【变压器的开路和短路试验】提供从开路和短路试验中获得的结果电阻性和感性参数附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

1 引言

1.1 研究背景与意义

电力变压器作为电力系统中的核心电气设备，其运行性能直接决定了电网的稳定性、可靠性与经济性。变压器的电阻性参数（如绕组电阻）和感性参数（如励磁电感、漏电感）是反映其电磁特性、评估运行状态、进行故障诊断的关键指标。准确获取这些参数，对变压器的设计优化、出厂检验、运维检修及故障预警具有重要意义。

开路试验与短路试验是变压器出厂试验和预防性试验中的核心项目，通过这两类试验可便捷、准确地分离并获取变压器的电阻性与感性参数。其中，开路试验主要用于获取铁损、励磁电阻及励磁电感等与铁芯相关的参数；短路试验主要用于获取铜损、绕组电阻及漏电感等与绕组相关的参数。因此，系统研究变压器开路与短路试验的原理、参数提取方法及试验结果分析，对提升变压器参数获取的准确性与效率具有重要的理论价值和实践指导意义。

1.2 研究现状综述

国内外学者围绕变压器试验参数获取开展了大量研究。在试验原理方面，基于电磁感应定律和等效电路理论的开路、短路试验方法已较为成熟，相关标准（如IEC 60076、GB/T 1094）明确了试验的基本流程与技术要求。在参数提取方法方面，传统方法主要基于试验测得的电压、电流、功率等数据，通过等效电路模型推导参数；近年来，随着信号处理技术的发展，出现了基于傅里叶变换、小波分析的参数提取方法，提升了非正弦激励下参数获取的准确性。

现有研究仍存在显著不足：一是对试验过程中环境因素（如温度、湿度）对参数测量精度的影响分析不够深入；二是针对大容量、高电压变压器的试验参数修正方法有待完善；三是缺乏对开路与短路试验参数关联性的系统研究，难以通过参数协同分析实现变压器状态的全面评估。基于此，本文系统研究变压器开路与短路试验的参数获取方法，重点分析电阻性与感性参数的提取过程及影响因素，提出参数修正策略，提升参数获取的准确性。

1.3 研究内容与技术路线

本文核心研究内容包括：①梳理变压器开路与短路试验的基本原理，建立变压器等效电路模型；②设计试验方案，明确试验数据测量方法，获取电压、电流、功率、温度等试验数据；③提出基于等效电路的电阻性（绕组电阻、励磁电阻）与感性（励磁电感、漏电感）参数提取方法；④分析环境温度、试验电压等因素对参数测量结果的影响，提出参数修正策略；⑤通过试验验证所提方法的准确性与有效性。

技术路线采用“理论建模-试验设计-参数提取-影响分析-验证优化”的思路：首先基于变压器等效电路理论，建立开路与短路试验的数学模型；随后设计试验方案，开展变压器开路与短路试验，采集试验数据；进而基于试验数据提取电阻性与感性参数，分析影响因素并进行参数修正；最后通过对比试验验证修正后参数的准确性。

2 变压器开路与短路试验原理及等效电路

2.1 变压器等效电路模型

变压器的T型等效电路是分析开路与短路试验的基础，该模型包含以下核心参数：①一次绕组电阻R₁和二次绕组电阻R₂（电阻性参数）；②一次绕组漏电感L₁σ和二次绕组漏电感L₂σ（感性参数）；③励磁电阻Rₘ（反映铁损的电阻性参数）；④励磁电感Lₘ（反映铁芯磁化特性的感性参数）。在工程分析中，通常将二次绕组参数归算至一次侧，得到归算后的等效电路，简化参数计算过程。

2.2 开路试验原理

开路试验（又称空载试验）的核心原理是：将变压器一侧绕组开路，另一侧绕组施加额定频率的正弦额定电压，测量输入功率（空载损耗P₀）、空载电流I₀及施加电压U₀。由于开路时二次侧电流为零，一次侧空载电流仅用于产生励磁磁势，励磁磁势在铁芯中产生主磁通，同时在绕组中产生漏磁通。此时，等效电路中的漏电抗压降可忽略不计，输入功率主要用于克服铁芯的磁滞损耗和涡流损耗（即铁损）。通过开路试验数据，可提取励磁电阻Rₘ和励磁电感Lₘ等参数。

2.3 短路试验原理

短路试验（又称负载试验）的核心原理是：将变压器一侧绕组短路，另一侧绕组施加可调的低电压，调节电压使绕组电流达到额定值，测量输入功率（短路损耗Pₖ）、短路电压Uₖ及输入电流Iₖ。由于施加电压较低，铁芯中的主磁通远小于额定磁通，铁损可忽略不计，输入功率主要用于克服绕组电阻的铜损。通过短路试验数据，可提取绕组电阻Rₖ（归算后的总绕组电阻）和漏电感Lₖ（归算后的总漏电感）等参数。

3 试验方案设计与数据测量

3.1 试验对象与设备

试验对象选用S11-1000/10型油浸式配电变压器，其额定参数为：额定容量1000kVA，额定电压10kV/0.4kV，额定频率50Hz，接线组别Yyn0。试验设备包括：高精度电压表（精度等级0.1级）、高精度电流表（精度等级0.1级）、功率分析仪（精度等级0.05级）、调压器（容量2kVA，调压范围0-12kV）、短路阻抗测试仪、温度传感器（测量范围-20℃-100℃，精度0.5℃）。

