的额定电流，且测量级准确度应达0.1级以上，最好选用零磁通电流互感器或“双级式”电流互感器保持较小比值差与相位差；对选用的电压互感器应使互感器额定电压接近变压器的阻抗电压，其测量级准确度也应达到0.1级以上，使电压互感器保持较小的比值差与相位差。

   电源的频率要准，在试验过程中或试验大容量变压器时额定频率不能变化。

市电的频率也难满足这一要求，要有仪表监测频率。

   所以，在试验报告上要证明：

   负载损耗确定与负载电流平方成正比；

   选用的电压互感器电压比、电流互感器的电流比接近于额定值；

   频率表读数始终为额定值。

b.试验读数的速度，与变压器温度的测定

   因为负载损耗值是温度的函数，新IEC76－1的附录E中对负载损耗的温度校正有规定。

   如测量速度慢，负载损耗产生的温度会使读数不准。

   变压器冷态温度的测量时应使变压器在不激磁，不带负载下静放一段时间后使绕组温度接近室温方可进行。

变压器真空干燥、注油后绕组温度仍高于室温时测变压器温度与变压器绕组冷态电阻，测量结果是不准的。

   负载损耗中电阻损耗与温度成正比，所有其它损耗与温度成反比。

可照IEC76－1附录E所列公式将负载损耗测量值换算到参考温度。

换算后的负载损耗值才能列入试验报告。

   对油浸式变压器而言，参考温度为75︒C,对干式变压器而言，参考温度为各绝缘材料温度等级的绕组允许温升加20︒C，如A级为95︒C等。

   这里还有一个问题：

负载损耗的温度校正前，应将电阻损耗与附加损耗先从测出的负载损耗中分离，然后才能作温度校正与参考温度的换算。

分离时，电阻损耗应是额定电流平方与实测电阻的乘积，要对低压绕组的电阻测准，测量速度也应快。

电阻测量的误差直接影向额定负载损耗的误差。

c.仪表接线

  对测量三相变压器负载损耗而言，有双瓦特表法与三瓦特表两种。

   用双瓦特表法时，双瓦特表读数一般是一块表正读数，另一块表负读数，对低损耗变压器而言，测量误差就很大。

读数时有随机误差，低损耗变压器负载损耗的功率因数很小，低功率因数瓦特表的功率因数会大于负载损耗的功率因数，因此，瓦特表指示的偏转读数很小，读数随机误差很大。

因此测量低损耗变压器负载损耗时应采用三瓦特表法接线，三瓦特表读数为相加，瓦特表应用功率转换表（其功率因数为零），这样，读数随机误差可小。

   试验报告上要说明选用的瓦特表接法、表的种类。

d.测量误差与变压器容量的关系

   变压器容量越大，负载损耗的功率因数越小，也就是说，测量等值回路功率因数越小。

式中：

ϕk为负载损耗功率因数角，

IZ％为变压器阻抗电压百分数，

Pk为负载损耗，W，

S为变压器额定容量，kVA。

以GB6451.1～.5--86标准中规定的技术参数为例：

10kV100kVA三相变压器的cosϕk=0.50

10kV1000kVA三相变压器的cosϕk=0.258

35kV10000kVA三相变压器的cosϕk=0.071

110kV63000kVA三相变压器的cosϕk=0.039

220kV120000kVA三相变压器的cosϕk=0.027

如果，变压器负载损耗进一步降低，即目前采用的低损耗变压器系列，按上面

公式可知，cosϕk值还将降低。

被测出的损耗，按定义为：

P＝U×I×cosϕ

