电力变压器经济运行区的研究

电力变压器是应用极为广泛的电气设备，从发电、供电直到用电，一般需经过约5次变压过程，每次变压都要产生电能损耗。由于变压器台数多，总容量大，所以在电力系统中，变压器的总损耗约占总发电量的8%。因此，对电力变压器经济运行区的研究具有重要意义。

　　变压器综合功率中的空载损耗为ΔPoz，综合功率中的额定负载损耗ΔPdz，变压器综合功率损耗为ΔPz=ΔPoz β2ΔPdz，其中β为变压器负载率。因变压器实际负载总是在一定范围内变动，不能用某一个量值来评价其运行工况优劣，需要用运行区来评价，现分析如下：

　　1　单台变压器经济运行区的确定

　　单台变压器综合功率损耗率ΔPz%，如式(1)所示：

　　ΔPz%=ΔPoz β2ΔPdz÷βSecosφ2 ΔPoz β2ΔPdz　　　　　　　　　 (1)

　　根据上式可得变压器综合功率损耗率的特性曲线，如图1所示。

　　由图可见，负载系数β在0≤β≤βz范围内，ΔPz%为递减函数，在βz≤β≤1范围内，ΔPz%是递增函数，但其曲率比递减时小得多(变化比较平稳)。

　　变压器长期满载运行应视为安全合理的，因此，变压器经济运行区的确定原则应为：变压器在额定负载条件下运行作为经济运行区的上限值，故得出βj1=1的数值。经济运行区的下限对应的损耗率如图1所示，要与额定损耗率相等。而变压器在额定负载时(β=100%)，损耗率ΔPe%的计算式为：ΔPe%=ΔPoz ΔPdz÷Secosφe ΔPoz ΔPdz　　　　　　 (2)

　　式中cosφe——变压器额定负载时的功率因数

　　当变压器负载率为βj2时，其综合功率损耗率ΔPj2%的计算式为：

　　ΔPj2%=ΔPoz βj22ΔPdz÷βj2Secosφ2 ΔPoz βj22ΔPdz　　　　　　　　　(3)

　　因为ΔPj2%=ΔPe%，所以可得下列关系式：

　　ΔPoz ΔPdz÷Secosφe ΔPoz ΔPdz=ΔPoz βj22ΔPdzβj2Secosφ2 ΔPoz βj22ΔPdz　(4)

　　在上式中Secosφe》ΔPoz ΔPdz，βj2Secosφ2》ΔPoz β2j2ΔPdz，故分母中的ΔPoz ΔPdz和ΔPoz β2j2ΔPdz可以略去不计，又因Secosφe≈Secosφ2，所以式(4)可简化为：ΔPoz ΔPdz=ΔPoz βj22ΔPdz÷βj2

　　由上式可解得：

　　βj2=ΔPoz÷ΔPdz=βz2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (5)

　　结论：经济运行区的上限βj1=1;经济运行区的下限βj2=βz2。

　　2　单台变压器经济运行区优选运行段的确定

　　变压器经济运行区包括了变压器额定负载在内的较大负载范围，在这个范围的边缘(如接近βj1，βj2的负载系数)，其损耗率与最低损耗率相比仍较高，有必要在经济运行区内确定优选运行段。

　　确定优先运行段的目的，是为了保证在此负载范围内，变压器的综合功率损耗率比最低综合功率损耗率增加会小于10%，从而实现高效降损的目标。

　　经过论证分析，根据国标《GB/T13462-92工矿企业电力变压器经济运行导则》，对变压器最佳经济运行区的上限负载率定为βz1=0.75。

　　根据变压器综合功率损耗率特性曲线，可以找到与βz1=0.75时的对应点

　　βz2，βz2即为最佳经济运行区的下限值，如图2所示。

　　由图2可知，变压器分别在βz1与βz2运行时，其综合功率损耗率是相等的，所以可得如下关系式：

　　ΔPoz (0.75)2ΔPdz÷0.75Secosφ2 ΔPoz (0.75)2ΔPdz=ΔPoz βz22ΔPdzβz2Secosφ2 ΔPoz βz22ΔPdz

　　经化简后可解得：

　　βz2=2ΔPoz÷1.5ΔPdz=1.333βz2　　　　　　　　　 (6)