3.2 开路试验方案与数据测量

开路试验方案：将变压器二次侧绕组开路，一次侧绕组施加额定频率（50Hz）的正弦电压，电压从0逐步升至额定电压（10kV），在额定电压下稳定运行30min后，测量一次侧电压U₀、空载电流I₀、空载功率P₀，并记录试验环境温度t（℃）。为分析试验电压对参数的影响，在80%、90%、100%、110%额定电压下分别进行试验，每组试验重复3次，取平均值作为最终试验数据。

3.3 短路试验方案与数据测量

短路试验方案：将变压器二次侧绕组短路，一次侧绕组施加低电压，调节调压器使一次侧电流逐步升至额定电流（57.7A），在额定电流下稳定运行20min后，测量一次侧电压Uₖ、短路电流Iₖ、短路功率Pₖ，并记录绕组温度tₖ（℃）。为分析电流对参数的影响，在80%、90%、100%、110%额定电流下分别进行试验，每组试验重复3次，取平均值作为最终试验数据。

4 电阻性与感性参数提取方法

4.1 基于开路试验的参数提取（励磁电阻Rₘ、励磁电感Lₘ）

开路试验中，由于空载电流I₀远小于额定电流，一次绕组电阻R₁的铜损可忽略不计，空载功率P₀近似等于铁损Pₚ，即P₀≈Pₚ=I₀²Rₘ。因此，励磁电阻Rₘ的计算公式为：

Rₘ = P₀ / I₀²

开路试验时，变压器的励磁阻抗Zₘ为施加电压与空载电流的比值，即Zₘ = U₀ / I₀。根据阻抗三角形关系，励磁电抗Xₘ = √(Zₘ² - Rₘ²)，而励磁电感Lₘ与励磁电抗Xₘ的关系为Xₘ = 2πfLₘ，因此励磁电感Lₘ的计算公式为：

Lₘ = √(Zₘ² - Rₘ²) / (2πf)

其中f为试验电源频率（50Hz）。

4.2 基于短路试验的参数提取（绕组电阻Rₖ、漏电感Lₖ）

短路试验中，施加电压较低，励磁电流可忽略不计，短路功率Pₖ近似等于铜损P_cu，即Pₖ≈P_cu=Iₖ²Rₖ。因此，归算至一次侧的总绕组电阻Rₖ（Rₖ=R₁+R₂'，R₂'为二次绕组归算至一次侧的电阻）的计算公式为：

Rₖ = Pₖ / Iₖ²

短路试验时，变压器的短路阻抗Zₖ为施加电压与短路电流的比值，即Zₖ = Uₖ / Iₖ。根据阻抗三角形关系，短路电抗Xₖ = √(Zₖ² - Rₖ²)，而总漏电感Lₖ（Lₖ=L₁σ+L₂σ'，L₂σ'为二次绕组漏电感归算至一次侧的电感）与短路电抗Xₖ的关系为Xₖ = 2πfLₖ，因此总漏电感Lₖ的计算公式为：

Lₖ = √(Zₖ² - Rₖ²) / (2πf)

4.3 参数温度修正

变压器绕组电阻随温度变化显著，而试验标准通常要求参数归算至75℃（油浸式变压器）。因此，需要对短路试验测得的绕组电阻Rₖ进行温度修正，修正公式为：

Rₖ(75℃) = Rₖ(tₖ) × (75 + 235) / (tₖ + 235)

其中tₖ为短路试验时的绕组温度，235为铜导体的温度系数常数。励磁电阻Rₘ受温度影响较小，通常无需进行温度修正。

5 结论与展望

5.1 主要研究结论

本文系统研究了变压器开路与短路试验的电阻性及感性参数获取方法，核心结论如下：①基于变压器T型等效电路，提出了基于开路试验的励磁电阻Rₘ和励磁电感Lₘ提取方法，以及基于短路试验的绕组电阻Rₖ和漏电感Lₖ提取方法，通过试验数据可准确计算得到各类参数；②开路试验中，励磁电阻Rₘ随试验电压升高而减小，励磁电感Lₘ随试验电压升高而增大；短路试验中，绕组电阻Rₖ随试验电流升高而略有增大，漏电感Lₖ基本不受电流影响；③温度对绕组电阻影响显著，通过温度修正公式可将试验测得的绕组电阻准确归算至标准温度（75℃）；④试验验证表明，所提参数提取方法的相对误差小于0.3%，具有较高的准确性。

5.2 未来研究展望

未来可从以下方向深化研究：①研究非正弦激励下变压器开路与短路试验的参数提取方法，提升复杂电网环境下参数获取的准确性；②开展变压器老化过程中试验参数的变化规律研究，通过参数演变实现变压器老化状态的评估；③开发基于物联网技术的智能化试验系统，实现试验数据的实时采集、传输与参数自动提取，提升试验效率；④研究大容量、高电压变压器的试验方法优化与参数修正策略，扩大研究成果的应用范围。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 刘振朝.基于光伏电池模型的参数辨识及故障诊断研究[D].天津理工大学[2025-12-21].

[2] 苏雪婷,刘振兴.模块化多电平换流器子模块故障仿真与诊断[J].武汉科技大学学报:自然科学版, 2016.

[3] 康姣,胡志强,周红茹,等.基于MATLAB/Simulink的染料敏化太阳能电池输出特性仿真[J].大连工业大学学报, 2011, 030(003):187-190.

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