關于變壓器故障保護、節能分析的研究

DQZHAN訊：關于變壓器故障保護、節能分析的研究

變壓器是應用*廣泛的電力基礎設施，它的數量比較繁多，對于節能減排有十分重要的意義。提高建筑變壓器的性能、降低電能損耗是實現提高供電效率的重要工作，也是降低企業的成本、提高經濟效益的方法，本文主要闡述建筑配電器的節能技術的研究。

對變壓器的節能研究

一、建筑配電變壓器的損耗分析

建筑配電變壓器大多是雙繞組變壓器，電能損耗主要有有功功率損耗、無功功率損耗和綜合功率三種。有功功率損耗主要由變壓器鐵芯內部激勵電流引起磁通變化產生的空載損耗和負載電流在經過線圈產生的負載損耗組成;無功功率損耗一般是變壓器通過電磁感應的無功負載產生的損耗，遠遠大于有功功率損耗;綜合功率是由變壓器的有功功率損耗和因抵消無功功率是供電網產生的有功功率損耗之和。

二、建筑配電變壓器的節能措施

無功損耗可以通過低壓無功補償方式，減少線路損耗，提高功率因素，減少線路和變壓器的電壓損失，減少變壓器的銅耗和提高配電設備的供電能力;有功損耗分為鐵耗和銅耗兩種，鐵耗又叫空載損耗，其大小與鐵質材料有關，與負載大小無關，基本上是不變的。銅耗的大小與電流平方成正比，當負載電流為額定值時，將銅耗成為短路損耗。有功功率損耗可以表示為：△P=Po+β2Pk，△P：有功功率損耗，kW;Po變壓器空載損耗，kW;β變壓器負載率，%;Pk：變壓器短路損耗，kW。當Po=β2Pk時候，也就是銅耗和鐵耗向同時候，變壓器的損失率為*低。

(1)合理選擇建筑配電變壓器的型號。變壓器的鐵耗發生在變壓起到鐵芯內，是由交變的磁力線通過鐵芯產生的渦流帶來的損耗。在鐵芯中加入少量的硅和鋁可以增大鐵芯的導磁率和電阻率，降低渦流損耗。目前的變壓器基本上采用非晶態磁性材料作為變壓器的鐵芯材料，例如我國現在大規模使用的S1I型變壓器。由于現在生產廠商的技術水平的差異，生產的變壓器的性能參數不符合要求，尤其是空載損耗過大必將導致損耗過大，在安裝變壓器查看變壓器的性能參數是否滿足建筑內多用電要求，并做好耐壓絕緣處理。選用低損耗的變壓器是節能的基礎條件。

(2)合理配置變壓器。一般變壓器的空載和短路損耗之比大約為0.25～0.35之間，當變壓器的負載率在50%～70%之間，變壓器的運行效率*高。根據建筑用電量的需求計算出負荷的變化范圍，合理配置變壓器數量和容量，隨著變壓器容量的增大，節能效率也就越明顯，(變壓器的容量過大，負載率較低，不經濟劃算，如果電容率較小，電路處于過負荷運行，變壓器可能出現故障危及供電**)。這樣達到了提高運行效率和降低變壓器損耗的目的。

(3)正確合理地安裝變壓器。配電變壓器應該設置在建筑物用點的中心位置，隨著供電半徑的加大，在配電網中的電流也就越大，也就會加大損耗。盡量避免低壓長距離供電。例如在新建的水廠房應該將變壓器和配電中心安置在反沖洗泵房附近，滿足反沖洗水泵和鼓風機等主要用電設備的需求，同時可以將一些不能停電的電力設備的用電線路集中到一臺變壓器上裝用供電，不需要用電時候停用其他變壓器，有利于節電。

(4)優化變壓器的運行。一是合理調整變壓器的電壓。變壓器的空載損耗與通過電壓的平方成反比。一額定電壓下的損耗為基準，一定范圍內調節運行電壓，對不同負載率的總損耗的增加和減少是不同的。當變壓器處于空載運行，運行電壓會升高，空載損耗在所有損耗中的比例會增加，因此必須通過調整分接開關來降低輸入電壓，在不影響供電質量的前提下，降低空載消耗;在滿載狀態下，運行電壓必然會降低。二是調整三相負荷平衡。由于不平衡電流的存在，在增加變壓器損耗的同時加大了低壓線路的損耗。在三相負荷不平衡時，在低壓側會產生零序電流，而高壓側則沒有零序電流的產生，零序電流產生的零序磁通在變壓器內通過時發熱，增加損耗。主要表現形式為附加鐵損、附加銅損和線路損耗。三相電流不平衡程度越大，其零序電流也就越大，有功功率損耗越大。要及時調整負荷的接入方式，使變壓器的三相電流趨于平衡。

