关于变压器故障保护、节能分析的研究

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变压器是应用最广泛的电力基础设施，它的数量比较繁多，对于节能减排有十分重要的意义。提高建筑变压器的性能、降低电能损耗是实现提高供电效率的重要工作，也是降低企业的成本、提高经济效益的方法，本文主要阐述建筑配电器的节能技术的研究。

对变压器的节能研究

一、建筑配电变压器的损耗分析

建筑配电变压器大多是双绕组变压器，电能损耗主要有有功功率损耗、无功功率损耗和综合功率三种。有功功率损耗主要由变压器铁芯内部激励电流引起磁通变化产生的空载损耗和负载电流在经过线圈产生的负载损耗组成;无功功率损耗一般是变压器通过电磁感应的无功负载产生的损耗，远远大于有功功率损耗;综合功率是由变压器的有功功率损耗和因抵消无功功率是供电网产生的有功功率损耗之和。

二、建筑配电变压器的节能措施

无功损耗可以通过低压无功补偿方式，减少线路损耗，提高功率因素，减少线路和变压器的电压损失，减少变压器的铜耗和提高配电设备的供电能力;有功损耗分为铁耗和铜耗两种，铁耗又叫空载损耗，其大小与铁质材料有关，与负载大小无关，基本上是不变的。铜耗的大小与电流平方成正比，当负载电流为额定值时，将铜耗成为短路损耗。有功功率损耗可以表示为：△P=Po+β2Pk，△P：有功功率损耗，kW;Po变压器空载损耗，kW;β变压器负载率，%;Pk：变压器短路损耗，kW。当Po=β2Pk时候，也就是铜耗和铁耗向同时候，变压器的损失率为最低。

(1)合理选择建筑配电变压器的型号。变压器的铁耗发生在变压起到铁芯内，是由交变的磁力线通过铁芯产生的涡流带来的损耗。在铁芯中加入少量的硅和铝可以增大铁芯的导磁率和电阻率，降低涡流损耗。目前的变压器基本上采用非晶态磁性材料作为变压器的铁芯材料，例如我国现在大规模使用的S1I型变压器。由于现在生产厂商的技术水平的差异，生产的变压器的性能参数不符合要求，尤其是空载损耗过大必将导致损耗过大，在安装变压器查看变压器的性能参数是否满足建筑内多用电要求，并做好耐压绝缘处理。选用低损耗的变压器是节能的基础条件。

(2)合理配置变压器。一般变压器的空载和短路损耗之比大约为0.25～0.35之间，当变压器的负载率在50%～70%之间，变压器的运行效率最高。根据建筑用电量的需求计算出负荷的变化范围，合理配置变压器数量和容量，随着变压器容量的增大，节能效率也就越明显，(变压器的容量过大，负载率较低，不经济划算，如果电容率较小，电路处于过负荷运行，变压器可能出现故障危及供电安全)。这样达到了提高运行效率和降低变压器损耗的目的。

(3)正确合理地安装变压器。配电变压器应该设置在建筑物用点的中心位置，随着供电半径的加大，在配电网中的电流也就越大，也就会加大损耗。尽量避免低压长距离供电。例如在新建的水厂房应该将变压器和配电中心安置在反冲洗泵房附近，满足反冲洗水泵和鼓风机等主要用电设备的需求，同时可以将一些不能停电的电力设备的用电线路集中到一台变压器上装用供电，不需要用电时候停用其他变压器，有利于节电。

(4)优化变压器的运行。一是合理调整变压器的电压。变压器的空载损耗与通过电压的平方成反比。一额定电压下的损耗为基准，一定范围内调节运行电压，对不同负载率的总损耗的增加和减少是不同的。当变压器处于空载运行，运行电压会升高，空载损耗在所有损耗中的比例会增加，因此必须通过调整分接开关来降低输入电压，在不影响供电质量的前提下，降低空载消耗;在满载状态下，运行电压必然会降低。二是调整三相负荷平衡。由于不平衡电流的存在，在增加变压器损耗的同时加大了低压线路的损耗。在三相负荷不平衡时，在低压侧会产生零序电流，而高压侧则没有零序电流的产生，零序电流产生的零序磁通在变压器内通过时发热，增加损耗。主要表现形式为附加铁损、附加铜损和线路损耗。三相电流不平衡程度越大，其零序电流也就越大，有功功率损耗越大。要及时调整负荷的接入方式，使变压器的三相电流趋于平衡。

