主變壓器變損率對電氣設(shè)備潛在性故障的預(yù)判特性

王義平

(守正招標(biāo)有限公司，廣東 深圳 518023)

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主變壓器變損率對電氣設(shè)備潛在性故障的預(yù)判特性

王義平

(守正招標(biāo)有限公司，廣東 深圳 518023)

摘要：300 MW、600 MW等大中型單元式接線的發(fā)電機(jī)-變壓器組電氣設(shè)備和二次回路的潛在性故障，在告警和跳閘之前難以被發(fā)現(xiàn)，而主變壓器變損率計(jì)算數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性對該類故障表現(xiàn)敏感。研究表明，主變壓器正常運(yùn)行時，變損率與其平均負(fù)載系數(shù)的正相關(guān)性較弱，當(dāng)主變壓器日平均負(fù)載系數(shù)為0.6～1.0時，其變損率趨近于某個固有常數(shù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)-變壓器組電氣設(shè)備和二次回路故障，如電能表、電壓互感器、電流互感器、熔斷器和二次回路等發(fā)生非突發(fā)性異常，主變壓器變損率的計(jì)算值將大幅度變化，與正常運(yùn)行時的固有常數(shù)形成明顯偏差。發(fā)電企業(yè)可據(jù)此特性，統(tǒng)計(jì)和分析各主變壓器的變損率計(jì)算值，監(jiān)測電氣設(shè)備和二次回路的狀態(tài)，預(yù)判其異常和故障。

關(guān)鍵詞：變損率；電能表；電壓互感器；電流互感器；二次回路；計(jì)量誤差

變壓器的綜合功率損耗是變壓器運(yùn)行效率的一項(xiàng)重要指標(biāo)，包含有功功率損耗和因無功功率消耗使其受電網(wǎng)增加的有功功率損耗之和。GB/T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》定義：變壓器綜合功率損耗率(以下簡稱“變損率”)為綜合功率損耗與其輸入的有功功率之比的百分?jǐn)?shù)[1-2]。一直以來，變壓器的損耗率習(xí)慣性被認(rèn)為僅與變壓器設(shè)備相關(guān)，但是在單元式接線的發(fā)電企業(yè)中，主變壓器(以下簡稱“主變”)低壓側(cè)無直接計(jì)量裝置，主變變損率采用間接計(jì)算方式，其準(zhǔn)確性涉及主變、發(fā)電機(jī)、高壓廠用變壓器(以下簡稱“高廠變”)、勵磁變壓器等電能計(jì)量裝置狀態(tài)。

1變損率的特點(diǎn)

根據(jù)GB/T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》，變損率[2]

(1)

式中：Se為變壓器視在功率；P0為空載損耗；PK為負(fù)載損耗；cosθ為變壓器輸入功率因數(shù)；β為平均負(fù)載系數(shù)，即一定時間內(nèi)，變壓器平均輸出的視在功率與額定容量之比。

從式(1)可以看出，變損率ε與平均負(fù)載系數(shù)β呈對勾函數(shù)關(guān)系。根據(jù)GB/T6541—2008《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》[3]，選擇發(fā)電企業(yè)兩種典型的300MW、600MW機(jī)組所配置的雙繞組主變相關(guān)參數(shù)，見表1。

表1兩種典型規(guī)格的主變參數(shù)

額定容量/MVA電壓/kV高壓低壓聯(lián)接組標(biāo)號空載損耗/kW負(fù)載損耗/kW備注360242*20YNd11774774三相、無勵磁720(3×240)5503*24Ii03×4603×460單相、無勵磁

注：*高壓的分接范圍為±2×2.5%。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，取主變輸入側(cè)功率因數(shù)上、下限值分別為cosθ=1.0、cosθ=0.9，代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，變損率ε與平均負(fù)載系數(shù)β的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1　主變損耗率與平均負(fù)載系數(shù)的關(guān)系曲線

從圖1可以看出，當(dāng)0.6≤β≤1.0時，變損率變化相對平穩(wěn)，與平均負(fù)載系數(shù)呈微弱正性相關(guān)。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，實(shí)時負(fù)載率存在一定范圍的波動，但平均負(fù)載系數(shù)β波動相對變小，主變變損率的變化范圍同步變小，因此變損率ε也可表達(dá)為某固定常數(shù)C與微量波動量A的組合形式，即

(2)

2變損率在發(fā)電企業(yè)的計(jì)算方式

發(fā)電企業(yè)的發(fā)電量每日都有變化，因此每日的平均負(fù)載系數(shù)β均有不同。正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，在相鄰時間段內(nèi)，可能會出現(xiàn)負(fù)荷的大幅度波動。

