电力变压器空载损耗和空载电流测量检测

电力变压器空载损耗和空载电流测量的定义及重要性

电力变压器的空载损耗（No-load Loss）和空载电流（No-load Current）是表征其核心性能与运行效率的关键参数。空载损耗，又称为铁损（Iron Loss或Core Loss），是指变压器在一次侧（高压侧）施加额定频率的额定电压，而二次侧（低压侧）保持开路（即无任何负载连接）状态下，变压器自身所消耗的有功功率。这部分损耗主要由变压器铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗构成，几乎恒定不变，与负载大小无关，仅与运行电压、频率及铁芯材料的性能、制造工艺（如硅钢片的质量、叠片方式、接缝处理）密切相关。

空载电流则是变压器在上述空载条件下，一次绕组中流过的电流。它主要用于在铁芯中建立工作磁通（主磁通），因此也称为励磁电流。空载电流通常很小，仅为变压器额定电流的百分之几（例如0.5%~5%），但其数值和波形（通常含有显著的高次谐波，尤其是三次谐波）却能灵敏地反映铁芯的磁化特性、饱和程度以及是否存在局部缺陷（如片间短路、多点接地不良等）。精确测量空载损耗和空载电流对于评估变压器能效水平、检验设计制造质量、诊断潜在故障以及确保经济运行具有极其重要的意义，是出厂试验、型式试验、交接试验和预防性试验中的必检项目。

测量目的

空载损耗和空载电流测量的主要目的包括：

1. 检验铁芯质量与制造工艺：实测损耗值与设计值或标准值进行对比，判断铁芯材料性能、叠装质量、接缝处理等是否合格，是否存在片间短路、多点接地等缺陷引起的额外损耗增大。

2. 验证设计计算：通过实测数据验证设计阶段对铁损和励磁特性的计算是否准确。

3. 评估能效与经济性：空载损耗是变压器总损耗的重要组成部分（尤其在轻载或空载运行时占主导），直接影响变压器的运行效率和长期经济性，是能效等级评定的核心指标之一。

4. 故障诊断：运行中变压器空载损耗或空载电流的异常增大（与出厂值或历史值相比）往往是铁芯存在严重故障（如严重多点接地、片间短路、铁芯松动）的重要征兆。

测量条件

为了获得准确可比的结果，测量必须在规定的条件下进行：

1. 额定电压与额定频率：必须在变压器一次侧施加正弦波形、实际值等于额定值（Un）的电压，且频率为额定频率（通常为50Hz或60Hz）。电压波形畸变率应尽可能小（一般要求<5%）。

2. 空载状态：变压器二次侧（及所有其他绕组）必须处于完全开路状态，无任何负载连接。

3. 环境条件：记录测量时的环境温度（通常作为参考温度，如20°C或25°C），因为温度对铁损有一定影响（虽然相对较小）。

4. 预热状态（针对某些标准）：有些标准（如IEC）要求在测量前，变压器可能需要在略低于额定电压下运行一段时间（预热），以使铁芯温度接近正常运行温度。

测量方法（原理与接线）

测量通常采用双功率表法（适用于三相变压器）或单功率表法（适用于单相变压器），配合精密电压互感器（PT）、电流互感器（CT）和功率分析仪（或高精度功率表、电压表、电流表）。核心是准确测量施加的一次电压U1、流入的一次电流I0以及输入的总有功功率P0。

单相变压器测量接线：

1. 在变压器高压绕组（H1, H2）两端并联接入电压测量回路（电压表V和功率表的电压线圈）。 2. 在高压绕组线路中串联接入电流测量回路（电流表A和功率表的电流线圈）。 3. 低压绕组（X1, X2）保持开路。 4. 通过调压器（好是感应调压器以减少波形畸变）将高压侧电压从零缓慢平稳地升至额定电压Un。 5. 在Un下，同时读取并记录电压表读数U1(≈Un)，电流表读数I0（空载电流有效值），功率表读数P0（空载损耗）。 6. 电流表好使用真有效值表，因为I0波形畸变严重，普通平均值响应的电流表读数误差很大。

三相变压器测量接线（通常采用两功率表法）：

1. 将三相电源（通过调压器）接入变压器高压侧（A, B, C）。 2. 低压侧（a, b, c）所有端子开路。 3. 在两个高压相线（如A相和C相）中分别串联接入功率表W1和W2的电流线圈。功率表W1和W2的电压线圈分别跨接在A-B相和C-B相（即采用“B相”作为公共点的人工中性点法）。同时接入电压表（测线电压UAB, UBC, UCA）和电流表（测各相电流IA, IB, IC）。 4. 缓慢升压至额定线电压Un。 5. 在Un下，读取并记录各线电压、各相电流（IA, IB, IC）、以及两个功率表的读数P1和P2。 6. 空载损耗P0 = P1 + P2。 7. 空载电流I0 通常取三相空载电流的平均值： I0 = (IA + IB + IC) / 3。同样，电流表需用真有效值表。

对于大型高压变压器，测量回路必须使用高精度、合适变比的PT和CT将一次侧的高电压、大电流按比例缩小至适合仪表测量的范围。

关键注意事项

1. 电源质量与调压器选择：电源电压波形畸变要小。优先选用感应调压器，避免使用产生明显谐波的晶闸管调压器。测量系统（PT, CT, 仪表）的总精度等级应满足标准要求（通常0.2级或更高）。 2. 测量仪表的适用性： * 功率表/功率分析仪：必须能准确测量畸变波形下的有功功率（P0）。 * 电流表：至关重要！必须使用真有效值（True RMS）响应的电流表测量空载电流I0。普通平均值响应的交流电流表测量非正弦电流时会产生很大误差（通常显著偏低）。 * 电压表：好也是真有效值的。测量三相电压需对称。 3. 接线正确性：功率表电流线圈和电压线圈的极性（*端）必须正确连接，否则读数可能为负或无意义。仔细检查接线，尤其是三相两表法的接线。 4. 安全第一：高压试验！严格遵守电气安全规程。试验区域设置围栏和警示标志，可靠接地，操作人员穿戴绝缘防护用品，升压过程专人监护。 5. 记录完整性：详细记录试验条件（环境温度、湿度、大气压）、施加的电压值（实际值）、频率、仪表读数、仪表及互感器的型号、量程、精度等级、编号等。 6. 结果校正（若需要）：测量得到的空载损耗P0是在试验电压下测得的。如果试验电压Un'与额定电压Un有微小差异（|Un' - Un| / Un < 3%），且电源频率为额定频率，可按近似公式 P0 ≈ P0' * (Un / Un')^n 进行校正。指数n通常取2（认为铁损近似与电压平方成正比），但更精确的做法是参考IEC 60076-1等标准的具体规定。空载电流一般不做电压校正。

总结

电力变压器空载损耗和空载电流的精确测量是一项基础且关键的试验项目。它直接关系到对变压器铁芯质量、制造水平、能效特性以及早期潜在故障的评估。通过严格按照标准规定的条件（额定电压、频率、空载状态），采用正确的接线方法（单相单表法或三相两表法），并特别注意使用真有效值电流表和非畸变电源，才能获得可靠、准确的P0和I0数据。这些数据是判断