主变压器变损率对电气设备潜在性故障的预判特性

王义平

(守正招标有限公司，广东 深圳 518023)



主变压器变损率对电气设备潜在性故障的预判特性

王义平

(守正招标有限公司，广东 深圳 518023)

摘要：300 MW、600 MW等大中型单元式接线的发电机-变压器组电气设备和二次回路的潜在性故障，在告警和跳闸之前难以被发现，而主变压器变损率计算数据的稳定性对该类故障表现敏感。研究表明，主变压器正常运行时，变损率与其平均负载系数的正相关性较弱，当主变压器日平均负载系数为0.6～1.0时，其变损率趋近于某个固有常数。当发电机-变压器组电气设备和二次回路故障，如电能表、电压互感器、电流互感器、熔断器和二次回路等发生非突发性异常，主变压器变损率的计算值将大幅度变化，与正常运行时的固有常数形成明显偏差。发电企业可据此特性，统计和分析各主变压器的变损率计算值，监测电气设备和二次回路的状态，预判其异常和故障。

关键词：变损率；电能表；电压互感器；电流互感器；二次回路；计量误差

变压器的综合功率损耗是变压器运行效率的一项重要指标，包含有功功率损耗和因无功功率消耗使其受电网增加的有功功率损耗之和。GB/T 13462—2008《电力变压器经济运行》定义：变压器综合功率损耗率(以下简称“变损率”)为综合功率损耗与其输入的有功功率之比的百分数[1-2]。一直以来，变压器的损耗率习惯性被认为仅与变压器设备相关，但是在单元式接线的发电企业中，主变压器(以下简称“主变”)低压侧无直接计量装置，主变变损率采用间接计算方式，其准确性涉及主变、发电机、高压厂用变压器(以下简称“高厂变”)、励磁变压器等电能计量装置状态。

1变损率的特点

根据GB/T 13462—2008《电力变压器经济运行》，变损率[2]

(1)

式中：Se为变压器视在功率；P0为空载损耗；PK为负载损耗；cosθ为变压器输入功率因数；β为平均负载系数，即一定时间内，变压器平均输出的视在功率与额定容量之比。

从式(1)可以看出，变损率ε与平均负载系数β呈对勾函数关系。根据GB/T6541—2008《油浸式电力变压器技术参数和要求》[3]，选择发电企业两种典型的300MW、600MW机组所配置的双绕组主变相关参数，见表1。

表1两种典型规格的主变参数

额定容量/MVA电压/kV高压低压联接组标号空载损耗/kW负载损耗/kW备注360242*20YNd11774774三相、无励磁720(3×240)5503*24Ii03×4603×460单相、无励磁

注：*高压的分接范围为±2×2.5%。

根据表1数据，取主变输入侧功率因数上、下限值分别为cosθ=1.0、cosθ=0.9，代入式(1)进行计算，变损率ε与平均负载系数β的关系曲线如图1所示。

图1　主变损耗率与平均负载系数的关系曲线

从图1可以看出，当0.6≤β≤1.0时，变损率变化相对平稳，与平均负载系数呈微弱正性相关。在机组实际运行中，实时负载率存在一定范围的波动，但平均负载系数β波动相对变小，主变变损率的变化范围同步变小，因此变损率ε也可表达为某固定常数C与微量波动量A的组合形式，即

(2)

2变损率在发电企业的计算方式

发电企业的发电量每日都有变化，因此每日的平均负载系数β均有不同。正常运行的发电机组，在相邻时间段内，可能会出现负荷的大幅度波动。

式(1)为理论公式，发电企业通常以电量替代功率进行统计。主变损耗属于厂用电的一部分，计入发电企业的综合厂用电量中。主变常见的统计数据包含每日的有功电能损耗(简称“变损”)和变损率，每日的变损为主变进出电能之差，而变损率可定义为一个时段Δt内(每日、每周或每月)主变输入和输出电能差值与输入电能的比值，即

(3)

式中：E为主变损耗；P为主变输入功率；Wi为输入电量；Wo为输出电量。

在发电企业中，主变输入电量一般为低压侧电量，且常规设计未在主变低压侧配置电能表，因此低压侧的电量无法直接计量，通常采用发电量与厂用电差值来代替。为了现场统计的方便，在变损率计算中，通常采用主变高压侧电量代替主变输入电量作为计算基数，因此常规单元式接线的双绕组主变变损率