式(1)為理論公式，發(fā)電企業(yè)通常以電量替代功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。主變損耗屬于廠用電的一部分，計(jì)入發(fā)電企業(yè)的綜合廠用電量中。主變常見的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包含每日的有功電能損耗(簡稱“變損”)和變損率，每日的變損為主變進(jìn)出電能之差，而變損率可定義為一個時段Δt內(nèi)(每日、每周或每月)主變輸入和輸出電能差值與輸入電能的比值，即

(3)

式中：E為主變損耗；P為主變輸入功率；Wi為輸入電量；Wo為輸出電量。

在發(fā)電企業(yè)中，主變輸入電量一般為低壓側(cè)電量，且常規(guī)設(shè)計(jì)未在主變低壓側(cè)配置電能表，因此低壓側(cè)的電量無法直接計(jì)量，通常采用發(fā)電量與廠用電差值來代替。為了現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)的方便，在變損率計(jì)算中，通常采用主變高壓側(cè)電量代替主變輸入電量作為計(jì)算基數(shù)，因此常規(guī)單元式接線的雙繞組主變變損率

(4)

式中：WG為發(fā)電量；WH為主變高壓側(cè)電量；WHH為高廠變高壓側(cè)電量；WR為其他電量。

主變變損率的統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)際是主變的進(jìn)出電能平衡計(jì)算[4]。當(dāng)前大型變壓器的效率較高，從圖1的曲線也可以看出，主變平均負(fù)載系數(shù)在有限范圍內(nèi)變化時，變損率理論上是一個趨近于零的微正向百分?jǐn)?shù)。

3影響變損率的因素

發(fā)電企業(yè)主變變損率的變化趨勢穩(wěn)定、趨近于零的特點(diǎn)，是以各項(xiàng)電量(包括發(fā)電量、主變高壓側(cè)電量、高廠變高壓側(cè)電量和其他電量)統(tǒng)計(jì)正確為前提條件，而每項(xiàng)電量數(shù)據(jù)的形成，則由多個獨(dú)立的電氣設(shè)備和回路(簡稱“計(jì)量元素”)綜合協(xié)調(diào)完成，影響變損率計(jì)算的計(jì)量元素包括電能表、電壓互感器、電流互感器、二次回路及其他原因[5-8]。

構(gòu)成主變變損率計(jì)算的計(jì)量元素包括很多電氣設(shè)備和二次回路，而每個計(jì)量元素的常見故障及出現(xiàn)的概率也各有不同，詳見表2。如果計(jì)量元素出現(xiàn)表2中任意一種異?；蛘吖收?，式(4)中各電量統(tǒng)計(jì)將會出現(xiàn)異常，直接導(dǎo)致主變的變損率出現(xiàn)大幅度波動，可能正向變大或者變?yōu)樨?fù)值，與各計(jì)量元素均正常時的變損率數(shù)據(jù)對比，變化非常明顯，這也使主變的變損率具有高靈敏度的特點(diǎn)。

表2各計(jì)量元素及常見故障表

計(jì)量元素常規(guī)故障現(xiàn)象描述電能表誤差超標(biāo);外接電源失去,轉(zhuǎn)為電壓互感器二次繞組供電運(yùn)行電壓互感器一次回路熔斷器故障;誤差(比差、角差)超標(biāo);匝間短路、斷線以及接地不良等電流互感器匝間短路;誤差(比差、角差)超標(biāo);二次回路分流電能表接線回路接線松動;接線錯誤電壓互感器二次回路誤使用非計(jì)量繞組;二次負(fù)載過大;二次回路異常電量采集裝置裝置故障;通信異常其他原因電能表定期現(xiàn)場校驗(yàn);誤操作導(dǎo)致電壓互感器二次回路空氣開關(guān)跳閘;倒閘操作時,電壓切換繼電器異常

4影響變損率突變的案例

4.1電能表誤差超標(biāo)

某2×300 MW發(fā)電廠2012年3月7—23日電量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1號主變變損率呈現(xiàn)增大的趨勢。該廠發(fā)電機(jī)和主變高壓側(cè)電能表均為主、副冗余配置，電能表型號為某款A(yù)1800型，精度等級0.2S，主、副兩塊電能表使用相同的電壓互感器、電流互感器和二次回路。在1號主變變損率統(tǒng)計(jì)中，一直使用主表數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在本次發(fā)現(xiàn)變損率異常期間，如果選擇副表的數(shù)據(jù)計(jì)算，則變損率始終趨于平穩(wěn)，如圖2所示。后對主表進(jìn)行現(xiàn)場校驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室檢定，結(jié)果表明主表的誤差超標(biāo)。