(5)增加無功補償提高功率因素。配電變壓器的效率不僅與有功功率的變化有關，還與功率因素的變化有關。功率因素較低時，變壓器的效率也就很低。根據電力學知識，對變壓器提供無功補償可以提高功率因素，大大減小了無功功率的傳輸，實現在變壓器上的損耗的降低。這種措施一般在功率因素較低時候才用。由于無功補償提高了變壓器的負載能力，還實現了輸電質量的提高。

(6)建筑物內用戶的節能。建筑內配電變壓器的節能不只是體現在變壓器的節能，還包括用戶節能，降低電壓在線路中的損耗，實現變壓器的功率損耗的降低。用戶使用節能用電設備，減少變壓器的負載，實現節能的目的。

數字智能變電站變壓器保護方案的探討

十二五規劃以來，智能電網越來越受到國家的重視，數字智能變電站作為智能電網的重要組成部分，賦予了傳統變電站新的活力。目前，我國已經熟練掌握110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等多個電壓等級的智能變電站建設。自2009年開始，我國開始在國內試點數字智能變電站;2012年開始進入了**建設智能變電站階段;計劃到2015年時，新建變電站的智能化達到40%左右，將10%的原有變電站改造成數字智能變電站。

1 變壓器保護系統概況

數字智能變電站較傳統電站而言，實現了利用電子通訊、人工智能技術對變電站進行一體化管理，并可以完成設備的故障診斷和決策分析等一系列功能，為電力系統的狀態評估診斷，太陽能風能的引入等提供了有力支撐。從系統構成來看，數字智能變電站可分為站控層、間隔層、過程層、間隔通訊網、過程通訊網，五個部分構成三層兩網的系統[4]。變壓器繼電保護系統是變電站繼電保護系統中的重要組成部分，通常是以微機為基礎的數字電路，其核心元件為CPU，軟件系統為實時處理程序。

2 變壓器故障診斷研究

在忽略變壓器損耗的情況下，由基爾霍夫定律可知，流入各個節點的電流應該保持矢量和恒為零，但變壓器內部存在故障說等于內部增加了一條故障支路，故障節點的電流矢量和不在為零，此時應對故障診斷。

智能變壓器的故障可分為內部故障和外部故障兩部分。內部故障指變壓器油箱內的故障，主要包括：相間短路、匝間短路、單相接地等故障;外部故障指絕緣套管和引出線上的故障。數字智能變壓器的內部故障診斷主要集中在暫態分析上，利用暫態分析變壓器內部故障的關鍵在于匝間短路漏感參數的確定。

3 變壓器繼電保護系統

3.1 主保護

數字智能變電站變壓器主保護分為差動保護和瓦斯保護兩種。由基爾霍夫定律，變壓器內部發生故障時差動電流很大，變壓器各側有電源時差動電流很小，當差動電流大于不平衡電流時，斷路器開路，保護啟動;變壓器外部發生故障時差動電流很小，不平衡電流大于差動電流，保護不啟動。因此，差動元件的動作電流一般要大于變壓器額定電流的4～8倍。

3.2 后備保護

數字智能變電站變壓器后備保護可分為復合電壓過流保護、零序過流保護、中性點間隙保護、過負荷保護四種[3]。微機保護采用無死區、記憶性正序電壓方向元件，來控制整個保護過程中的正方向。若此保護為相鄰元件的則正方向為變壓器指向母線;若為變壓器的后備保護，則正方向相反。復合電壓過流保護邏輯方框圖見圖1。

零序過流保護一般安裝在110kV以上的變壓器中性點位置，大型變壓器零序過流保護一般為三段保護，僅*后一段無方向性。中性點間隙保護一般應用在中性點不接地的變壓器中。過負荷保護一般分為發送警告信號、開啟冷卻風機、關閉有載調壓三步。

3.3 變電站現場調試

對傳統變電站變壓器進行改造，得到改造后的數字智能變壓器二次回路接線。現場調試過程中應注意對保護進行核實和測試，對帶開關傳動進行測試。保護動作時間是衡量保護裝置性能的重要指標，對改造后的系統進行保護動作時間測試，看其是否滿足要求。智能斷路器較傳統短路器而言，減少了一些中間環節，大大縮短了保護動作時間，使變壓器差動保護更迅速。

4 結語

數字智能變電站作為智能電網的重要組成部分，賦予了傳統變電站新的活力。其*大程度的降低了變壓器故障次數，減輕了集控人員的工作量。本文從數字智能變電站與傳統變電站的區別出發，首先對變壓器繼電保護系統的工作流程進行了介紹。確定變壓器匝間短路漏感參數的步驟，討論了差動保護的幾個局限性。隨后對變壓器繼電保護系統進行了探討，分析了數字智能變電站變壓器的主保護、后備保護和現場調試，希望對日后數字智能變電站的改造運行起到積極的作用。

