如何测定三相变压器的铁耗和铜耗

三相变压器的铁耗与铜耗测定是评估其能效与运行状态的核心技术。本文系统阐述空载试验测定铁耗与短路试验测定铜耗的原理、步骤及注意事项，深入分析温度校正、波形影响等关键因素，并提供实用操作指南与数据分析方法，为电气工程师提供权威可靠的技术参考。

       在电力系统的广阔天地里，三相变压器如同默默耕耘的“心脏”，其运行效率直接关系到整个系统的经济性与稳定性。要精准评估这台“心脏”的健康状况，测定其内部的两大核心能量损耗——铁耗（空载损耗）与铜耗（负载损耗）便成为电气工程师必须掌握的关键技能。这不仅关乎能效标准的符合性，更是设备选型、状态评估及故障预警的重要依据。下面，让我们一同深入探索这两项损耗的测定方法与技术精髓。

一、理解损耗本质：铁耗与铜耗的物理成因

       铁耗，专业上称为空载损耗，主要产生于变压器的铁芯部分。当变压器一次侧接通电源，即使二次侧开路，交变的磁场也会在铁芯中不断作用，引发磁滞效应和涡流效应，这两种效应共同将部分电能转化为热能，形成铁耗。其大小主要取决于铁芯材料的特性、磁通密度的高低以及电源的频率，而与负载电流的大小基本无关。

       铜耗，亦称作负载损耗，顾名思义，是电流流经变压器绕组（通常由铜或铝导体构成）时，由于导体本身存在电阻而产生的热能损耗。根据焦耳定律，其值与负载电流的平方成正比。在额定电流下测得的铜耗包含了直流电阻产生的基本损耗和由于漏磁场引起的附加损耗（如涡流损耗）。

二、测定前的周密准备：安全与精度并重

       工欲善其事，必先利其器。进行精确测量前，充分的准备工作至关重要。首先，安全是压倒一切的前提，必须确保变压器已完全断电，并做好验电、挂接地线等安全措施。所需仪器通常包括高精度的功率分析仪或双瓦特表、经过校准的电压互感器和电流互感器、标准电阻温度计以及调压设备。环境条件也需留意，试验应在干燥、无强烈电磁干扰的场所进行，并记录下环境温度，因为电阻值对温度极为敏感。

三、铁耗测定：空载试验的操作解析

       空载试验是测定铁耗的标准方法。其核心思路是在变压器一侧（通常是低压侧）施加额定频率的正弦波形额定电压，而另一侧（高压侧）保持开路状态。此时，绕组中流过的电流极小（仅为空载电流），铜耗可以忽略不计，因此从电源侧测量得到的输入功率，几乎全部为铁芯损耗。

       具体接线时，将功率分析仪的电压通道并联在施加电压的绕组两端，电流通道则串联在该绕组回路中。通过调压器从零开始平稳升压，直至电压达到绕组的额定电压值。待仪表读数稳定后，同时记录电压、电流和功率读数。此功率值即为该变压器在试验电压和频率下的铁耗。

四、空载试验的关键注意事项

       空载试验看似简单，但细节决定成败。电源电压的波形至关重要，必须是正弦波。若波形畸变严重，会引入额外的谐波损耗，导致测量结果偏大。因此，在实际操作中，使用波形失真度低的电源或在线路中接入滤波器是保证精度的有效手段。此外，试验电压必须精确调整至额定值，因为铁耗与磁通密度的平方近似成正比，电压的微小偏差都会引起铁耗的显著变化。

五、铜耗测定：短路试验的实施步骤

       短路试验用于测定额定电流下的铜耗。试验时，将变压器一侧（通常是高压侧）绕组短接，从另一侧（低压侧）施加一个较低的电压，使短路电流达到该侧绕组的额定电流值。此时，由于施加的电压很低，铁芯中的磁通密度极小，产生的铁耗与铜耗相比可以忽略不计，因此测得的输入功率基本上就是变压器在该电流下的铜耗。

       接线方式与空载试验类似，功率仪表接入供电回路。通过调压器缓慢增加电压，密切监视电流表，使电流精确达到额定值。记录此时的功率、电流和电压读数。这个功率就是变压器在试验温度下、对应于额定电流的铜耗。

六、短路试验的核心要点与安全警示

       短路试验具有潜在危险性，必须格外谨慎。短路连接线应具有足够的截面积，连接牢固可靠，避免因接触电阻过大而发热或产生额外压降。升压过程要平稳，防止电流冲击。由于试验时施加的电压虽低，但电流可达额定值，绕组会迅速发热，因此试验应迅速完成，避免设备长时间处于短路状态。同时，确保所有人员远离短路点和高电流回路。