　　结论：最佳经济运行区的上限βz1=0.75;最佳经济运行区的下限βz2=1.333βz2。

　　综上所述，以变压器的实际综合功率负载系数β为据，可将变压器运行区域分为三类：

　　①最佳经济运行区：1.333βz2=βz2≤β≤βz1=0.75;

　　②经济运行区：βz1=0.75<β≤βj1=1及β2z=βj2≤β≤βz2=1.333βz2;

　　③非经济运行区：0≤β≤βz2。

　　电力变压器的无励磁分接开关亦称无载调压开关，它只能在变压器停止运行，没有激磁的情况下用来改变变压器绕组的有效匝数，从而达到改变变比和变压器输出电压的目的。因此，分接开关的触点设计容量较小，也不需要采取灭弧措施，且开关操作也只限于手动就地操作。但是由于变压器缺油，开关质量差、维护不同、使用不慎、调档不到位等情况发生，将会使整台变压器烧坏。在我们所检修的电力变压器中。因无载分接开关故障导致电力变压器损坏的约占25%。

1　　故障原因

　　(1)　变压器渗油(导电杆螺帽不紧、箱盖，油标密封垫，放油阀，焊缝等处)使无载分接开关裸露在空气中，使之逐渐受潮。因为电力变压器的油指示处在油枕中部，变压器在运行中产生的碳化物受热后又产生油焦等物质将油标呼吸孔堵死造成假油面，少量的变压器油留在油标内，使人误认为油面偏低而没重视加油，时间一长，裸露的分接开关绝缘受潮后性能下降，导致放电短路，损坏变压器。

　　(2)　无载分接开关的制造质量差，结构不合理、压力不够、接触不可靠，外部字轮位置与内部实际位置不完全一致，引起星形动触头位置不完全接触，错位的动、静触头使两抽头间的绝缘距离变小，并在两触头之间的电势作用下发生短路或对地短路放电，短路电流很快就把抽头线圈匝绕坏，甚至导致整个绕组损坏。

　　(3)　运行中的变压器无载分接开关长期浸在高于常温的油中，特别是偏远农村的线路长，电压降大，使分接开关长期处于过负荷状态中运行，油的老化可能引起分接开关触头出现碳化膜和油垢，触头发热后使弹簧压力降低(特别是触环中弹簧、由于材料和制造工艺差，使弹性降低很快)或零件变形，分接开关的引线头与接线螺丝松动等原因未及时处理，使导电部位接触不良，接触电阻增大，产生发热和电弧烧伤，电弧还将产生大量气体，分解出具有导电性能的碳化物和被熔化的铜微粒，喷涂在箱体、一、二次套管，绕组层间，匝间等处，引起短路烧坏变压器。

　　(4)　部分村电工对无载分接开关原理不清，又无测量用的工(器)具，在远离变电所的农村电网中，电压普遍偏低，村电工误将原来无载分接开关从“2”档调到“1”档，发现电压更低时，又将分接开关调到“3”档位置，由于操作不慎引起分接开关不完全到位或扭断动触头的绝缘轴，断落的触头引起线间或对地短路，最终导致变压器投入运行时，将高压三相绕组烧坏。

　　(5)　安装工艺差，对各部位紧固螺栓的检查不仔细，造成变压器箱体进水，使分接开关绝缘，绕组绝缘受潮。还有运行维护不到位，没有严格执行好《变压器运行规程》，多数的变压器从安装到烧坏的几年、十几年中从没进行常规维护和污垢的清理，导致变压器散热条件差而损坏。

　　2　 检测方法

　　(1)　在变压器交接、大修时、更换分接开关和运行2年后的变压器，必须用兆欧表测量绝缘电阻值，用电桥测量直流电阻值，对630kVA以下的变压器，要求直流电阻相间误差值<4%，线间误差值<2%。

