DQZHAN訊：關(guān)于變壓器故障保護(hù)、節(jié)能分析的研究

變壓器是應(yīng)用*廣泛的電力基礎(chǔ)設(shè)施，它的數(shù)量比較繁多，對(duì)于節(jié)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(shí)現(xiàn)提高供電效率的重要工作，也是降低企業(yè)的成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的方法，本文主要闡述建筑配電器的節(jié)能技術(shù)的研究。

對(duì)變壓器的節(jié)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(wú)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(nèi)部激勵(lì)電流引起磁通變化產(chǎn)生的空載損耗和負(fù)載電流在經(jīng)過(guò)線圈產(chǎn)生的負(fù)載損耗組成;無(wú)功功率損耗一般是變壓器通過(guò)電磁感應(yīng)的無(wú)功負(fù)載產(chǎn)生的損耗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(wú)功功率是供電網(wǎng)產(chǎn)生的有功功率損耗之和。

二、建筑配電變壓器的節(jié)能措施

無(wú)功損耗可以通過(guò)低壓無(wú)功補(bǔ)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(shè)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(zhì)材料有關(guān)，與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，基本上是不變的。銅耗的大小與電流平方成正比，當(dāng)負(fù)載電流為額定值時(shí)，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(fù)載率，%;Pk：變壓器短路損耗，kW。當(dāng)Po=β2Pk時(shí)候，也就是銅耗和鐵耗向同時(shí)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(hào)。變壓器的鐵耗發(fā)生在變壓起到鐵芯內(nèi)，是由交變的磁力線通過(guò)鐵芯產(chǎn)生的渦流帶來(lái)的損耗。在鐵芯中加入少量的硅和鋁可以增大鐵芯的導(dǎo)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(tài)磁性材料作為變壓器的鐵芯材料，例如我國(guó)現(xiàn)在大規(guī)模使用的S1I型變壓器。由于現(xiàn)在生產(chǎn)廠商的技術(shù)水平的差異，生產(chǎn)的變壓器的性能參數(shù)不符合要求，尤其是空載損耗過(guò)大必將導(dǎo)致?lián)p耗過(guò)大，在安裝變壓器查看變壓器的性能參數(shù)是否滿足建筑內(nèi)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(jié)能的基礎(chǔ)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(dāng)變壓器的負(fù)載率在50%～70%之間，變壓器的運(yùn)行效率*高。根據(jù)建筑用電量的需求計(jì)算出負(fù)荷的變化范圍，合理配置變壓器數(shù)量和容量，隨著變壓器容量的增大，節(jié)能效率也就越明顯，(變壓器的容量過(guò)大，負(fù)載率較低，不經(jīng)濟(jì)劃算，如果電容率較小，電路處于過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，變壓器可能出現(xiàn)故障危及供電**)。這樣達(dá)到了提高運(yùn)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(yīng)該設(shè)置在建筑物用點(diǎn)的中心位置，隨著供電半徑的加大，在配電網(wǎng)中的電流也就越大，也就會(huì)加大損耗。盡量避免低壓長(zhǎng)距離供電。例如在新建的水廠房應(yīng)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(fēng)機(jī)等主要用電設(shè)備的需求，同時(shí)可以將一些不能停電的電力設(shè)備的用電線路集中到一臺(tái)變壓器上裝用供電，不需要用電時(shí)候停用其他變壓器，有利于節(jié)電。

(4)優(yōu)化變壓器的運(yùn)行。一是合理調(diào)整變壓器的電壓。變壓器的空載損耗與通過(guò)電壓的平方成反比。一額定電壓下的損耗為基準(zhǔn)，一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行電壓，對(duì)不同負(fù)載率的總損耗的增加和減少是不同的。當(dāng)變壓器處于空載運(yùn)行，運(yùn)行電壓會(huì)升高，空載損耗在所有損耗中的比例會(huì)增加，因此必須通過(guò)調(diào)整分接開關(guān)來(lái)降低輸入電壓，在不影響供電質(zhì)量的前提下，降低空載消耗;在滿載狀態(tài)下，運(yùn)行電壓必然會(huì)降低。二是調(diào)整三相負(fù)荷平衡。由于不平衡電流的存在，在增加變壓器損耗的同時(shí)加大了低壓線路的損耗。在三相負(fù)荷不平衡時(shí)，在低壓側(cè)會(huì)產(chǎn)生零序電流，而高壓側(cè)則沒有零序電流的產(chǎn)生，零序電流產(chǎn)生的零序磁通在變壓器內(nèi)通過(guò)時(shí)發(fā)熱，增加損耗。主要表現(xiàn)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(shí)調(diào)整負(fù)荷的接入方式，使變壓器的三相電流趨于平衡。