(5)增加无功补偿提高功率因素。配电变压器的效率不仅与有功功率的变化有关，还与功率因素的变化有关。功率因素较低时，变压器的效率也就很低。根据电力学知识，对变压器提供无功补偿可以提高功率因素，大大减小了无功功率的传输，实现在变压器上的损耗的降低。这种措施一般在功率因素较低时候才用。由于无功补偿提高了变压器的负载能力，还实现了输电质量的提高。

(6)建筑物内用户的节能。建筑内配电变压器的节能不只是体现在变压器的节能，还包括用户节能，降低电压在线路中的损耗，实现变压器的功率损耗的降低。用户使用节能用电设备，减少变压器的负载，实现节能的目的。十二五规划以来，智能电网越来越受到国家的重视，数字智能变电站作为智能电网的重要组成部分，赋予了传统变电站新的活力。目前，我国已经熟练掌握110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等多个电压等级的智能变电站建设。自2009年开始，我国开始在国内试点数字智能变电站;2012年开始进入了全面建设智能变电站阶段;计划到2015年时，新建变电站的智能化达到40%左右，将10%的原有变电站改造成数字智能变电站。

1 变压器保护系统概况

数字智能变电站较传统电站而言，实现了利用电子通讯、人工智能技术对变电站进行一体化管理，并可以完成设备的故障诊断和决策分析等一系列功能，为电力系统的状态评估诊断，太阳能风能的引入等提供了有力支撑。从系统构成来看，数字智能变电站可分为站控层、间隔层、过程层、间隔通讯网、过程通讯网，五个部分构成三层两网的系统[4]。变压器继电保护系统是变电站继电保护系统中的重要组成部分，通常是以微机为基础的数字电路，其核心元件为CPU，软件系统为实时处理程序。

2 变压器故障诊断研究

在忽略变压器损耗的情况下，由基尔霍夫定律可知，流入各个节点的电流应该保持矢量和恒为零，但变压器内部存在故障说等于内部增加了一条故障支路，故障节点的电流矢量和不在为零，此时应对故障诊断。

智能变压器的故障可分为内部故障和外部故障两部分。内部故障指变压器油箱内的故障，主要包括：相间短路、匝间短路、单相接地等故障;外部故障指绝缘套管和引出线上的故障。数字智能变压器的内部故障诊断主要集中在暂态分析上，利用暂态分析变压器内部故障的关键在于匝间短路漏感参数的确定。

3 变压器继电保护系统

3.1 主保护

数字智能变电站变压器主保护分为差动保护和瓦斯保护两种。由基尔霍夫定律，变压器内部发生故障时差动电流很大，变压器各侧有电源时差动电流很小，当差动电流大于不平衡电流时，断路器开路，保护启动;变压器外部发生故障时差动电流很小，不平衡电流大于差动电流，保护不启动。因此，差动元件的动作电流一般要大于变压器额定电流的4～8倍。

3.2 后备保护

数字智能变电站变压器后备保护可分为复合电压过流保护、零序过流保护、中性点间隙保护、过负荷保护四种[3]。微机保护采用无死区、记忆性正序电压方向元件，来控制整个保护过程中的正方向。若此保护为相邻元件的则正方向为变压器指向母线;若为变压器的后备保护，则正方向相反。复合电压过流保护逻辑方框图见图1。

零序过流保护一般安装在110kV以上的变压器中性点位置，大型变压器零序过流保护一般为三段保护，仅最后一段无方向性。中性点间隙保护一般应用在中性点不接地的变压器中。过负荷保护一般分为发送警告信号、开启冷却风机、关闭有载调压三步。

3.3 变电站现场调试

对传统变电站变压器进行改造，得到改造后的数字智能变压器二次回路接线。现场调试过程中应注意对保护进行核实和测试，对带开关传动进行测试。保护动作时间是衡量保护装置性能的重要指标，对改造后的系统进行保护动作时间测试，看其是否满足要求。智能断路器较传统短路器而言，减少了一些中间环节，大大缩短了保护动作时间，使变压器差动保护更迅速。

4 结语

数字智能变电站作为智能电网的重要组成部分，赋予了传统变电站新的活力。其最大程度的降低了变压器故障次数，减轻了集控人员的工作量。本文从数字智能变电站与传统变电站的区别出发，首先对变压器继电保护系统的工作流程进行了介绍。确定变压器匝间短路漏感参数的步骤，讨论了差动保护的几个局限性。随后对变压器继电保护系统进行了探讨，分析了数字智能变电站变压器的主保护、后备保护和现场调试，希望对日后数字智能变电站的改造运行起到积极的作用。