圖2　主、副電能表計(jì)算的1號主變變損率

4.2電壓互感器異常

某3×200 MW電廠2006年10月1—11日電量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：2號主變變損率出現(xiàn)大幅度下降，該期間電網(wǎng)對2號機(jī)組調(diào)停了6天，在調(diào)停前2號主變的變損率相對穩(wěn)定，但長期低于1號主變的變損率(同類型機(jī)組模式)，2號主變變損率變化趨勢如圖3所示。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)：2號發(fā)電機(jī)、2號高廠變電能表中顯示的二次電壓不平衡，UV相線電壓為100.2 V；VW相線電壓為98.9 V，測量W相電壓比U、V兩相小約1.6 V。最后確認(rèn)2號發(fā)電機(jī)W相出口處用于計(jì)量的電壓互感器一次側(cè)末端接地不良，運(yùn)行狀態(tài)下其末端對地電壓約為220 V。在故障處理后，2號主變的變損率恢復(fù)了穩(wěn)定，并與1號主變的變損率相近。經(jīng)過故障處理前后的變損率數(shù)據(jù)對比可以看出，該故障可能已經(jīng)存在很長時間，但具有隱蔽性。

圖3　2號主變停運(yùn)前、后的變損率變化

4.3電流互感器二次回路分流

2007年6月，某3×200 MW電廠2號機(jī)組大修前后的電量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2號主變大修前的變損率為0.50%～0.60%，大修后升高到1.2%～1.4%。該廠高壓脫硫變壓器(以下簡稱“脫硫變”)和高廠變的高壓側(cè)均連接于發(fā)電機(jī)出口母線。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)：脫硫變高壓側(cè)W相升高座的電流互感器二次接線盒內(nèi)，用于計(jì)量的二次繞組3S1、3S2接線柱上搭接了一根非常細(xì)的銅絲，運(yùn)行中該銅絲對電流互感器二次電流產(chǎn)生了分流作用，導(dǎo)致脫硫變電能計(jì)量偏小。脫硫變在機(jī)組大修期間，進(jìn)行了介質(zhì)損耗測試等高壓預(yù)防性試驗(yàn)，經(jīng)分析和材質(zhì)對比，確認(rèn)該銅絲為試驗(yàn)人員短接升高座內(nèi)電流互感器二次繞組后所遺留。

4.4電能表接線松動

某3×200 MW電廠2007年8月16—18日電量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1號主變16—18日的變損率持續(xù)大幅度降低。1號機(jī)組在8月15日開機(jī)前，由電網(wǎng)調(diào)停了13天，停運(yùn)前的變損率數(shù)據(jù)穩(wěn)定在0.50%～0.60%。根據(jù)1號發(fā)電機(jī)主、副電能表的顯示數(shù)據(jù)，UV相線電壓為97.2 V，VW相線電壓為99.5 V。經(jīng)過仔細(xì)排查，最后確認(rèn)1號發(fā)電機(jī)電能表屏柜內(nèi)的電壓回路中接線端子松動，經(jīng)處理后UV相線電壓恢復(fù)至99.3 V，變損率恢復(fù)正常。

4.5電壓互感器二次回路壓降超標(biāo)

a)2009年6—10月，某2×600 MW電廠電量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)1號主變的變損率較大，達(dá)到0.7%～1.1%，高于2號主變的0.2%～0.4%，且數(shù)據(jù)波動的幅度較大，如圖4所示。對各計(jì)量元素檢測發(fā)現(xiàn)，該廠220 kVⅠ母、Ⅱ母(1號、2號主變高壓側(cè)連接母線)的電壓互感器二次繞組(用于計(jì)量)的壓降均超標(biāo)。

圖4　1號、2號主變2009年6—10月的變損率對比

b)2011年7—10月，在發(fā)電負(fù)荷無大幅度變化的情況下，某2×660 MW發(fā)電廠2號機(jī)組大修前主變損耗率數(shù)據(jù)穩(wěn)定在0.20%～0.30%，大修后升高到0.65%～0.80%。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)：該主變高壓側(cè)母線的電壓互感器二次回路(用于計(jì)量)在電壓切換繼電器輸入和輸出側(cè)存在明顯壓降，差值達(dá)到0.7 V，經(jīng)處理后變損率恢復(fù)正常。