(5)增加無(wú)功補(bǔ)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(guān)，還與功率因素的變化有關(guān)。功率因素較低時(shí)，變壓器的效率也就很低。根據(jù)電力學(xué)知識(shí)，對(duì)變壓器提供無(wú)功補(bǔ)償可以提高功率因素，大大減小了無(wú)功功率的傳輸，實(shí)現(xiàn)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(shí)候才用。由于無(wú)功補(bǔ)償提高了變壓器的負(fù)載能力，還實(shí)現(xiàn)了輸電質(zhì)量的提高。

(6)建筑物內(nèi)用戶的節(jié)能。建筑內(nèi)配電變壓器的節(jié)能不只是體現(xiàn)在變壓器的節(jié)能，還包括用戶節(jié)能，降低電壓在線路中的損耗，實(shí)現(xiàn)變壓器的功率損耗的降低。用戶使用節(jié)能用電設(shè)備，減少變壓器的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

數(shù)字智能變電站變壓器保護(hù)方案的探討

十二五規(guī)劃以來(lái)，智能電網(wǎng)越來(lái)越受到國(guó)家的重視，數(shù)字智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，賦予了傳統(tǒng)變電站新的活力。目前，我國(guó)已經(jīng)熟練掌握110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等多個(gè)電壓等級(jí)的智能變電站建設(shè)。自2009年開始，我國(guó)開始在國(guó)內(nèi)試點(diǎn)數(shù)字智能變電站;2012年開始進(jìn)入了**建設(shè)智能變電站階段;計(jì)劃到2015年時(shí)，新建變電站的智能化達(dá)到40%左右，將10%的原有變電站改造成數(shù)字智能變電站。

1 變壓器保護(hù)系統(tǒng)概況

數(shù)字智能變電站較傳統(tǒng)電站而言，實(shí)現(xiàn)了利用電子通訊、人工智能技術(shù)對(duì)變電站進(jìn)行一體化管理，并可以完成設(shè)備的故障診斷和決策分析等一系列功能，為電力系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估診斷，太陽(yáng)能風(fēng)能的引入等提供了有力支撐。從系統(tǒng)構(gòu)成來(lái)看，數(shù)字智能變電站可分為站控層、間隔層、過(guò)程層、間隔通訊網(wǎng)、過(guò)程通訊網(wǎng)，五個(gè)部分構(gòu)成三層兩網(wǎng)的系統(tǒng)[4]。變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)是變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中的重要組成部分，通常是以微機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字電路，其核心元件為CPU，軟件系統(tǒng)為實(shí)時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)的電流應(yīng)該保持矢量和恒為零，但變壓器內(nèi)部存在故障說(shuō)等于內(nèi)部增加了一條故障支路，故障節(jié)點(diǎn)的電流矢量和不在為零，此時(shí)應(yīng)對(duì)故障診斷。

智能變壓器的故障可分為內(nèi)部故障和外部故障兩部分。內(nèi)部故障指變壓器油箱內(nèi)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(shù)字智能變壓器的內(nèi)部故障診斷主要集中在暫態(tài)分析上，利用暫態(tài)分析變壓器內(nèi)部故障的關(guān)鍵在于匝間短路漏感參數(shù)的確定。

3 變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)

3.1 主保護(hù)

數(shù)字智能變電站變壓器主保護(hù)分為差動(dòng)保護(hù)和瓦斯保護(hù)兩種。由基爾霍夫定律，變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)差動(dòng)電流很大，變壓器各側(cè)有電源時(shí)差動(dòng)電流很小，當(dāng)差動(dòng)電流大于不平衡電流時(shí)，斷路器開路，保護(hù)啟動(dòng);變壓器外部發(fā)生故障時(shí)差動(dòng)電流很小，不平衡電流大于差動(dòng)電流，保護(hù)不啟動(dòng)。因此，差動(dòng)元件的動(dòng)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(hù)