此公式中功率因数角用ϕ表示，因此式可用于空载损耗与负载损耗，是一通用公式，如代入ϕk，P为负载损耗，代入空载损耗功率因数角ϕ0，P为空载损耗。

组合相对误差可由上式对两边取自然对数，再求微分得出：

ϕ为

与

间相位角，因ϕ≈90°（感性）故cosϕ很小，相位差∂ϕ前系数可简化为：

表示测量误差的相量图与为功率因数函数的相对误差见下图：

 ∂ϕ前系数远大于1，这表示：

预估相位角（弧度为单位）的某些相对误差可引起预估损耗有较大的相对误差，而电压与电流幅值的相对误差则没有扩大率。

所以，测量电力变压器负载损耗的中心问题是如何降低电压与电流测出值的相位差。

尤其大容量变压器，cosϕ越小，引起损耗测量值的误差越大。

e.传统损耗测量系统相位差对负载损耗误差的影响。

  传统损耗测量系统中包括电磁式电流与电压互感器，以及电动式瓦特表。

   如δu与δi分别表示电压与电流互感器的相位差，并以弧度为单位，同时瓦特表的线圈有电感会使接入瓦特表的电压互感器的电压与瓦特表电压线圈中电流有相位滞后，此相位差为ωL／R（以弧度为单位），L为瓦特表电压线圈的电感，R为仪表中电阻与可能的外部电阻箱电阻串联后的总值。

以δω表示瓦特表的相位差。

   如原来被试变压器中电压与电流间相位角为ϕ，实际相位角将为：

     ϕ’=ϕ+δu-δi-δω=ϕ+δϕ

   如总的相位角误差δϕ为正值，于是预估功率因数cosϕ’会小于正确值cosϕ。

 测出损耗P＇修正值将为正值：

δϕ为负值，P＇修正值为负值。

一般，相位差以电气角度的量表示：

1分= 

  弧度

 例：

220kV120000kVA三相变压器的cosϕk=0.027，这些，总的相位差为3分时就会引起3.3%的测量损耗的相对误差：

 相位差是电压互感器与电流互感器引起的总误差，一般而言，δi为正值，δu为负值，（δu-δi）将使实测负载损耗增大（P’修正值为负值）。

 如为三瓦特表法，每相实测损耗P1’，P2’，P3’应分别校正后再相加得出总负载损耗。

 0.1级互感器的相位差允许值约±5’（电流互感器电流比选得不对时会远大于5’），对大容量变压器而言也会引起不少的测量损耗的误差。

可按实际相位差对实测值进行校正。

f.较先进的负载损耗测量系统

   较为先进的负载损耗测量系统包括：

“两级式”或“零磁通”电流转换器，通常的电容型电压分压器线路，电子阻塞放大器及可调误差补偿线路，数字式电子功率转换器。

   系统的单独元件应是可调的，照标准校到较好准确度，使系统误差可以忽略，由于输出放大器作为误差源的仪表负荷可以取消。

   全套系统的合成相位差可达100～200微弧度（0.3’～0.6’），这样，cosϕk≤0.02时的总的测量损耗误差≤±3%）。

   因为在先进的测量系统中为低信号功率水平，因此在安装时精确地对测量系统校验防电磁场干扰能力是极为重要的。

g.短路用联结线

   短路用联结线的电流密度要低，联结要牢靠，尤其在低压侧短路的联结线。

如电流密度较高，联结又不牢，有较大接触电阻，会有附加损耗产生，也是测量损耗的误差。

B.空载损耗测量

   对同一台变压器而言，空载损耗的测量与负载损耗的测量不同；一是功率因数较大，约为0.1～0.2，二是变压器从电源吸取的空载电流波形严重畸变，三是空载损耗不作温度校正。

