電網220kV主變壓器負載損耗故障分析

國網天津市電力公司 張連操 張海艷

在電網中變壓器存在損耗故障，該故障與變壓器產生功率損耗有關，損耗形式包括空載與負載兩種，前者相對穩定，與設備負荷無關，后者則與負荷有關，通常情況下負荷越大、負載越大，在負荷穩定的情況下電網中變壓器損耗為空載損耗（P0）與負載損耗（PL）之和，只有二者數值均明確才能知曉主變壓器的負載損耗，設備負荷電流用I 表示，其與負載損耗的關系式為PL=I2R，此式中R 為等值電阻。通過對電網220kV主變壓器損耗進行分析可知，負載損耗對相關設備節能降耗成效所產生的影響較大，基于此為保障電網運營穩定且高效探析主變壓器負載損耗故障及故障處理方略顯得尤為重要。

1 電網220kV 主變壓器負載損耗故障及分析方法

變壓器磁勢平衡保持穩定，不僅可提升變壓器在電網中的抗短路能力，還能顯著降低繞組渦流損耗，由此可見磁勢不平衡是造成電網220kV主變壓器損耗故障的主因。在計算磁勢平衡時需按照變壓器線匝排列情況及手冊要求把繞組軸向劃分成若干區域，近似認定各區安匝分布均等，調整區域內繞組的高度，確保高度接近或完全一樣，對區域安匝繞組間的不平衡及總安匝百分比進行計算，由此得到不平衡安匝基于圖示的分布情況，依據計算結果、經驗公式最終得出繞組輻向力、軸向力，同時結合電網中主變壓器負載損耗故障實際情況予以規設。

定量分析法在主變壓器負載損耗故障判斷中較為常見，主要分析對象為軸向漏磁場以及輻向漏磁場，依托電網分析上述變量對主變壓器損耗所產生的影響，這對判斷故障誘因有益，通過分析發現渦流損耗越大、導線橫切面越大，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存在渦流損耗集聚累加的情況，布局線餅溫度不斷上升，嚴重時會引發電網故障，長期如此主變壓器運行穩定性將隨之降低[1]。

在有限元軟件廣泛應用的大背景下漏磁場分布分析可結合圖片予以論證，將磁勢分布、磁感應分布區別開來，解決因傳統基于經驗的計算所造成的誤差問題，利用漏磁場圖例分析故障，使輻向渦流損耗計算分析更為精準，為處理相關故障給予支持。

為使故障分析更具針對性，將180MVA/220kV-sfpsz10電力變壓器視為負載損耗故障分析的對象，說明在電網設計進程中不僅需關注安匝平衡，還要關注磁勢分布情況，通過合理的調整將漏磁指數控制到最小，達到減少繞組渦流損耗的目的，同時可提升主變壓器抵抗短路的能力，還可避免局部溫度過高，使電網運行更為穩定。研究分析設備為三項主變壓器，繞組有三個，內設風冷系統，額定容量有三個檔次，低壓是中壓與高壓的三分之一，中高壓均為180MVA，在運行中額定電壓可以根據需要加以調節，技術人員可按照設備出廠說明調控，為的是避免設備因參數規設不合理而引發故障，這就需要在研究分析前專業人員充分分析設備，在此條件下評估設備是否符合試驗分析要求，為試驗分析奠定基礎，保障故障試驗更加高效。通過試驗可知中高壓損耗客觀存在，其損耗同標準相比超出19%左右，其中最正分接損耗屬于最大值。將試驗數據錄入漏磁場分析軟件中進行計算處理，找出負載損耗較大的故障原因，而后對結構中的繞組予以調整。

在試驗進程中數據搜集是關鍵一步，本次試驗主要搜集數據為直流電阻及每個分接的損耗，將損耗情況匯總到一起并制成圖1，通過觀察可知最正分接為1，額定分接與最負分接分別為9、17，損耗數值由試驗得出，同時依托公式算出最終的損耗情況，其中附加損耗為負載與直流電阻所產生損耗的差額，占比較大的為繞組渦流及雜散所形成的損耗。根據圖1可知，損耗大小并不相同，總體來講持續減小的為附加損耗，1、17兩個分接分別為損耗最大值與最小值。在試驗中要關注漏磁的分布情況，應用軟件分析繞組，在此基礎上計算參數予以調控并得出最終的計算結果。在經驗公式中純軸向為假設的磁力線，同時磁力線在繞組端部停止延展，2個假設會使計算結果變得不準確，影響短路抗阻分析成效。

圖1 中壓—高壓個分解的負載損耗

試驗分析所用變壓器分接短路抗阻計算結果與漏磁場軟件所得結果進行對比（見圖2），在1-17分接中漏磁場軟件計算誤差小于2%，短路抗阻計算的準確率較高，說明短路抗阻與漏磁場有關，針對1、9、17分接渦流損耗進行計算，為分析損耗情況提供依據，根據試驗所得分接負載、直流電阻、渦流及雜散的損耗情況按照公式規范計算，同時計算溫度折算值，使試驗分析更具科學性與規范性。計算結果表明試驗中處于1、9、17三個分接的渦流在中高壓運行環境中變化最為明顯，在此結論支撐下對漏磁場內的損耗現象予以剖析，并根據分接設計觀察變壓器繞組渦流以及雜散的損耗情況，相關結論為漏磁場軟件分析處理所得結果，前者為渦流損耗、直流電阻損耗與負載損耗之差。通過分接對比可知，1-17雜散損耗、渦流損耗均下降，二者減小趨勢存在差異。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，其中分接1漏磁遠大于分接17。在變壓器中產生漏磁現象的原因有2個，一是繞組不均衡，二是油箱、鐵心柱等構件邊界條件對變壓器磁場產生影響。因為結構參數不變，所以沿軸向安匝在變壓器內可以調整，需針對影響輻向漏磁分布情況的因素進行分析，為優化主變壓器及其發揮作用的電網提供依據[2]。