(4)

式中：WG为发电量；WH为主变高压侧电量；WHH为高厂变高压侧电量；WR为其他电量。

主变变损率的统计和分析，实际是主变的进出电能平衡计算[4]。当前大型变压器的效率较高，从图1的曲线也可以看出，主变平均负载系数在有限范围内变化时，变损率理论上是一个趋近于零的微正向百分数。

3影响变损率的因素

发电企业主变变损率的变化趋势稳定、趋近于零的特点，是以各项电量(包括发电量、主变高压侧电量、高厂变高压侧电量和其他电量)统计正确为前提条件，而每项电量数据的形成，则由多个独立的电气设备和回路(简称“计量元素”)综合协调完成，影响变损率计算的计量元素包括电能表、电压互感器、电流互感器、二次回路及其他原因[5-8]。

构成主变变损率计算的计量元素包括很多电气设备和二次回路，而每个计量元素的常见故障及出现的概率也各有不同，详见表2。如果计量元素出现表2中任意一种异常或者故障，式(4)中各电量统计将会出现异常，直接导致主变的变损率出现大幅度波动，可能正向变大或者变为负值，与各计量元素均正常时的变损率数据对比，变化非常明显，这也使主变的变损率具有高灵敏度的特点。

表2各计量元素及常见故障表

计量元素常规故障现象描述电能表误差超标;外接电源失去,转为电压互感器二次绕组供电运行电压互感器一次回路熔断器故障;误差(比差、角差)超标;匝间短路、断线以及接地不良等电流互感器匝间短路;误差(比差、角差)超标;二次回路分流电能表接线回路接线松动;接线错误电压互感器二次回路误使用非计量绕组;二次负载过大;二次回路异常电量采集装置装置故障;通信异常其他原因电能表定期现场校验;误操作导致电压互感器二次回路空气开关跳闸;倒闸操作时,电压切换继电器异常

4影响变损率突变的案例

4.1电能表误差超标

某2×300 MW发电厂2012年3月7—23日电量统计发现，1号主变变损率呈现增大的趋势。该厂发电机和主变高压侧电能表均为主、副冗余配置，电能表型号为某款A1800型，精度等级0.2S，主、副两块电能表使用相同的电压互感器、电流互感器和二次回路。在1号主变变损率统计中，一直使用主表数据进行统计，在本次发现变损率异常期间，如果选择副表的数据计算，则变损率始终趋于平稳，如图2所示。后对主表进行现场校验和实验室检定，结果表明主表的误差超标。

图2　主、副电能表计算的1号主变变损率

4.2电压互感器异常

某3×200 MW电厂2006年10月1—11日电量统计发现：2号主变变损率出现大幅度下降，该期间电网对2号机组调停了6天，在调停前2号主变的变损率相对稳定，但长期低于1号主变的变损率(同类型机组模式)，2号主变变损率变化趋势如图3所示。经过检查发现：2号发电机、2号高厂变电能表中显示的二次电压不平衡，UV相线电压为100.2 V；VW相线电压为98.9 V，测量W相电压比U、V两相小约1.6 V。最后确认2号发电机W相出口处用于计量的电压互感器一次侧末端接地不良，运行状态下其末端对地电压约为220 V。在故障处理后，2号主变的变损率恢复了稳定，并与1号主变的变损率相近。经过故障处理前后的变损率数据对比可以看出，该故障可能已经存在很长时间，但具有隐蔽性。

图3　2号主变停运前、后的变损率变化

4.3电流互感器二次回路分流

2007年6月，某3×200 MW电厂2号机组大修前后的电量统计发现，2号主变大修前的变损率为0.50%～0.60%，大修后升高到1.2%～1.4%。该厂高压脱硫变压器(以下简称“脱硫变”)和高厂变的高压侧均连接于发电机出口母线。经检查发现：脱硫变高压侧W相升高座的电流互感器二次接线盒内，用于计量的二次绕组3S1、3S2接线柱上搭接了一根非常细的铜丝，运行中该铜丝对电流互感器二次电流产生了分流作用，导致脱硫变电能计量偏小。脱硫变在机组大修期间，进行了介质损耗测试等高压预防性试验，经分析和材质对比，确认该铜丝为试验人员短接升高座内电流互感器二次绕组后所遗留。

