DQZHAN訊：關(guān)于變壓器故障保護、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)過線圈產(chǎn)生的負(fù)載損耗組成;無功功率損耗一般是變壓器通過電磁感應(yīng)的無功負(fù)載產(chǎn)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(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(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，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(fā)生在變壓起到鐵芯內(nèi)，是由交變的磁力線通過鐵芯產(chǎn)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(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，尤其是空載損耗過大必將導(dǎo)致?lián)p耗過大，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，變壓器的運行效率*高。根據(jù)建筑用電量的需求計算出負(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，(變壓器的容量過大，負(fù)載率較低，不經(jīng)濟劃算，如果電容率較小，電路處于過負(fù)荷運行，變壓器可能出現(xiàn)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(yīng)該設(shè)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(wǎng)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(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)機等主要用電設(shè)備的需求，同時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(jié)電。
(4)優(yōu)化變壓器的運行。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)運行電壓，對不同負(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(diào)整分接開關(guān)來降低輸入電壓，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，運行電壓必然會降低。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加大了低壓線路的損耗。在三相負(fù)荷不平衡時，在低壓側(cè)會產(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)通過時發(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(guān)，還與功率因素的變化有關(guān)。功率因素較低時，變壓器的效率也就很低。根據(jù)電力學(xué)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(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候才用。由于無功補償提高了變壓器的負(fù)載能力，還實現(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，實現(xiàn)節(jié)能的目的。
數(shù)字智能變電站變壓器保護方案的探討
十二五規(guī)劃以來，智能電網(wǎng)越來越受到國家的重視，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，我國已經(jīng)熟練掌握110kV、220kV、330kV、500kV、750kV等多個電壓等級的智能變電站建設(shè)。自2009年開始，我國開始在國內(nèi)試點數(shù)字智能變電站;2012年開始進入了**建設(shè)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(shù)字智能變電站。
1 變壓器保護系統(tǒng)概況
數(shù)字智能變電站較傳統(tǒng)電站而言，實現(xiàn)了利用電子通訊、人工智能技術(shù)對變電站進行一體化管理，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)評估診斷，太陽能風(fēng)能的引入等提供了有力支撐。從系統(tǒng)構(gòu)成來看，數(shù)字智能變電站可分為站控層、間隔層、過程層、間隔通訊網(wǎng)、過程通訊網(wǎng)，五個部分構(gòu)成三層兩網(wǎng)的系統(tǒng)[4]。變壓器繼電保護系統(tǒng)是變電站繼電保護系統(tǒng)中的重要組成部分，通常是以微機為基礎(chǔ)的數(shù)字電路，其核心元件為CPU，軟件系統(tǒng)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(jié)點的電流應(yīng)該保持矢量和恒為零，但變壓器內(nèi)部存在故障說等于內(nèi)部增加了一條故障支路，故障節(jié)點的電流矢量和不在為零，此時應(yīng)對故障診斷。
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 變壓器繼電保護系統(tǒng)
3.1 主保護
數(shù)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(nèi)部發(fā)生故障時差動電流很大，變壓器各側(cè)有電源時差動電流很小，當(dāng)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(fā)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(shù)字智能變電站變壓器后備保護可分為復(fù)合電壓過流保護、零序過流保護、中性點間隙保護、過負(fù)荷保護四種[3]。微機保護采用無死區(qū)、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(fù)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(yīng)用在中性點不接地的變壓器中。過負(fù)荷保護一般分為發(fā)送警告信號、開啟冷卻風(fēng)機、關(guān)閉有載調(diào)壓三步。
3.3 變電站現(xiàn)場調(diào)試
對傳統(tǒng)變電站變壓器進行改造，得到改造后的數(shù)字智能變壓器二次回路接線。現(xiàn)場調(diào)試過程中應(yīng)注意對保護進行核實和測試，對帶開關(guān)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(biāo)，對改造后的系統(tǒng)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(tǒng)短路器而言，減少了一些中間環(huán)節(jié)，大大縮短了保護動作時間，使變壓器差動保護更迅速。
4 結(jié)語
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)，首先對變壓器繼電保護系統(tǒng)的工作流程進行了介紹。確定變壓器匝間短路漏感參數(shù)的步驟，討論了差動保護的幾個局限性。隨后對變壓器繼電保護系統(tǒng)進行了探討，分析了數(shù)字智能變電站變壓器的主保護、后備保護和現(xiàn)場調(diào)試，希望對日后數(shù)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(jié)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(qū)正確選用變壓器的實例及其運行結(jié)果，闡明了合理選擇變壓器的容量對節(jié)能的重要性。
變壓器容量的選擇是變配電系統(tǒng)設(shè)計中一個關(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)，對平穩(wěn)負(fù)荷供電的單臺變壓器，負(fù)荷率一般取85%左右;對晝夜或季節(jié)性波動較大的負(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)濟效益。整體經(jīng)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(guān)柜及供電線路的投資費、施工費;年運行費用包括固定資產(chǎn)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(yīng)考慮變壓器的負(fù)載率β，對變壓器負(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。實際上，各有關(guān)技術(shù)資料對于β的選取，是既考慮了綜合因素，同時又考慮了節(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)計院負(fù)責(zé)設(shè)計。設(shè)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(jīng)過多方面的負(fù)荷計算和分析，認(rèn)為該方案不合理(容量預(yù)留太大)，會造成較大的經(jīng)濟浪費。經(jīng)計算后，我提出采用5臺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，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(lián)柜，可形成一個整體的電網(wǎng)供電。*后領(lǐng)導(dǎo)和設(shè)計院都接受了此方案。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)計算，該小區(qū)電力設(shè)計負(fù)荷SJ=3400KVA，負(fù)載功率因數(shù)Cosψ=0.9，年負(fù)荷用電時間t=3600h。查S7型號1250KVA和800KVA變壓器的有關(guān)參數(shù)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(fù)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(xù)時間;
τ—年*大負(fù)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(jīng)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(guān)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(fā)區(qū)當(dāng)時的價格為0.52元/kWh計。
按各項經(jīng)濟指標(biāo)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(qū)供電系統(tǒng)采用5×800KVA變壓器供電后，運行效果一直良好，其主要表現(xiàn)為：
(1)設(shè)計時5臺變壓器并聯(lián)運行供電，在使用中可根據(jù)冬、夏負(fù)荷靈活決定用多少臺供電，減少變壓器空載損耗;
(2)負(fù)載率β多數(shù)時間在0.85左右，沒有發(fā)生過負(fù)荷和低負(fù)荷而浪費能源的現(xiàn)象;
(3)從經(jīng)濟比較中可以看到，一次性投資節(jié)省了232.25萬元，每年節(jié)約運行費用27.07萬元。而變壓器配套的高、低壓開關(guān)柜及供電線路等費用都沒計算在內(nèi)。
3、綜上所述，設(shè)計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)省一次性的費用投資。因此在各個小區(qū)綜合整治工程中，科學(xué)、合理設(shè)計小區(qū)供電變壓器容量，一定能給礦區(qū)事業(yè)部帶來良好的、持久的經(jīng)濟效益，也能實現(xiàn)節(jié)能的效果。
