電網(wǎng)220kV主變壓器負(fù)載損耗故障分析

國(guó)網(wǎng)天津市電力公司 張連操 張海艷

在電網(wǎng)中變壓器存在損耗故障，該故障與變壓器產(chǎn)生功率損耗有關(guān)，損耗形式包括空載與負(fù)載兩種，前者相對(duì)穩(wěn)定，與設(shè)備負(fù)荷無(wú)關(guān)，后者則與負(fù)荷有關(guān)，通常情況下負(fù)荷越大、負(fù)載越大，在負(fù)荷穩(wěn)定的情況下電網(wǎng)中變壓器損耗為空載損耗（P0）與負(fù)載損耗（PL）之和，只有二者數(shù)值均明確才能知曉主變壓器的負(fù)載損耗，設(shè)備負(fù)荷電流用I 表示，其與負(fù)載損耗的關(guān)系式為PL=I2R，此式中R 為等值電阻。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)220kV主變壓器損耗進(jìn)行分析可知，負(fù)載損耗對(duì)相關(guān)設(shè)備節(jié)能降耗成效所產(chǎn)生的影響較大，基于此為保障電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定且高效探析主變壓器負(fù)載損耗故障及故障處理方略顯得尤為重要。

1 電網(wǎng)220kV 主變壓器負(fù)載損耗故障及分析方法

變壓器磁勢(shì)平衡保持穩(wěn)定，不僅可提升變壓器在電網(wǎng)中的抗短路能力，還能顯著降低繞組渦流損耗，由此可見(jiàn)磁勢(shì)不平衡是造成電網(wǎng)220kV主變壓器損耗故障的主因。在計(jì)算磁勢(shì)平衡時(shí)需按照變壓器線(xiàn)匝排列情況及手冊(cè)要求把繞組軸向劃分成若干區(qū)域，近似認(rèn)定各區(qū)安匝分布均等，調(diào)整區(qū)域內(nèi)繞組的高度，確保高度接近或完全一樣，對(duì)區(qū)域安匝繞組間的不平衡及總安匝百分比進(jìn)行計(jì)算，由此得到不平衡安匝基于圖示的分布情況，依據(jù)計(jì)算結(jié)果、經(jīng)驗(yàn)公式最終得出繞組輻向力、軸向力，同時(shí)結(jié)合電網(wǎng)中主變壓器負(fù)載損耗故障實(shí)際情況予以規(guī)設(shè)。

定量分析法在主變壓器負(fù)載損耗故障判斷中較為常見(jiàn)，主要分析對(duì)象為軸向漏磁場(chǎng)以及輻向漏磁場(chǎng)，依托電網(wǎng)分析上述變量對(duì)主變壓器損耗所產(chǎn)生的影響，這對(duì)判斷故障誘因有益，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)渦流損耗越大、導(dǎo)線(xiàn)橫切面越大，在主變壓器中引起損耗的主要原因是輻向渦流，在繞組軸向上漏磁分布并不均衡，在此條件下繞組端部會(huì)存在渦流損耗集聚累加的情況，布局線(xiàn)餅溫度不斷上升，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)電網(wǎng)故障，長(zhǎng)期如此主變壓器運(yùn)行穩(wěn)定性將隨之降低[1]。

在有限元軟件廣泛應(yīng)用的大背景下漏磁場(chǎng)分布分析可結(jié)合圖片予以論證，將磁勢(shì)分布、磁感應(yīng)分布區(qū)別開(kāi)來(lái)，解決因傳統(tǒng)基于經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算所造成的誤差問(wèn)題，利用漏磁場(chǎng)圖例分析故障，使輻向渦流損耗計(jì)算分析更為精準(zhǔn)，為處理相關(guān)故障給予支持。