數(shù)字智能變電站變壓器后備保護(hù)可分為復(fù)合電壓過(guò)流保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)、中性點(diǎn)間隙保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)四種[3]。微機(jī)保護(hù)采用無(wú)死區(qū)、記憶性正序電壓方向元件，來(lái)控制整個(gè)保護(hù)過(guò)程中的正方向。若此保護(hù)為相鄰元件的則正方向?yàn)樽儔浩髦赶蚰妇€;若為變壓器的后備保護(hù)，則正方向相反。復(fù)合電壓過(guò)流保護(hù)邏輯方框圖見圖1。

零序過(guò)流保護(hù)一般安裝在110kV以上的變壓器中性點(diǎn)位置，大型變壓器零序過(guò)流保護(hù)一般為三段保護(hù)，僅*后一段無(wú)方向性。中性點(diǎn)間隙保護(hù)一般應(yīng)用在中性點(diǎn)不接地的變壓器中。過(guò)負(fù)荷保護(hù)一般分為發(fā)送警告信號(hào)、開啟冷卻風(fēng)機(jī)、關(guān)閉有載調(diào)壓三步。

3.3 變電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

對(duì)傳統(tǒng)變電站變壓器進(jìn)行改造，得到改造后的數(shù)字智能變壓器二次回路接線?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)保護(hù)進(jìn)行核實(shí)和測(cè)試，對(duì)帶開關(guān)傳動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。保護(hù)動(dòng)作時(shí)間是衡量保護(hù)裝置性能的重要指標(biāo)，對(duì)改造后的系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作時(shí)間測(cè)試，看其是否滿足要求。智能斷路器較傳統(tǒng)短路器而言，減少了一些中間環(huán)節(jié)，大大縮短了保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，使變壓器差動(dòng)保護(hù)更迅速。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，賦予了傳統(tǒng)變電站新的活力。其*大程度的降低了變壓器故障次數(shù)，減輕了集控人員的工作量。本文從數(shù)字智能變電站與傳統(tǒng)變電站的區(qū)別出發(fā)，首先對(duì)變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行了介紹。確定變壓器匝間短路漏感參數(shù)的步驟，討論了差動(dòng)保護(hù)的幾個(gè)局限性。隨后對(duì)變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了探討，分析了數(shù)字智能變電站變壓器的主保護(hù)、后備保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，希望對(duì)日后數(shù)字智能變電站的改造運(yùn)行起到積極的作用。

變壓器的容量選擇與節(jié)能分析

電力變壓器的一次性投資和運(yùn)行損耗方面，介紹了一個(gè)住宅小區(qū)正確選用變壓器的實(shí)例及其運(yùn)行結(jié)果，闡明了合理選擇變壓器的容量對(duì)節(jié)能的重要性。

變壓器容量的選擇是變配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵問題，選取變壓器容量應(yīng)考慮負(fù)荷的大小與性質(zhì)，對(duì)平穩(wěn)負(fù)荷供電的單臺(tái)變壓器，負(fù)荷率一般取85%左右;對(duì)晝夜或季節(jié)性波動(dòng)較大的負(fù)荷供電的變壓器，應(yīng)考慮其發(fā)展的可能性和運(yùn)行的合理性;選取與變壓器配套的開關(guān)元件的可能性以及整體經(jīng)濟(jì)效益。整體經(jīng)濟(jì)效益中主要是考慮一次性投資費(fèi)用和年運(yùn)行費(fèi)用。而一次性投資費(fèi)用包括：變壓器的購(gòu)置費(fèi)、變壓器的增容費(fèi)、與變壓器配套的高低壓開關(guān)柜及供電線路的投資費(fèi)、施工費(fèi);年運(yùn)行費(fèi)用包括固定資產(chǎn)折舊費(fèi)、維護(hù)費(fèi)、修理費(fèi)、變壓器固定電費(fèi)和變壓器的電能損耗費(fèi)等。