圖2 中壓—高壓各分接的短路抗阻

2 處理電網220kV 主變壓器負載損耗故障的方略

首先，優化變壓器。通過對電網中主變壓器負載損耗故障成因進行分析可知，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，在此情況下輻向漏磁會加大同時增加相關損耗，因為漏磁會在箱蓋、夾件等部位形成雜散損耗，所以變壓器損耗總量會增大。除受安匝分布因素影響外，損耗還與繞組間距有關，鐵芯柱亦會影響安匝分布，使結構中的輻向漏磁隨之發生變化。外繞組安匝數量持續遞減特定區域內輻向漏磁隨之減少，可見二者成正相關，同時內部輻向漏磁與外部輻向漏磁為負相關，通過調節內外繞組安匝在指定區域內可控制漏磁大小。基于此，為解決電網220kV 主變壓器負載損耗故障問題可優化設備，通過調整繞組安匝保障磁勢平衡，提升設備短路承受能力，合理減小因輻向漏磁而導致的渦流損耗。

其次，科學設計線規。中高壓可采用2種線規，一是中部線規較薄、寬度較大，線規位于端部厚度較大、寬度較小，為的是保障端部橫向漏磁問題得以解決，用減少繞組的方式降低渦流損耗，還可提升繞組導線應力及軸向力，試驗表明上述線規不會出現局部溫度過高的現象。

最后，綜合調整電網。在電氣強度達標的基礎上適當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，觀察中高壓繞組調整對渦流損耗所帶來的影響，通常情況下多方案對比，為的是找到最佳的電網損耗控制對策，在此基礎上保障漏磁數值在合理范圍之內，還需注意最大與最小分接，為線規、間距等參數的設計提供依據，繼而落實變壓器優化的目標，在最終確定調整方案后還需進行計量，為的是保障調整結果科學高效，能將最小分接負載及最大分接負載損耗控制在合理的值域內，達到處理220kV 電網主變壓器負載損耗故障的目的。

除針對變壓器的結構予以優化外，還需做好電網日常運維工作，時刻關注主變壓器負載損耗情況，分析損耗產生的非設備性原因，例如專職人員可將變壓器置于不同的運行情境中，對損耗進行分析，可比較容量相同的兩臺變壓器分列式運轉所產生的損耗與單臺負荷下的損耗，為使比較結果具有實效性需確保負荷電流總額小于一臺變壓器的額定電流，假定變壓器在分列式運作中負荷電流為I，那么可得出變壓器損耗總和，若變壓器負荷與其中一臺兼供，那么另一臺停運時帶負荷變壓器損耗可用P1T=PO(4I2/I2n)PK表示，其中PK 為In2R，通過計算則能得出變壓器帶負荷運轉時的總損耗，以及損耗與單臺設備相比要小狀態下的臨界負荷電流數值，這為電網參數調節提供依據，保障電流設置合理，有效減小變壓器負載損耗。利用上述思路還可在不同的變電器運行模式下予以分析負載損耗，最終選出適宜的運行方法。需要注意的是，變電器低損耗運行方法的選擇不僅要關注能耗，還要關注220kV 電網運維養護成本，以免出現方法可行、成本過高的現象，為電網及電網設備運行體系可持續發展給予支持[3]。

3 電網220kV 主變壓器負載損耗故障分析與處理趨勢

新時代數字技術高效應用，并成為各領域創新與改革的有力條件，針對電網220kV 主變壓器負載損耗故障分析與處理亦可運用數字技術，其目的是提升故障分析能力，提高主變壓器負載損耗問題解決的有效性。例如，專職技術人員可組建數據庫存儲與主變壓器負載損耗有關的數據，一方面關注變壓器全生命周期，另一方面針對主變壓器負載損耗原因、規律、特征及影響等方面進行自動化、數字化分析，為故障分析與處理給予支持。在數據不斷累加的條件下，專職技術人員還可利用數字技術規設虛擬模型，依據主變壓器高效運轉參數加以模擬，這不僅可在主變壓器負載損耗故障發生前精準預警，還可用來模擬多套主變壓器負載損耗故障處理方案，最終選出最適合220kV 電網穩定、安全、低耗運行的方案，達到提高主變壓器負載損耗故障分析與處理有效性的目的。專職技術人員還可在220kV 電網中安裝傳感器，為全天候監督主變壓器并收集能耗數據提供有力的條件，利用中央集控軟件就能遠程控制主變壓器的負載損耗，根據損耗數據亦可明確主變壓器故障所處區域，這可有效壓縮故障分析與處理時間成本。在數字技術涌進電網220kV 主變壓器負載損耗故障分析與處理領域的背景下，專職技術人員需不斷增強信息素養，適應數字化故障分析處理新場景，學習各類技術，樹立創新意識，可根據主變壓器負載損耗故障分析處理需求靈活運用先進的技術手段，繼而為主變壓器負載損耗故障高效處理提供人才與技術雙重保障。

4 結語

綜上所述，電網220kV 主變壓器負載損耗故障分析既要實事求是又要科學高效，基于此利用有限元軟件對變壓器運行情境加以模擬，關注各分接狀態下的負載損耗，通過對比分析發現損耗成因，有效調整油道、線規、安匝等參數，將輻向渦流損耗有效控制及設備承受的短路機械力大小視為故障處理的要點，確保安匝平衡且輻向漏磁最小，繼而在解決主變壓器負載損耗過高故障問題的同時提高設備的抗短路能力，營造穩定的電網運行環境。