變壓器的容量選擇與節能分析

電力變壓器的一次性投資和運行損耗方面，介紹了一個住宅小區正確選用變壓器的實例及其運行結果，闡明了合理選擇變壓器的容量對節能的重要性。

變壓器容量的選擇是變配電系統設計中一個關鍵問題，選取變壓器容量應考慮負荷的大小與性質，對平穩負荷供電的單臺變壓器，負荷率一般取85%左右;對晝夜或季節性波動較大的負荷供電的變壓器，應考慮其發展的可能性和運行的合理性;選取與變壓器配套的開關元件的可能性以及整體經濟效益。整體經濟效益中主要是考慮一次性投資費用和年運行費用。而一次性投資費用包括：變壓器的購置費、變壓器的增容費、與變壓器配套的高低壓開關柜及供電線路的投資費、施工費;年運行費用包括固定資產折舊費、維護費、修理費、變壓器固定電費和變壓器的電能損耗費等。

選取變壓器容量時，除考慮上述因素外，還應考慮變壓器的負載率β，對變壓器負載率β的選擇，不同性質的電力負荷允許不完全一樣。根據總結歸納，變壓器負載率β一般是0.7-0.85。實際上，各有關技術資料對于β的選取，是既考慮了綜合因素，同時又考慮了節能要求。

2000年物業開發某一住宅樓，變配電系統由設計院負責設計。設計方案為5臺1250KVA型號為S7電力變壓器作為供電電源。該方案出來以后，我經過多方面的負荷計算和分析，認為該方案不合理(容量預留太大)，會造成較大的經濟浪費。經計算后，我提出采用5臺800KVA的變壓器供電方案，把供電外網分成三段，中間加低壓母聯柜，冬季用電高峰時，可各自供電，到夏季用電低峰時，可切掉2臺變壓器，合上母聯柜，可形成一個整體的電網供電。*后領導和設計院都接受了此方案。我認為，在滿足用電的情況下，應盡量減少變壓器的容量，既選取負載率β較大的方案，兩種方案可作如下分析。

1、兩種方案的分析比較

(1)經計算，該小區電力設計負荷SJ=3400KVA，負載功率因數Cosψ=0.9，年負荷用電時間t=3600h。查S7型號1250KVA和800KVA變壓器的有關參數及購買價列于表1。

表中：Se—變壓器額定容量;

Po—變壓器的空載損耗;

Pke—變壓器的額定短路損耗;

Βo—變壓器*高效率時的負載率;

(2)兩個方案中：按5×1250kVA選取變壓器時，β=0.544;按5×800kVA選取變壓器時，β=0.85。

(3)變壓器電能損耗ΔA的計算。

單臺變壓器一年的電能損耗計算公式為：

ΔA=(Po×t+βo×Pke×τ)KWh

式中：ΔA—變壓器的電能損耗;

t—全年用電持續時間;

τ—年*大負荷損耗時間;

兩種方案一年的電能損耗ΔA列于表2

由此表可看出，β值越大，電能損耗越小。

(4)綜合經濟比較。為了便于比較，計算說明如下：1)變壓器折舊年限為25年，年平均折舊率為4%，年修理費為2%，年維護管理費為2.9%，合計年折舊費為8.9%;變壓器配套的高、低壓開關柜及供電線路折舊、維護、修理等不計;2)每臺變壓器固定電價按每月7.7元/kVA計;3)增容費按1000元/kVA計;4)用電量電價按該開發區當時的價格為0.52元/kWh計。

按各項經濟指標列表3：

從此表可以看出：費用是隨著變壓器容量的增加而明顯增加。

2、運行效果分析

該住宅小區供電系統采用5×800KVA變壓器供電后，運行效果一直良好，其主要表現為：

(1)設計時5臺變壓器并聯運行供電，在使用中可根據冬、夏負荷靈活決定用多少臺供電，減少變壓器空載損耗;

(2)負載率β多數時間在0.85左右，沒有發生過負荷和低負荷而浪費能源的現象;

(3)從經濟比較中可以看到，一次性投資節省了232.25萬元，每年節約運行費用27.07萬元。而變壓器配套的高、低壓開關柜及供電線路等費用都沒計算在內。

3、綜上所述，設計供電變壓器的容量既要滿足技術參數要求，也要符合實際情況，既保證供電的可靠性、**性，又要盡量節省一次性的費用投資。因此在各個小區綜合整治工程中，科學、合理設計小區供電變壓器容量，一定能給礦區事業部帶來良好的、持久的經濟效益，也能實現節能的效果。