   空载损耗是在变压器上施加无干扰的正弦波电压（因空损耗对电压的波形很敏感,所以必须是正弦波电压），其它绕组开路时的损耗。

判断满意的正弦波形是方均根值电压表读数与平均值电压表读数的对比。

按新IEC76－1规定，试验电压应按平均值电压表进行调节，但该表的刻度为具有同一平均值的正弦波形方均根值电压，读数 为U＇。

方均根值电压表是与平均值电压表并联，读数为

＜3%是判断正弦波准则。

一般U＇－U为负值，电压波形必须满足这一准则，空载损耗不作波形校正。

现行IEC标准尚可进行波形校正。

因此，在执行新IEC76－1时必须对电源进行一次校验，要设法达到这一准则。

   这个判断准则不仅要求试验电源能输出空载正弦波形电压，而且要求电源必须具有低串联阻抗的足够容量，对电源的联结也有些约束。

   由于空载电流波形严重畸变，含有大量高次谐波，使发电机磁通波形也随之产生畸变，从而影响输出电压波形，一般的输出电压波形为尖顶波，造成测量空载损耗的误差。

当然空载电流波形畸变与施加电压、额定工作磁通密度有关，因此，瓦特表的电压引线或电压互感器越靠近被试变压器越好。

这样，既可防止测量系统的损耗进入瓦特表，又可使电压测得更准些。

   另外，电源的频率必须保持额定值，否则铁心中磁通密度会变化而影响准确度。

   因为空载电流与空载损耗随外施电压而快速增加，所以对电压的测量与电压的调节也是很关键的，应及时读取电压值，一旦达到规定电压时应及时停止调压。

这一读数与调压的准确与否，会对空载损耗测量误差产生影响。

   另外，新IEC76－1标准中还规定：

三相变压器的联结应使加在不同三个相绕组上的电压越接近正弦波越好。

这是因为三相三柱变压器的磁路不对称，三相空载电流不平衡，也不对称，使三个相绕组上电压波形不完全相同，所以要求三个相的电压波形尽量接近正弦波，才能减少测量误差。

   试验大容量单相变压器时，试验容量的需要（涉及电压波形畸变）和损耗测量常会遇到困难。

   另外。

测量损耗以前的磁化特性对空载损耗测量而言是非常敏感的。

铁心中剩磁（指在直流测绕组电阻时达饱和磁密后剩磁,或施加单方向长持续时间冲击后剩磁）会对空载损耗测量值产生影响。

所以，在测空载损耗前要对铁心进行退磁以获得较好结果。

   采用传统式测量系统时，适用于负载损耗方面的一些误差来源也适用于空载损耗的测定。

如互感器相位差对实测损耗准确度的影响。

   空载损耗有时还用于作复试项目以检查其它试验是否合格。

在冲击试验和（或）温升试验前测出的空载损耗实测值，通常能代表长期运行中的平均损耗水平。

而在其它试验后测得的空载损耗值有时较高，这是由于在冲击试验等试验中，硅钢片叠片边缘出现放电所造成的。

故此时的测量结果不完全是代表运行中的损耗。

   为在生产过程中及时检测铁心的性能，对大型变压器常作半成品空载损耗测量，铁心叠完后（不叠上铁轭工艺的变压器无此测量），绕组套装后都有空载试验项目，测出的空载损耗应比成品空载损耗低才行，一般，这仅是工序间检测，不作为考核合格与否依据，但半成品空载损耗实测值较大时应分析原因并加以解决。

大型变压器绕组套装后空气中进行空载试验时，要注意绕组出头间电压<20kV，以免空气中产生放电，必要时可在高压绕组增加临时套卷，试验时剪断，试验后焊上，或降低施加电压。