為使故障分析更具針對(duì)性，將180MVA/220kV-sfpsz10電力變壓器視為負(fù)載損耗故障分析的對(duì)象，說(shuō)明在電網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)程中不僅需關(guān)注安匝平衡，還要關(guān)注磁勢(shì)分布情況，通過(guò)合理的調(diào)整將漏磁指數(shù)控制到最小，達(dá)到減少繞組渦流損耗的目的，同時(shí)可提升主變壓器抵抗短路的能力，還可避免局部溫度過(guò)高，使電網(wǎng)運(yùn)行更為穩(wěn)定。研究分析設(shè)備為三項(xiàng)主變壓器，繞組有三個(gè)，內(nèi)設(shè)風(fēng)冷系統(tǒng)，額定容量有三個(gè)檔次，低壓是中壓與高壓的三分之一，中高壓均為180MVA，在運(yùn)行中額定電壓可以根據(jù)需要加以調(diào)節(jié)，技術(shù)人員可按照設(shè)備出廠(chǎng)說(shuō)明調(diào)控，為的是避免設(shè)備因參數(shù)規(guī)設(shè)不合理而引發(fā)故障，這就需要在研究分析前專(zhuān)業(yè)人員充分分析設(shè)備，在此條件下評(píng)估設(shè)備是否符合試驗(yàn)分析要求，為試驗(yàn)分析奠定基礎(chǔ)，保障故障試驗(yàn)更加高效。通過(guò)試驗(yàn)可知中高壓損耗客觀(guān)存在，其損耗同標(biāo)準(zhǔn)相比超出19%左右，其中最正分接損耗屬于最大值。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入漏磁場(chǎng)分析軟件中進(jìn)行計(jì)算處理，找出負(fù)載損耗較大的故障原因，而后對(duì)結(jié)構(gòu)中的繞組予以調(diào)整。

在試驗(yàn)進(jìn)程中數(shù)據(jù)搜集是關(guān)鍵一步，本次試驗(yàn)主要搜集數(shù)據(jù)為直流電阻及每個(gè)分接的損耗，將損耗情況匯總到一起并制成圖1，通過(guò)觀(guān)察可知最正分接為1，額定分接與最負(fù)分接分別為9、17，損耗數(shù)值由試驗(yàn)得出，同時(shí)依托公式算出最終的損耗情況，其中附加損耗為負(fù)載與直流電阻所產(chǎn)生損耗的差額，占比較大的為繞組渦流及雜散所形成的損耗。根據(jù)圖1可知，損耗大小并不相同，總體來(lái)講持續(xù)減小的為附加損耗，1、17兩個(gè)分接分別為損耗最大值與最小值。在試驗(yàn)中要關(guān)注漏磁的分布情況，應(yīng)用軟件分析繞組，在此基礎(chǔ)上計(jì)算參數(shù)予以調(diào)控并得出最終的計(jì)算結(jié)果。在經(jīng)驗(yàn)公式中純軸向?yàn)榧僭O(shè)的磁力線(xiàn)，同時(shí)磁力線(xiàn)在繞組端部停止延展，2個(gè)假設(shè)會(huì)使計(jì)算結(jié)果變得不準(zhǔn)確，影響短路抗阻分析成效。

圖1 中壓—高壓個(gè)分解的負(fù)載損耗

試驗(yàn)分析所用變壓器分接短路抗阻計(jì)算結(jié)果與漏磁場(chǎng)軟件所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖2），在1-17分接中漏磁場(chǎng)軟件計(jì)算誤差小于2%，短路抗阻計(jì)算的準(zhǔn)確率較高，說(shuō)明短路抗阻與漏磁場(chǎng)有關(guān)，針對(duì)1、9、17分接渦流損耗進(jìn)行計(jì)算，為分析損耗情況提供依據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)所得分接負(fù)載、直流電阻、渦流及雜散的損耗情況按照公式規(guī)范計(jì)算，同時(shí)計(jì)算溫度折算值，使試驗(yàn)分析更具科學(xué)性與規(guī)范性。計(jì)算結(jié)果表明試驗(yàn)中處于1、9、17三個(gè)分接的渦流在中高壓運(yùn)行環(huán)境中變化最為明顯，在此結(jié)論支撐下對(duì)漏磁場(chǎng)內(nèi)的損耗現(xiàn)象予以剖析，并根據(jù)分接設(shè)計(jì)觀(guān)察變壓器繞組渦流以及雜散的損耗情況，相關(guān)結(jié)論為漏磁場(chǎng)軟件分析處理所得結(jié)果，前者為渦流損耗、直流電阻損耗與負(fù)載損耗之差。通過(guò)分接對(duì)比可知，1-17雜散損耗、渦流損耗均下降，二者減小趨勢(shì)存在差異。分接1雜散損耗、繞組渦流損耗均較大，分接17雜散損耗、繞組渦流損耗均較小，兩種損耗均與漏磁有關(guān)，其中分接1漏磁遠(yuǎn)大于分接17。在變壓器中產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象的原因有2個(gè)，一是繞組不均衡，二是油箱、鐵心柱等構(gòu)件邊界條件對(duì)變壓器磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)參數(shù)不變，所以沿軸向安匝在變壓器內(nèi)可以調(diào)整，需針對(duì)影響輻向漏磁分布情況的因素進(jìn)行分析，為優(yōu)化主變壓器及其發(fā)揮作用的電網(wǎng)提供依據(jù)[2]。