　　计算公式Rz=　×100%

　　式中RZ——误差值

　　RD——最大电阻值

　　RC——最小电阻值

　　(2)　定期对变压器绝缘油取样化验(送检)，经常检查油枕中的实际油面位置，不要被假油指示所误。

　　(3)　倒、换无载分接开关前后，必须用电桥测量出前后两次直流电阻值，并作好记录。

　　观察三相直流电阻是否平衡是否在允许范围内，将倒换后的直流电阻与倒换前两次记录进行比较，判断是否正常。通过比较可以诊断出是否存在上述故障，分析出原因后进行处理。

　　(4)　对运行中的变压器无载分接开关就地调档，在测试直流电阻的同时，还应测试变压器上层油温(因变压器的绕组直流电阻与油温有关)，并把所测试的直流电阻值换算到20℃时的油温值。

　　换算公式R20=×Ra

　　式中R20——换算为20℃时两电阻值

　　T——系数。(铜为235，铝为228)

　　ta——测量时变压器的上层油温

　　Ra——温度为ta时测得的电阻值

　　在测量时使用仪表准确度应不低于0.2级，大型变压器应不低于0.05级。

　　(5)　测量直流电阻时，应将连接导线截面选得大些，尽量缩短长度，接触必须良好，用单臂电桥测量时，测量结果中还应减去测试线的电阻才是实际电阻值。测量完毕，先停检流计，后停电池开关，以防烧坏电桥，倒换线时，必须将变压器线圈放电，以防人身触电。

　　3　 检修调试

　　(1)　无载分接开关的检修调试是在变压器吊芯至露出分接开关后进行(为保证安全，在检修开始前应将变压器端盖用方木或其他物品支撑的箱体上)，首先，观察触头与引线，触柱与绝缘胶木是否有松动，动、静触头压力是否足够。并可用手按压试之，手感压力应均匀，压力过小的应更换弹簧，有条件也可用测力计测出压力值，一般应在(24.5～49)×104Pa( 2.5 ～5kg)/cm2之间，对于非运行档，可以反复转动分接开关，然后观察是否有摩擦痕迹。

　　(2)　外观检查可以发现用仪器不能发现的不正常故障，如运行中的无载分接开关动、静触头的发热、变色、变形或放电灼损的痕迹。发热触点周围碳化，油垢积聚等现象，如发现这些不正常故障后，经过修整后不能达到无载分接开关质量标准的，必须更换新开关。

　　(3)　新换无载分接开关后，应认真检查分接开关所接的引线位置是否正确一致，要检查锁紧定位栓是否到位，再拧紧法兰和三个密封螺丝，用搬手将分接开关向正、反方向各转动5周以上，消除动、静触头上的氧化膜，保证动、静触点接触良好，在转动触点时应观察指针位置与触点实际位置是否正确。

　　(4)　吊芯前所测试的直流电阻值可以作检修或更换分接开关时的参考，如果接入绕组匝数少的一档直流电阻反而比其他档大时，为该档接触不良。假如某相的某一档上直流电阻值比其余两相的同一档的电阻大，而在另外两相各档上的直流电阻基本相等时，则此档就该重点检查，分析故障原因后处理。若分接开关触头有脏物和油垢，用抹布或卫生纸揩拭干净，触点有放电灼损麻点或碳化物，要用#0细砂布擦光，动、静触点灼伤严重应更换新开关。

　　(5)　分接开关向外渗油、若是耐油胶垫老化所致，应将其更换。是法兰盘不紧或转动处向外渗油，视情况进行处理。分接开关绝缘部分受潮后，必须取下烘干后进行耐压试验，6～1 0kV分接开关的两触点之间，触点与地之间的交流耐压值应>2kV，35kV分接开关的交流耐压值应>5kV。若绝缘表面，芯内有击穿和灼损的，必须更换新开关，在拆下开关之前，应注意将引线头和接线柱加装编号，记好方向，防止组装时造成错误接线烧坏变压器。

　　(6)　高压引线有断裂，烧熔时，应检查相间、线间的绝缘距离，对地距离，并根据情况加强绝缘和距离调整，对引线进行修复调整，将所有缺陷处理完后，用凯尔文双臂电桥测量无载分接开关各个位置的触点电阻应<500μΩ，用2500V兆欧表测量触点之间的绝缘电阻值，6 —10kV分接开关应>100MΩ，35kV分接开关应>2000MΩ。

　　(7)　分接开关在组装，调试完毕后，再用双臂电桥依次测量各档位置的直流电阻值，并作好记录，注意一定要将运行档的直流电阻值放在最后一次测量、测试合格后，不要再切换无载分接开关位置。