半成品空载损耗测量主要是及时发现问题，避免一旦有问题时全面返工，不是标准要求检测的项目，属于工厂自己的中间检测的项目。

3.高压绝缘试验加压方式与有关要求

1）空载试验

   以额定频率、额定电压向低压绕组激磁时会有激磁涌流故一般以不超过三分之一额定电压合闸，随后逐步升压。

这样，也可提前发现一些缺陷，如匝间短路。

降压时也逐步降低，在低于三分之一额定电压时切断电源。

这样，铁心中剩磁最低，也无过电压。

全电压切断电源时，变压器电感中能量变为电容中过电压。

在做空载试验前，要消除测量电阻与操作波试验后产生的剩磁。

   但变压器在实际运行时一般做不到零起升压，故变压器应承受住三相不同期合闸产生的过电压。

尤其在有效接地系统中，不接地变压器中点上的过电压。

   变压器也应承受住全电压合闸时产生的激磁涌流的作用。

2）负载试验与温升试验

   在负载试验与用短路法作温升试验时，施加的电压仅为阻抗电压，故合闸时电压可为阻抗电压。

但电流值要足够大。

测负载损耗与阻抗电压时电流值要大于50%变压器额定电流或最大分接电流。

作温升试验时要大于90%变压器最大分接电流。

  发电机容量不足时可用电容器组补偿。

3）工频耐压

   作全绝缘变压器工频耐压或绝缘变压器中点工频耐压的加压方式与空载试验加压方式相同，逐步升压与逐步降低。

在工频耐压值的三分之一以下可合闸与分闸。

   因被试变压器相当于一个电容，故要防止励磁现象，尤其同期发电机时更要注意。

另外，当工频耐压值超过95kV时，必须在高压侧测电压，不能以低压侧电压按电压比折算高压电压。

可用电容分压器或用球隙校高压电压。

4）感应耐压

   包括短时与长时感应耐压并测局部放电的感应耐压也要逐步升压与逐步降压。

   试验中要选用高频发电机，尤其选择试三相五柱铁心的变压器时发电机频率。

   要防止发电机的自励磁现象，及变压器上产生谐振过电压，必要时可在发电机出口端联上并联电抗器，或选用200Hz及以上发电机。

5）短路试验

   一般以预先短路法作短路试验。

对靠近铁心柱的绕组先加以短路，在远离铁心柱的绕组上突然施加全电压。

用选相开关在电压正弦波形正好过零时合全电压。

6）冲击试验

   包括全波雷电冲击，截波雷电冲击与操作波冲击试验，先调好规定的电压波形与幅值后对变压器施加全冲击试验电压。

   冲击电压发生器的主电容要足够大，否则无法调出规定的波形。

在作中点冲击试验时，可将多级的冲击电压发生器改变接法，将几级并联，这样可增大主电容，易于满足规定的波形。

   在作操作波冲击时要注意剩磁对操作波冲击的波形的影响。

并要设法使操作波相间试验电压等于对地试验电压的1.5倍。

做完操作波冲击试验后还要注意消除铁心中剩磁。

   从以上各种试验的加压方式可知，多数加工频电压的试验项目都是零起升压，逐步降压。

但变压器要能承受住全电压冲击合闸的要求，这对特高压变压器而言，在绝缘设计时必须计及这一运行上的要求。

 还应注意的一些问题是：

1.1.   在作高压耐压试验时，如工频耐压、冲击试验，必须注意在试验前的规定要求。

产品要有停放时间的考核、所有放气塞放气的步骤、必要的附件要装上。

2.2.   低电压考核的项目都要合格。

如绝缘电阻、吸收比或极化指数、介质损失角等。

3.3.   分接开关位于规定的位置。

4.各项试验时分接开关位置

   做各项规定的试验时，分接开关应具有的分接位置如下：

1）电压比试验

    应在每个分接位置时测定其电压比，并使测量允许偏差符合标准规定要求。

2）负载试验

    负载试验包括测负载损耗与阻抗电压。

新国标要求测最大分接位置、主分接位置、最小分接位置时的负载损耗与阻抗电压，并将测量值换算到参考温度。

测量允许偏差要符合标准规定要求。

最大与最小分接位置下测负载损耗时，应通以相应的最大与最小分接位置的分接电流。