4.6電量采集裝置

2013年7月，某2×300 MW發(fā)電廠電量采集裝置在6日零點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時，1號發(fā)電機(jī)主表的電量采集失敗，電量采集裝置自動使用7月5日23時45分的數(shù)據(jù)替代，導(dǎo)致7月5日和7月6日的1號主變變損率出現(xiàn)小幅度波動，但在7月7日至7月8日即恢復(fù)正常。該現(xiàn)象的特點(diǎn)為變損率小幅度擾動，短期內(nèi)恢復(fù)，如圖5所示。

圖5　采樣數(shù)據(jù)異常前、后的1號主變變損率變化

4.7其他相似故障

a)電壓互感器二次回路熔斷器接觸不良。2007年5月某4×300 MW發(fā)電廠1號、3號主變變損率同時出現(xiàn)大幅度正向突變。經(jīng)檢查運(yùn)行方式發(fā)現(xiàn)，1號、3號主變均搭接于220 kVⅠ母運(yùn)行，而在該母線電壓互感器的接線端子箱內(nèi)，計(jì)量的二次繞組回路熔斷器前端三相電壓為60 V，熔斷器后端V相電壓僅有17 V。更換V相熔斷器后，三相電壓平衡，1號、3號主變變損率恢復(fù)到常規(guī)水平。

b)人為故障。某2×600 MW發(fā)電廠電量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2012年3月19日2號主變變損率超標(biāo)。經(jīng)對比電量采集系統(tǒng)的歷史記錄數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)日10：45—11：00期間，有約10 min時間主變高壓側(cè)電能表的三相電壓為零。查詢工作記錄發(fā)現(xiàn)當(dāng)時有工作人員在升壓站工作，并有將電壓互感器二次回路三相空氣開關(guān)短時斷開的操作。

5結(jié)論

發(fā)電企業(yè)可根據(jù)主變的變損率數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定、計(jì)算變損率需要眾多電氣設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)各運(yùn)行主變每日的變損率并進(jìn)行分析，監(jiān)測電氣設(shè)備和回路故障，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a)主變變損率統(tǒng)計(jì)分析簡易，對發(fā)電機(jī)-變壓器組電氣設(shè)備出現(xiàn)未達(dá)到報警或跳閘定值的異常和潛在故障的靈敏度較高。

b)主變變損率趨勢出現(xiàn)大幅度波動，且不能自行恢復(fù)到常規(guī)水平，則可以判定電氣設(shè)備或回路存在故障。主變變損率出現(xiàn)波動但能短期自行恢復(fù)到常規(guī)水平，可能與機(jī)組負(fù)荷有關(guān)(比如機(jī)組啟停機(jī)期間)，或者與電量采樣數(shù)據(jù)的精度有關(guān)(比如最后一位有效值的取舍)。

c)變損率的故障預(yù)判性還具有延展性。在故障計(jì)量元素相同的環(huán)境中，還有其他設(shè)備同時運(yùn)行，通過故障設(shè)備的發(fā)現(xiàn)，也可由點(diǎn)拓展到面發(fā)現(xiàn)其他異常，例如在電流、電壓互感器中與計(jì)量繞組并列的保護(hù)、測量繞組狀態(tài)，電壓互感器一次回路的熔斷器狀態(tài)等。

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Pre-juegement Characteristic of Main Transformer Power Loss Rate in Potential Faults of Electrical Equipments

WANG Yiping

(Shouzheng Tendering Company Limited, Shenzhen, Guangdong 518023, China)

Abstract：Potential faults in electrical equipments and secondary circuits of large and medium 300 MW and 600 MW generator-transformer units with unit-typed connection mode are hard to be discovered before alarming and tripping, while stability of calculating data about the main transformer power loss rate (MTPLR) is sensitive to these faults. Research indicates that when the main transformer is in normal operation, positive correlation of MTPLR with its average load coefficient is weaker and as daily average load coefficient of the main transformer is within 0.6 and 1.0, its MTPLR is close to some intrinsic constant. When electrical equipments and secondary circuits break down such as non-sudden abnormalities in electric energy meters, voltage transformers (VT), current transformers (CT), fuses, secondary circuits and so on, calculating value of MTPLR will change a lot which is obviously deviated from the intrinsic constant. Generation enterprises can make statistics and analysis on calculating value of transformer loss rate according to above characteristics so as to survey states of electrical equipments and secondary circuits and pre-judge abnormalities and faults.

Key words：transformer loss rate; electric energy meter; voltage transformer (VT); current transformer (CT); secondary circuit; metering error

收稿日期：2015-12-05修回日期：2016-03-25

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.015

中圖分類號：TM933.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)06-0082-05

作者簡介：

王義平(1982)，男，湖北公安人。高級工程師，工學(xué)學(xué)士，從事發(fā)電行業(yè)電氣設(shè)備技術(shù)管理工作。

(編輯彭艷)