4.4电能表接线松动

某3×200 MW电厂2007年8月16—18日电量统计发现，1号主变16—18日的变损率持续大幅度降低。1号机组在8月15日开机前，由电网调停了13天，停运前的变损率数据稳定在0.50%～0.60%。根据1号发电机主、副电能表的显示数据，UV相线电压为97.2 V，VW相线电压为99.5 V。经过仔细排查，最后确认1号发电机电能表屏柜内的电压回路中接线端子松动，经处理后UV相线电压恢复至99.3 V，变损率恢复正常。

4.5电压互感器二次回路压降超标

a)2009年6—10月，某2×600 MW电厂电量统计发现1号主变的变损率较大，达到0.7%～1.1%，高于2号主变的0.2%～0.4%，且数据波动的幅度较大，如图4所示。对各计量元素检测发现，该厂220 kVⅠ母、Ⅱ母(1号、2号主变高压侧连接母线)的电压互感器二次绕组(用于计量)的压降均超标。

图4　1号、2号主变2009年6—10月的变损率对比

b)2011年7—10月，在发电负荷无大幅度变化的情况下，某2×660 MW发电厂2号机组大修前主变损耗率数据稳定在0.20%～0.30%，大修后升高到0.65%～0.80%。经检查发现：该主变高压侧母线的电压互感器二次回路(用于计量)在电压切换继电器输入和输出侧存在明显压降，差值达到0.7 V，经处理后变损率恢复正常。

4.6电量采集装置

2013年7月，某2×300 MW发电厂电量采集装置在6日零点采集数据时，1号发电机主表的电量采集失败，电量采集装置自动使用7月5日23时45分的数据替代，导致7月5日和7月6日的1号主变变损率出现小幅度波动，但在7月7日至7月8日即恢复正常。该现象的特点为变损率小幅度扰动，短期内恢复，如图5所示。

图5　采样数据异常前、后的1号主变变损率变化

4.7其他相似故障

a)电压互感器二次回路熔断器接触不良。2007年5月某4×300 MW发电厂1号、3号主变变损率同时出现大幅度正向突变。经检查运行方式发现，1号、3号主变均搭接于220 kVⅠ母运行，而在该母线电压互感器的接线端子箱内，计量的二次绕组回路熔断器前端三相电压为60 V，熔断器后端V相电压仅有17 V。更换V相熔断器后，三相电压平衡，1号、3号主变变损率恢复到常规水平。

b)人为故障。某2×600 MW发电厂电量统计发现，2012年3月19日2号主变变损率超标。经对比电量采集系统的历史记录数据，发现当日10：45—11：00期间，有约10 min时间主变高压侧电能表的三相电压为零。查询工作记录发现当时有工作人员在升压站工作，并有将电压互感器二次回路三相空气开关短时断开的操作。

5结论

发电企业可根据主变的变损率数据相对稳定、计算变损率需要众多电气设备运行稳定可靠的特点，统计各运行主变每日的变损率并进行分析，监测电气设备和回路故障，该方法具有以下优点：

a)主变变损率统计分析简易，对发电机-变压器组电气设备出现未达到报警或跳闸定值的异常和潜在故障的灵敏度较高。

b)主变变损率趋势出现大幅度波动，且不能自行恢复到常规水平，则可以判定电气设备或回路存在故障。主变变损率出现波动但能短期自行恢复到常规水平，可能与机组负荷有关(比如机组启停机期间)，或者与电量采样数据的精度有关(比如最后一位有效值的取舍)。

c)变损率的故障预判性还具有延展性。在故障计量元素相同的环境中，还有其他设备同时运行，通过故障设备的发现，也可由点拓展到面发现其他异常，例如在电流、电压互感器中与计量绕组并列的保护、测量绕组状态，电压互感器一次回路的熔断器状态等。

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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

中图分类号：TM933.4

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)06-0082-05

作者简介：

王义平(1982)，男，湖北公安人。高级工程师，工学学士，从事发电行业电气设备技术管理工作。

(编辑彭艳)