3）空载损耗

   一般是在主分接的分接开关位置下，施加额定电压作空载损耗。

  对变磁通调压变压器而言，将额定电压加在最小分接位置时将有最大值的空载损耗。

同时也要测出主分接位置、最大分接位置时的空载损耗，此时施加的电压都是额定电压。

4）工频耐压和绝缘电阻测试

    工频耐压试验和绝缘电阻测试与分接位置无关，一般可在主分接下作工频耐压试验和绝缘电阻测试。

5）长时与短时感应耐压试验并测局部放电量

    感应耐压试验，包括长时感应、短时感应、测局部放电量，一般位于主分接位置。

当较高Um绕组达到试验电压，调压范围超过±5％时，也可使开关位于其它分接使较低Um绕组的电压接近其试验电压。

6）温升试验

   容量小于2500kVA，调压范围为±5％的三相配电变压器是在主分接下作温升试验。

   容量大于2500kVA，调压范围超过±5％时三相变压器应在最小分接位置下作温升试验。

7）雷电冲击试验

   当绕组具有悬浮的分接匝时会有振荡电压。

因此，对三相变压器而言，每个相应有一个不同的分接位置，三个相分别位于最大分接位置，主分接位置、最小分接位置。

然后逐相作雷电冲击试验。

这样，可验证不同分接位置下绕组能承受雷电冲击的能力。

8）操作波冲击试验

   一般位于主分接位置作操作波冲击试验。

但对线端有载调压自耦变压器而言，当中压线端为±8⨯1.25%调压范围时，一般会有三个位置都属于主分接位置。

如自耦变压器公共绕组与串联绕组是固定匝数，在中压线端另加一调压绕组供调压用时，在不同的三个主分接位置时会在调压绕组悬空端产生不同的正或负极性振荡电压。

因此，变压器应耐受住正或负极性震荡电压。

9）短路试验

   作短路试验时分接开关位置与雷电冲击试验相同，三相变压器的每个相有一个分接位置，即三个相分别位于最大分接位置、主分接位置、最小分接位置，然后逐相作短路试验。

   以上说明的最大分接位置是指具有最大分接电压的位置，主分接位置是指额定电压的位置，最小分接位置是指具有最小分接电压的位置。

   在产品名牌上，对负载损耗与阻抗电压的实测值并换算到额定条件下的值应标明其相应的分接位置。

如最小分接位置的分接容量与额定容量不同而有所下降时，应标明最小分接位置时的分接容量。

   在产品出厂时应将分接开关位于工厂规定的分接位置。

对有载调压分接开关而言，工厂还应在说明书上告诉用户，开关操动机构如何与有载分接开关正确位置相联，使操动机构指示的开关位置能符合开关的实际位置。

5.变压器的直流激磁与交流激磁

1）.直流激磁

   因为变压器绕组都套于铁心柱上，故除电阻外，还有电感存在。

为了测定绕组的电阻，必须用稳流直流电源，不能用交流电源，用交流电源时测出的是阻抗而不是电阻。

   但是，绕组的电感会在直流电压对绕组合闸时有瞬变过渡过程存在。

在激磁回路中会有下列方程式存在：

  因直流电源的电压U为常数,故此回路中电流为：

  i=

（1）

   设回路时间常数为τ，τ=

  当t=0.5τ时=0.393

  t=τ时

=0.632

    时间常数τ小，i达稳态电流i0=

时间就短。

故在直流法测绕组电阻时，应设法使L下降，在回路中加临时电阻以降低τ。

这点在温升试验一节中会涉及。

    应注意的是：

在式中，r表示激磁回路的电阻，L为激磁回路的总电感，包括绕组电感与激磁电感，激磁电感是非线性值，在式

（1）求解时是设L为恒定值。

如铁心趋向饱和时，因导磁率降低，电感值L也会下降。

   另外，当i过渡到稳定值时，L不起作用，i与r成正反比。

因此，r可从

求出。

2）.交流激磁

    在采用交流电源对变压器激磁时,施加电压是时间的函数，故激磁回路可有下列方程式存在：

   式中，U1m为交流电压的峰值，

为交流电源的合闸角，

   设