圖2 中壓—高壓各分接的短路抗阻

2 處理電網(wǎng)220kV 主變壓器負(fù)載損耗故障的方略

首先，優(yōu)化變壓器。通過(guò)對(duì)電網(wǎng)中主變壓器負(fù)載損耗故障成因進(jìn)行分析可知，變壓器安匝不合理排布是引起損耗的原因之一，這與中高壓繞組排列低效有關(guān)，在此情況下輻向漏磁會(huì)加大同時(shí)增加相關(guān)損耗，因?yàn)槁┐艜?huì)在箱蓋、夾件等部位形成雜散損耗，所以變壓器損耗總量會(huì)增大。除受安匝分布因素影響外，損耗還與繞組間距有關(guān)，鐵芯柱亦會(huì)影響安匝分布，使結(jié)構(gòu)中的輻向漏磁隨之發(fā)生變化。外繞組安匝數(shù)量持續(xù)遞減特定區(qū)域內(nèi)輻向漏磁隨之減少，可見(jiàn)二者成正相關(guān)，同時(shí)內(nèi)部輻向漏磁與外部輻向漏磁為負(fù)相關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外繞組安匝在指定區(qū)域內(nèi)可控制漏磁大小?；诖耍瑸榻鉀Q電網(wǎng)220kV 主變壓器負(fù)載損耗故障問(wèn)題可優(yōu)化設(shè)備，通過(guò)調(diào)整繞組安匝保障磁勢(shì)平衡，提升設(shè)備短路承受能力，合理減小因輻向漏磁而導(dǎo)致的渦流損耗。

其次，科學(xué)設(shè)計(jì)線(xiàn)規(guī)。中高壓可采用2種線(xiàn)規(guī)，一是中部線(xiàn)規(guī)較薄、寬度較大，線(xiàn)規(guī)位于端部厚度較大、寬度較小，為的是保障端部橫向漏磁問(wèn)題得以解決，用減少繞組的方式降低渦流損耗，還可提升繞組導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)力及軸向力，試驗(yàn)表明上述線(xiàn)規(guī)不會(huì)出現(xiàn)局部溫度過(guò)高的現(xiàn)象。

最后，綜合調(diào)整電網(wǎng)。在電氣強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小中壓繞組端部若干餅油道，高壓繞組油道維持原狀，以渦流損耗合理控制為指向，觀(guān)察中高壓繞組調(diào)整對(duì)渦流損耗所帶來(lái)的影響，通常情況下多方案對(duì)比，為的是找到最佳的電網(wǎng)損耗控制對(duì)策，在此基礎(chǔ)上保障漏磁數(shù)值在合理范圍之內(nèi)，還需注意最大與最小分接，為線(xiàn)規(guī)、間距等參數(shù)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，繼而落實(shí)變壓器優(yōu)化的目標(biāo)，在最終確定調(diào)整方案后還需進(jìn)行計(jì)量，為的是保障調(diào)整結(jié)果科學(xué)高效，能將最小分接負(fù)載及最大分接負(fù)載損耗控制在合理的值域內(nèi)，達(dá)到處理220kV 電網(wǎng)主變壓器負(fù)載損耗故障的目的。