選取變壓器容量時(shí)，除考慮上述因素外，還應(yīng)考慮變壓器的負(fù)載率β，對(duì)變壓器負(fù)載率β的選擇，不同性質(zhì)的電力負(fù)荷允許不完全一樣。根據(jù)總結(jié)歸納，變壓器負(fù)載率β一般是0.7-0.85。實(shí)際上，各有關(guān)技術(shù)資料對(duì)于β的選取，是既考慮了綜合因素，同時(shí)又考慮了節(jié)能要求。

2000年物業(yè)開發(fā)某一住宅樓，變配電系統(tǒng)由設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案為5臺(tái)1250KVA型號(hào)為S7電力變壓器作為供電電源。該方案出來(lái)以后，我經(jīng)過(guò)多方面的負(fù)荷計(jì)算和分析，認(rèn)為該方案不合理(容量預(yù)留太大)，會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。經(jīng)計(jì)算后，我提出采用5臺(tái)800KVA的變壓器供電方案，把供電外網(wǎng)分成三段，中間加低壓母聯(lián)柜，冬季用電高峰時(shí)，可各自供電，到夏季用電低峰時(shí)，可切掉2臺(tái)變壓器，合上母聯(lián)柜，可形成一個(gè)整體的電網(wǎng)供電。*后領(lǐng)導(dǎo)和設(shè)計(jì)院都接受了此方案。我認(rèn)為，在滿足用電的情況下，應(yīng)盡量減少變壓器的容量，既選取負(fù)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(jīng)計(jì)算，該小區(qū)電力設(shè)計(jì)負(fù)荷SJ=3400KVA，負(fù)載功率因數(shù)Cosψ=0.9，年負(fù)荷用電時(shí)間t=3600h。查S7型號(hào)1250KVA和800KVA變壓器的有關(guān)參數(shù)及購(gòu)買價(jià)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(shí)的負(fù)載率;

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

(3)變壓器電能損耗ΔA的計(jì)算。

單臺(tái)變壓器一年的電能損耗計(jì)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(xù)時(shí)間;

τ—年*大負(fù)荷損耗時(shí)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(jīng)濟(jì)比較。為了便于比較，計(jì)算說(shuō)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(fèi)為2%，年維護(hù)管理費(fèi)為2.9%，合計(jì)年折舊費(fèi)為8.9%;變壓器配套的高、低壓開關(guān)柜及供電線路折舊、維護(hù)、修理等不計(jì);2)每臺(tái)變壓器固定電價(jià)按每月7.7元/kVA計(jì);3)增容費(fèi)按1000元/kVA計(jì);4)用電量電價(jià)按該開發(fā)區(qū)當(dāng)時(shí)的價(jià)格為0.52元/kWh計(jì)。

按各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)列表3：

從此表可以看出：費(fèi)用是隨著變壓器容量的增加而明顯增加。

2、運(yùn)行效果分析

該住宅小區(qū)供電系統(tǒng)采用5×800KVA變壓器供電后，運(yùn)行效果一直良好，其主要表現(xiàn)為：

(1)設(shè)計(jì)時(shí)5臺(tái)變壓器并聯(lián)運(yùn)行供電，在使用中可根據(jù)冬、夏負(fù)荷靈活決定用多少臺(tái)供電，減少變壓器空載損耗;

(2)負(fù)載率β多數(shù)時(shí)間在0.85左右，沒有發(fā)生過(guò)負(fù)荷和低負(fù)荷而浪費(fèi)能源的現(xiàn)象;

(3)從經(jīng)濟(jì)比較中可以看到，一次性投資節(jié)省了232.25萬(wàn)元，每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用27.07萬(wàn)元。而變壓器配套的高、低壓開關(guān)柜及供電線路等費(fèi)用都沒計(jì)算在內(nèi)。

3、綜上所述，設(shè)計(jì)供電變壓器的容量既要滿足技術(shù)參數(shù)要求，也要符合實(shí)際情況，既保證供電的可靠性、**性，又要盡量節(jié)省一次性的費(fèi)用投資。因此在各個(gè)小區(qū)綜合整治工程中，科學(xué)、合理設(shè)計(jì)小區(qū)供電變壓器容量，一定能給礦區(qū)事業(yè)部帶來(lái)良好的、持久的經(jīng)濟(jì)效益，也能實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果。