变压器的容量选择与节能分析

电力变压器的一次性投资和运行损耗方面，介绍了一个住宅小区正确选用变压器的实例及其运行结果，阐明了合理选择变压器的容量对节能的重要性。

变压器容量的选择是变配电系统设计中一个关键问题，选取变压器容量应考虑负荷的大小与性质，对平稳负荷供电的单台变压器，负荷率一般取85%左右;对昼夜或季节性波动较大的负荷供电的变压器，应考虑其发展的可能性和运行的合理性;选取与变压器配套的开关元件的可能性以及整体经济效益。整体经济效益中主要是考虑一次性投资费用和年运行费用。而一次性投资费用包括：变压器的购置费、变压器的增容费、与变压器配套的高低压开关柜及供电线路的投资费、施工费;年运行费用包括固定资产折旧费、维护费、修理费、变压器固定电费和变压器的电能损耗费等。

选取变压器容量时，除考虑上述因素外，还应考虑变压器的负载率β，对变压器负载率β的选择，不同性质的电力负荷允许不完全一样。根据总结归纳，变压器负载率β一般是0.7-0.85。实际上，各有关技术资料对于β的选取，是既考虑了综合因素，同时又考虑了节能要求。

2000年物业开发某一住宅楼，变配电系统由设计院负责设计。设计方案为5台1250KVA型号为S7电力变压器作为供电电源。该方案出来以后，我经过多方面的负荷计算和分析，认为该方案不合理(容量预留太大)，会造成较大的经济浪费。经计算后，我提出采用5台800KVA的变压器供电方案，把供电外网分成三段，中间加低压母联柜，冬季用电高峰时，可各自供电，到夏季用电低峰时，可切掉2台变压器，合上母联柜，可形成一个整体的电网供电。最后领导和设计院都接受了此方案。我认为，在满足用电的情况下，应尽量减少变压器的容量，既选取负载率β较大的方案，两种方案可作如下分析。

1、两种方案的分析比较

(1)经计算，该小区电力设计负荷SJ=3400KVA，负载功率因数Cosψ=0.9，年负荷用电时间t=3600h。查S7型号1250KVA和800KVA变压器的有关参数及购买价列于表1。

表中：Se—变压器额定容量;

Po—变压器的空载损耗;

Pke—变压器的额定短路损耗;

Βo—变压器最高效率时的负载率;

(2)两个方案中：按5×1250kVA选取变压器时，β=0.544;按5×800kVA选取变压器时，β=0.85。

(3)变压器电能损耗ΔA的计算。

单台变压器一年的电能损耗计算公式为：

ΔA=(Po×t+βo×Pke×τ)KWh

式中：ΔA—变压器的电能损耗;
t—全年用电持续时间;

τ—年最大负荷损耗时间;

两种方案一年的电能损耗ΔA列于表2

由此表可看出，β值越大，电能损耗越小。

(4)综合经济比较。为了便于比较，计算说明如下：1)变压器折旧年限为25年，年平均折旧率为4%，年修理费为2%，年维护管理费为2.9%，合计年折旧费为8.9%;变压器配套的高、低压开关柜及供电线路折旧、维护、修理等不计;2)每台变压器固定电价按每月7.7元/kVA计;3)增容费按1000元/kVA计;4)用电量电价按该开发区当时的价格为0.52元/kWh计。

按各项经济指标列表3：

从此表可以看出：费用是随着变压器容量的增加而明显增加。

2、运行效果分析

该住宅小区供电系统采用5×800KVA变压器供电后，运行效果一直良好，其主要表现为：

(1)设计时5台变压器并联运行供电，在使用中可根据冬、夏负荷灵活决定用多少台供电，减少变压器空载损耗;

(2)负载率β多数时间在0.85左右，没有发生过负荷和低负荷而浪费能源的现象;

(3)从经济比较中可以看到，一次性投资节省了232.25万元，每年节约运行费用27.07万元。而变压器配套的高、低压开关柜及供电线路等费用都没计算在内。

3、综上所述，设计供电变压器的容量既要满足技术参数要求，也要符合实际情况，既保证供电的可靠性、安全性，又要尽量节省一次性的费用投资。因此在各个小区综合整治工程中，科学、合理设计小区供电变压器容量，一定能给矿区事业部带来良好的、持久的经济效益，也能实现节能的效果。

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