除針對(duì)變壓器的結(jié)構(gòu)予以?xún)?yōu)化外，還需做好電網(wǎng)日常運(yùn)維工作，時(shí)刻關(guān)注主變壓器負(fù)載損耗情況，分析損耗產(chǎn)生的非設(shè)備性原因，例如專(zhuān)職人員可將變壓器置于不同的運(yùn)行情境中，對(duì)損耗進(jìn)行分析，可比較容量相同的兩臺(tái)變壓器分列式運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的損耗與單臺(tái)負(fù)荷下的損耗，為使比較結(jié)果具有實(shí)效性需確保負(fù)荷電流總額小于一臺(tái)變壓器的額定電流，假定變壓器在分列式運(yùn)作中負(fù)荷電流為I，那么可得出變壓器損耗總和，若變壓器負(fù)荷與其中一臺(tái)兼供，那么另一臺(tái)停運(yùn)時(shí)帶負(fù)荷變壓器損耗可用P1T=PO(4I2/I2n)PK表示，其中PK 為In2R，通過(guò)計(jì)算則能得出變壓器帶負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的總損耗，以及損耗與單臺(tái)設(shè)備相比要小狀態(tài)下的臨界負(fù)荷電流數(shù)值，這為電網(wǎng)參數(shù)調(diào)節(jié)提供依據(jù)，保障電流設(shè)置合理，有效減小變壓器負(fù)載損耗。利用上述思路還可在不同的變電器運(yùn)行模式下予以分析負(fù)載損耗，最終選出適宜的運(yùn)行方法。需要注意的是，變電器低損耗運(yùn)行方法的選擇不僅要關(guān)注能耗，還要關(guān)注220kV 電網(wǎng)運(yùn)維養(yǎng)護(hù)成本，以免出現(xiàn)方法可行、成本過(guò)高的現(xiàn)象，為電網(wǎng)及電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行體系可持續(xù)發(fā)展給予支持[3]。

3 電網(wǎng)220kV 主變壓器負(fù)載損耗故障分析與處理趨勢(shì)

新時(shí)代數(shù)字技術(shù)高效應(yīng)用，并成為各領(lǐng)域創(chuàng)新與改革的有力條件，針對(duì)電網(wǎng)220kV 主變壓器負(fù)載損耗故障分析與處理亦可運(yùn)用數(shù)字技術(shù)，其目的是提升故障分析能力，提高主變壓器負(fù)載損耗問(wèn)題解決的有效性。例如，專(zhuān)職技術(shù)人員可組建數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與主變壓器負(fù)載損耗有關(guān)的數(shù)據(jù)，一方面關(guān)注變壓器全生命周期，另一方面針對(duì)主變壓器負(fù)載損耗原因、規(guī)律、特征及影響等方面進(jìn)行自動(dòng)化、數(shù)字化分析，為故障分析與處理給予支持。在數(shù)據(jù)不斷累加的條件下，專(zhuān)職技術(shù)人員還可利用數(shù)字技術(shù)規(guī)設(shè)虛擬模型，依據(jù)主變壓器高效運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)加以模擬，這不僅可在主變壓器負(fù)載損耗故障發(fā)生前精準(zhǔn)預(yù)警，還可用來(lái)模擬多套主變壓器負(fù)載損耗故障處理方案，最終選出最適合220kV 電網(wǎng)穩(wěn)定、安全、低耗運(yùn)行的方案，達(dá)到提高主變壓器負(fù)載損耗故障分析與處理有效性的目的。專(zhuān)職技術(shù)人員還可在220kV 電網(wǎng)中安裝傳感器，為全天候監(jiān)督主變壓器并收集能耗數(shù)據(jù)提供有力的條件，利用中央集控軟件就能遠(yuǎn)程控制主變壓器的負(fù)載損耗，根據(jù)損耗數(shù)據(jù)亦可明確主變壓器故障所處區(qū)域，這可有效壓縮故障分析與處理時(shí)間成本。在數(shù)字技術(shù)涌進(jìn)電網(wǎng)220kV 主變壓器負(fù)載損耗故障分析與處理領(lǐng)域的背景下，專(zhuān)職技術(shù)人員需不斷增強(qiáng)信息素養(yǎng)，適應(yīng)數(shù)字化故障分析處理新場(chǎng)景，學(xué)習(xí)各類(lèi)技術(shù)，樹(shù)立創(chuàng)新意識(shí)，可根據(jù)主變壓器負(fù)載損耗故障分析處理需求靈活運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段，繼而為主變壓器負(fù)載損耗故障高效處理提供人才與技術(shù)雙重保障。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電網(wǎng)220kV 主變壓器負(fù)載損耗故障分析既要實(shí)事求是又要科學(xué)高效，基于此利用有限元軟件對(duì)變壓器運(yùn)行情境加以模擬，關(guān)注各分接狀態(tài)下的負(fù)載損耗，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)損耗成因，有效調(diào)整油道、線(xiàn)規(guī)、安匝等參數(shù)，將輻向渦流損耗有效控制及設(shè)備承受的短路機(jī)械力大小視為故障處理的要點(diǎn)，確保安匝平衡且輻向漏磁最小，繼而在解決主變壓器負(fù)載損耗過(guò)高故障問(wèn)題的同時(shí)提高設(shè)備的抗短路能力，營(yíng)造穩(wěn)定的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境。