电网220kV主变压器负载损耗故障分析

国网天津市电力公司 张连操 张海艳

在电网中变压器存在损耗故障，该故障与变压器产生功率损耗有关，损耗形式包括空载与负载两种，前者相对稳定，与设备负荷无关，后者则与负荷有关，通常情况下负荷越大、负载越大，在负荷稳定的情况下电网中变压器损耗为空载损耗（P0）与负载损耗（PL）之和，只有二者数值均明确才能知晓主变压器的负载损耗，设备负荷电流用I 表示，其与负载损耗的关系式为PL=I2R，此式中R 为等值电阻。通过对电网220kV主变压器损耗进行分析可知，负载损耗对相关设备节能降耗成效所产生的影响较大，基于此为保障电网运营稳定且高效探析主变压器负载损耗故障及故障处理方略显得尤为重要。

1 电网220kV 主变压器负载损耗故障及分析方法

变压器磁势平衡保持稳定，不仅可提升变压器在电网中的抗短路能力，还能显著降低绕组涡流损耗，由此可见磁势不平衡是造成电网220kV主变压器损耗故障的主因。在计算磁势平衡时需按照变压器线匝排列情况及手册要求把绕组轴向划分成若干区域，近似认定各区安匝分布均等，调整区域内绕组的高度，确保高度接近或完全一样，对区域安匝绕组间的不平衡及总安匝百分比进行计算，由此得到不平衡安匝基于图示的分布情况，依据计算结果、经验公式最终得出绕组辐向力、轴向力，同时结合电网中主变压器负载损耗故障实际情况予以规设。

定量分析法在主变压器负载损耗故障判断中较为常见，主要分析对象为轴向漏磁场以及辐向漏磁场，依托电网分析上述变量对主变压器损耗所产生的影响，这对判断故障诱因有益，通过分析发现涡流损耗越大、导线横切面越大，在主变压器中引起损耗的主要原因是辐向涡流，在绕组轴向上漏磁分布并不均衡，在此条件下绕组端部会存在涡流损耗集聚累加的情况，布局线饼温度不断上升，严重时会引发电网故障，长期如此主变压器运行稳定性将随之降低[1]。

在有限元软件广泛应用的大背景下漏磁场分布分析可结合图片予以论证，将磁势分布、磁感应分布区别开来，解决因传统基于经验的计算所造成的误差问题，利用漏磁场图例分析故障，使辐向涡流损耗计算分析更为精准，为处理相关故障给予支持。

为使故障分析更具针对性，将180MVA/220kV-sfpsz10电力变压器视为负载损耗故障分析的对象，说明在电网设计进程中不仅需关注安匝平衡，还要关注磁势分布情况，通过合理的调整将漏磁指数控制到最小，达到减少绕组涡流损耗的目的，同时可提升主变压器抵抗短路的能力，还可避免局部温度过高，使电网运行更为稳定。研究分析设备为三项主变压器，绕组有三个，内设风冷系统，额定容量有三个档次，低压是中压与高压的三分之一，中高压均为180MVA，在运行中额定电压可以根据需要加以调节，技术人员可按照设备出厂说明调控，为的是避免设备因参数规设不合理而引发故障，这就需要在研究分析前专业人员充分分析设备，在此条件下评估设备是否符合试验分析要求，为试验分析奠定基础，保障故障试验更加高效。通过试验可知中高压损耗客观存在，其损耗同标准相比超出19%左右，其中最正分接损耗属于最大值。将试验数据录入漏磁场分析软件中进行计算处理，找出负载损耗较大的故障原因，而后对结构中的绕组予以调整。

在试验进程中数据搜集是关键一步，本次试验主要搜集数据为直流电阻及每个分接的损耗，将损耗情况汇总到一起并制成图1，通过观察可知最正分接为1，额定分接与最负分接分别为9、17，损耗数值由试验得出，同时依托公式算出最终的损耗情况，其中附加损耗为负载与直流电阻所产生损耗的差额，占比较大的为绕组涡流及杂散所形成的损耗。根据图1可知，损耗大小并不相同，总体来讲持续减小的为附加损耗，1、17两个分接分别为损耗最大值与最小值。在试验中要关注漏磁的分布情况，应用软件分析绕组，在此基础上计算参数予以调控并得出最终的计算结果。在经验公式中纯轴向为假设的磁力线，同时磁力线在绕组端部停止延展，2个假设会使计算结果变得不准确，影响短路抗阻分析成效。

图1 中压—高压个分解的负载损耗

试验分析所用变压器分接短路抗阻计算结果与漏磁场软件所得结果进行对比（见图2），在1-17分接中漏磁场软件计算误差小于2%，短路抗阻计算的准确率较高，说明短路抗阻与漏磁场有关，针对1、9、17分接涡流损耗进行计算，为分析损耗情况提供依据，根据试验所得分接负载、直流电阻、涡流及杂散的损耗情况按照公式规范计算，同时计算温度折算值，使试验分析更具科学性与规范性。计算结果表明试验中处于1、9、17三个分接的涡流在中高压运行环境中变化最为明显，在此结论支撑下对漏磁场内的损耗现象予以剖析，并根据分接设计观察变压器绕组涡流以及杂散的损耗情况，相关结论为漏磁场软件分析处理所得结果，前者为涡流损耗、直流电阻损耗与负载损耗之差。通过分接对比可知，1-17杂散损耗、涡流损耗均下降，二者减小趋势存在差异。分接1杂散损耗、绕组涡流损耗均较大，分接17杂散损耗、绕组涡流损耗均较小，两种损耗均与漏磁有关，其中分接1漏磁远大于分接17。在变压器中产生漏磁现象的原因有2个，一是绕组不均衡，二是油箱、铁心柱等构件边界条件对变压器磁场产生影响。因为结构参数不变，所以沿轴向安匝在变压器内可以调整，需针对影响辐向漏磁分布情况的因素进行分析，为优化主变压器及其发挥作用的电网提供依据[2]。