七、温度校正：将铜耗折算至参考温度

       导体的电阻随温度变化而改变，铜耗 consequently 也随之变化。国家标准（如电力变压器标准）通常要求将实测铜耗校正到一个统一的参考温度（例如对于A级、B级绝缘，参考温度为75摄氏度；对于F级、H级绝缘，参考温度为115摄氏度），以便于不同变压器之间进行公平比较。

       校正公式为：P_cu75 = P_cuθ (T + 75) / (T + θ)。其中，P_cu75是校正到75摄氏度的铜耗，P_cuθ是试验温度θ下测得的铜耗，T是系数（铜导线为235，铝导线为225）。试验温度θ通常取绕组温度，可在试验前测量绕组直流电阻，通过电阻法推算其温度。

八、波形影响与频率校正的考量

       对于空载试验，若电源频率与额定频率有偏差，也需要对铁耗进行校正。因为铁耗中的涡流损耗分量与频率的平方成正比，磁滞损耗分量与频率的一次方成正比。严格的校正需要知道铁芯材料的特性，但通常情况下，若频率偏差不大（如在额定频率的±5%以内），可近似认为铁耗与频率的1.2至1.6次方成正比进行估算。精确测量应尽量使用额定频率的电源。

九、三相变压器的特殊接线：双瓦特表法的应用

       在进行三相变压器试验时，常采用双瓦特表法测量总功率。无论变压器绕组是星形连接还是三角形连接，也无论负载是否对称（试验时通常对称），只要接入正确，两个瓦特表读数的代数和就是三相总功率。接线需遵循“跨相”原则，确保电压线圈承受线电压，电流线圈通过线电流。正确识别功率的正负极性是获取准确读数的关键。

十、仪器仪表的精度选择与误差分析

       测量结果的可靠性直接依赖于仪器的精度。对于功率测量，应选用精度等级不低于0.5级的功率分析仪或瓦特表。电压互感器和电流互感器的精度等级也应匹配，通常选择0.2级或0.5级。试验前，应对整个测量系统进行校准，了解其系统误差。误差来源主要包括仪器的固有误差、互感器的比差和角差、接线误差以及读数误差等。

十一、数据分析与结果判定

       获得原始数据后，需进行严谨的分析。将空载试验测得的功率作为铁耗值，将短路试验测得的功率经过温度校正后作为额定电流下的铜耗值。将这些结果与变压器的技术协议、国家标准或出厂试验报告进行比对，判断其是否在允许的偏差范围内。若损耗值显著偏高，可能预示着铁芯材料不良、工艺缺陷（如片间短路）、或绕组存在局部过热等问题。

十二、现场测试与出厂试验的差异

       在变压器制造厂进行的出厂试验条件较为理想，电源质量好，环境可控。而在现场进行测试（如交接试验或预防性试验）时，往往会面临电源容量不足、波形畸变、背景干扰大等挑战。此时，可能需要采用特殊的电源（如发电机组）或滤波装置，并采取多次测量取平均值、屏蔽干扰等措施来提高测量结果的置信度。

十三、温升试验中的损耗验证

       变压器的温升试验也可以间接验证损耗测量的准确性。在温升试验中，通过施加总损耗（铁耗加铜耗）使变压器发热，测量其稳定温升。将实测温升与基于计算损耗的预期温升进行对比，若两者吻合较好，则从侧面证明了损耗测定的准确性。这是一种有效的交叉验证手段。

十四、针对特殊变压器的测试考量

       对于有载调压变压器、整流变压器等特殊类型的变压器，损耗测定可能需要额外的步骤。例如，有载调压变压器可能需要在不同分接位置分别测量损耗；整流变压器的负载电流波形非正弦，其附加损耗的计算和测量更为复杂，可能需要参照特定的标准或采用仿真计算辅助。

十五、测量技术的现代发展

       随着技术进步，数字化测量手段日益普及。高精度的数字功率分析仪能够直接显示电压、电流的真有效值、功率、功率因数乃至谐波含量，大大简化了数据记录和处理过程。一些先进的系统还能自动进行温度校正和结果判断，提高了测试效率和可靠性。

十六、测定工作的实践意义与价值

       精确测定三相变压器的铁耗和铜耗，远不止于满足标准要求。它是评估变压器能效等级（如中国能效标识等级）的基础，为用户选择高效节能产品提供依据。长期监测损耗变化，可以作为变压器状态检修的预警指标，例如铁耗的异常增加可能提示铁芯松动或片间绝缘损坏。此外，在电力系统经济运行时，准确的损耗数据是进行网损计算和优化调度的重要参数。

       综上所述，三相变压器铁耗与铜耗的测定是一项融合了理论深度与实践技巧的专业工作。从理解物理本质到周密准备，从规范操作到严谨分析，每一个环节都彰显着电气工程的专业性与精确性。掌握这套方法，就如同掌握了洞察变压器能效奥秘的钥匙，对于保障电力系统安全、经济、高效运行具有不可替代的价值。希望本文的详尽阐述，能为各位从业者在实际工作中提供切实有力的指引。