图2 中压—高压各分接的短路抗阻

2 处理电网220kV 主变压器负载损耗故障的方略

首先，优化变压器。通过对电网中主变压器负载损耗故障成因进行分析可知，变压器安匝不合理排布是引起损耗的原因之一，这与中高压绕组排列低效有关，在此情况下辐向漏磁会加大同时增加相关损耗，因为漏磁会在箱盖、夹件等部位形成杂散损耗，所以变压器损耗总量会增大。除受安匝分布因素影响外，损耗还与绕组间距有关，铁芯柱亦会影响安匝分布，使结构中的辐向漏磁随之发生变化。外绕组安匝数量持续递减特定区域内辐向漏磁随之减少，可见二者成正相关，同时内部辐向漏磁与外部辐向漏磁为负相关，通过调节内外绕组安匝在指定区域内可控制漏磁大小。基于此，为解决电网220kV 主变压器负载损耗故障问题可优化设备，通过调整绕组安匝保障磁势平衡，提升设备短路承受能力，合理减小因辐向漏磁而导致的涡流损耗。

其次，科学设计线规。中高压可采用2种线规，一是中部线规较薄、宽度较大，线规位于端部厚度较大、宽度较小，为的是保障端部横向漏磁问题得以解决，用减少绕组的方式降低涡流损耗，还可提升绕组导线应力及轴向力，试验表明上述线规不会出现局部温度过高的现象。

最后，综合调整电网。在电气强度达标的基础上适当减小中压绕组端部若干饼油道，高压绕组油道维持原状，以涡流损耗合理控制为指向，观察中高压绕组调整对涡流损耗所带来的影响，通常情况下多方案对比，为的是找到最佳的电网损耗控制对策，在此基础上保障漏磁数值在合理范围之内，还需注意最大与最小分接，为线规、间距等参数的设计提供依据，继而落实变压器优化的目标，在最终确定调整方案后还需进行计量，为的是保障调整结果科学高效，能将最小分接负载及最大分接负载损耗控制在合理的值域内，达到处理220kV 电网主变压器负载损耗故障的目的。

除针对变压器的结构予以优化外，还需做好电网日常运维工作，时刻关注主变压器负载损耗情况，分析损耗产生的非设备性原因，例如专职人员可将变压器置于不同的运行情境中，对损耗进行分析，可比较容量相同的两台变压器分列式运转所产生的损耗与单台负荷下的损耗，为使比较结果具有实效性需确保负荷电流总额小于一台变压器的额定电流，假定变压器在分列式运作中负荷电流为I，那么可得出变压器损耗总和，若变压器负荷与其中一台兼供，那么另一台停运时带负荷变压器损耗可用P1T=PO(4I2/I2n)PK表示，其中PK 为In2R，通过计算则能得出变压器带负荷运转时的总损耗，以及损耗与单台设备相比要小状态下的临界负荷电流数值，这为电网参数调节提供依据，保障电流设置合理，有效减小变压器负载损耗。利用上述思路还可在不同的变电器运行模式下予以分析负载损耗，最终选出适宜的运行方法。需要注意的是，变电器低损耗运行方法的选择不仅要关注能耗，还要关注220kV 电网运维养护成本，以免出现方法可行、成本过高的现象，为电网及电网设备运行体系可持续发展给予支持[3]。

3 电网220kV 主变压器负载损耗故障分析与处理趋势

新时代数字技术高效应用，并成为各领域创新与改革的有力条件，针对电网220kV 主变压器负载损耗故障分析与处理亦可运用数字技术，其目的是提升故障分析能力，提高主变压器负载损耗问题解决的有效性。例如，专职技术人员可组建数据库存储与主变压器负载损耗有关的数据，一方面关注变压器全生命周期，另一方面针对主变压器负载损耗原因、规律、特征及影响等方面进行自动化、数字化分析，为故障分析与处理给予支持。在数据不断累加的条件下，专职技术人员还可利用数字技术规设虚拟模型，依据主变压器高效运转参数加以模拟，这不仅可在主变压器负载损耗故障发生前精准预警，还可用来模拟多套主变压器负载损耗故障处理方案，最终选出最适合220kV 电网稳定、安全、低耗运行的方案，达到提高主变压器负载损耗故障分析与处理有效性的目的。专职技术人员还可在220kV 电网中安装传感器，为全天候监督主变压器并收集能耗数据提供有力的条件，利用中央集控软件就能远程控制主变压器的负载损耗，根据损耗数据亦可明确主变压器故障所处区域，这可有效压缩故障分析与处理时间成本。在数字技术涌进电网220kV 主变压器负载损耗故障分析与处理领域的背景下，专职技术人员需不断增强信息素养，适应数字化故障分析处理新场景，学习各类技术，树立创新意识，可根据主变压器负载损耗故障分析处理需求灵活运用先进的技术手段，继而为主变压器负载损耗故障高效处理提供人才与技术双重保障。

4 结语

综上所述，电网220kV 主变压器负载损耗故障分析既要实事求是又要科学高效，基于此利用有限元软件对变压器运行情境加以模拟，关注各分接状态下的负载损耗，通过对比分析发现损耗成因，有效调整油道、线规、安匝等参数，将辐向涡流损耗有效控制及设备承受的短路机械力大小视为故障处理的要点，确保安匝平衡且辐向漏磁最小，继而在解决主变压器负载损耗过高故障问题的同时提高设备的抗短路能力，营造稳定的电网运行环境。