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        在線測(cè)量10kV配電變壓器損耗的方法研究

        2017-10-17 09:11:21朱礦男吳嘉慧
        關(guān)鍵詞:開(kāi)路吉林損耗

        朱礦男,王 迪,金 洋,李 澤,吳嘉慧

        (1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130000;3.吉林延邊供電公司 吉林 延吉 133000;4.吉林油田供電公司,吉林 松原 138000;5.吉林供電公司,吉林 吉林 132000)

        在線測(cè)量10kV配電變壓器損耗的方法研究

        朱礦男1,王 迪2,金 洋3,李 澤4,吳嘉慧5

        (1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130000;3.吉林延邊供電公司 吉林 延吉 133000;4.吉林油田供電公司,吉林 松原 138000;5.吉林供電公司,吉林 吉林 132000)

        在我國(guó),10 kV配電變壓器應(yīng)用較為廣泛,對(duì)在線測(cè)量變壓器損耗的方法進(jìn)行研究有利于電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。在考慮諧波的影響下,實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器損耗實(shí)時(shí)高效的檢測(cè),進(jìn)而準(zhǔn)確判斷故障、達(dá)到節(jié)能降耗的目的。首先把損耗分解為基波損耗及諧波損耗兩部分。通過(guò)變壓器的等效電路模型得出變壓器短路阻抗與變壓器一、二次側(cè)電壓電流關(guān)系,理論推導(dǎo)將運(yùn)行中的變壓器不變損耗和可變損耗分解開(kāi),依據(jù)不變損耗近似為鐵耗,可變損耗近似為額定電流下的銅耗,以此為原則來(lái)完成配電變壓器基波損耗的在線測(cè)量。另外建立諧波損耗模型,針對(duì)諧波次數(shù)對(duì)損耗的影響做出分析。在仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真,主要針對(duì)10 kV配電變壓器來(lái)建立一套完整的配電變壓器檢測(cè)系統(tǒng),仿真結(jié)果的開(kāi)路損耗和短路損耗分別在0.42%和2.23%以下,該方法有很好的準(zhǔn)確性和普適性。

        變壓器,在線檢測(cè),開(kāi)路損耗,短路損耗,諧波損耗

        在整個(gè)電力系統(tǒng)中,變壓器占有重要地位,變壓器不僅可以改變電壓電流的大小,而且還能完成傳輸功率、改變相位的任務(wù)。變壓器性能的優(yōu)劣程度直接影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性,在電力系統(tǒng)的所有損耗中,變壓器損耗所占的份額尤其突出,根據(jù)相關(guān)資料表明,在我國(guó)10 kV配電變壓器損耗的電能約為30 TWh~50 TWh,占發(fā)電總量的4%~5%。且有大部分沒(méi)有達(dá)到壽命年限的變壓器因工作環(huán)境惡劣,內(nèi)部元件老化嚴(yán)重,造成損耗大幅增加,由此所帶負(fù)載能力也隨之下降。目前,判斷變壓器是否處于高損耗狀態(tài)的方法是對(duì)開(kāi)路損耗和短路損耗的離線檢測(cè),不僅浪費(fèi)資源,且受環(huán)境因素影響有諸多不便。針對(duì)這一問(wèn)題,在線檢測(cè)開(kāi)路損耗和短路損耗及諧波損耗不僅僅可以節(jié)約能源、提高供電效率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境,還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障避免事故發(fā)生,以保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

        變壓器的損耗分為基波損耗和諧波損耗,其中基波損耗包括開(kāi)路損耗和短路損耗,對(duì)于這兩種損耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以讓工作人員實(shí)時(shí)了解變壓器的運(yùn)行效率和變壓器性能是否滿足正常運(yùn)行要求,提高了設(shè)備的利用效率。而諧波損耗主要是由負(fù)載引起的諧波對(duì)變壓器造成的損耗。據(jù)相關(guān)資料表明,5次諧波含量在20%時(shí),變壓器損耗增加15%。由此,對(duì)諧波損耗的在線測(cè)量對(duì)提高變壓器負(fù)載能力及維護(hù)供電系統(tǒng)穩(wěn)定有重要意義[2-3]。

        目前電力部門(mén)進(jìn)行的空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)都是在離線狀態(tài)下進(jìn)行的,如果需要對(duì)變壓器損耗進(jìn)行檢測(cè)必須使運(yùn)行中的變壓器停止運(yùn)行,從而造成供電中斷。這樣不但浪費(fèi)了大量的人力物力財(cái)力,而且又影響了供電的可靠性。且諧波損耗隨負(fù)載變化而變化,在線測(cè)量可真實(shí)反映變壓器運(yùn)行情況[4]。如今,變壓器的在線檢測(cè)主要包括變壓器油氣體檢測(cè)、變壓器局部放電檢測(cè)、介質(zhì)損耗系數(shù)在線檢測(cè),而研究變壓器損耗在線檢測(cè)比較少[5]。本文針對(duì)配電變壓器的損耗在線檢測(cè)展開(kāi)研究[6],進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)和仿真平臺(tái)的搭建。

        1 檢測(cè)方法

        變壓器損耗測(cè)試方法總體上分為以下四種:(1)采用開(kāi)路、短路試驗(yàn)方法測(cè)量變壓器鐵耗與銅耗,但是這種方法不能用于在線測(cè)試,而且這種方法還受到電源容量限制,如果電源容量較小,試驗(yàn)的電壓波形會(huì)產(chǎn)生較大的失真,測(cè)量會(huì)產(chǎn)生很大的誤差[7];(2)測(cè)量變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)的輸入與輸出功率表,通過(guò)做差求得變壓器的功率損耗,這種在線方法只能測(cè)量出總損耗而不能得到變壓器鐵耗、銅耗的具體值,即不能分出鐵耗與銅耗[8];(3)用求和的方法在線測(cè)量,這種方法的原理簡(jiǎn)單、精度準(zhǔn)確,但是算法本身很復(fù)雜;(4)針對(duì)諧波損耗,依據(jù)變壓器T型等效電路推導(dǎo)出諧波計(jì)算公式,但高壓側(cè)電流參數(shù)測(cè)量難度大,計(jì)算復(fù)雜。

        本文介紹現(xiàn)場(chǎng)不斷電情況下在線檢測(cè)變壓器損耗,實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)空載損耗、短路損耗及諧波損耗,對(duì)比離線的檢測(cè)方法,在線檢測(cè)會(huì)獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益并且保證了電網(wǎng)安全可靠的運(yùn)行[9]。

        2 基波損耗的在線測(cè)量

        2.1 損耗的分類(lèi)

        按照不變損耗近似為鐵耗,可變損耗近似為額定電流下的銅耗的原則,附加的鐵耗和銅耗忽略不計(jì),用等效電路研究變壓器,其中單相變壓器等值電路如圖1所示。

        圖1 變壓器等值電路

        在圖1中,r1、x1代表變壓器一次側(cè)繞組的電阻、電抗,r21、x21代表二次側(cè)繞組折合到一次側(cè)繞組的電阻、電感,rm和xm分別為變壓器勵(lì)磁電阻、電抗,u1、u2、i1、i2分別為一次側(cè)電壓,電流的瞬時(shí)值,u21、i21分別為二次側(cè)電壓、電流折合到一次側(cè)的電壓電流值,im為勵(lì)磁電流,K為變壓器變比。

        在配電變壓器中的介質(zhì)損耗和散雜損耗測(cè)量比較困難,但是它們的數(shù)值很小,可以忽略不計(jì)。因此變壓的損耗分為鐵耗和銅耗,表達(dá)式如下:

        P總損耗=P1-P2=u1i1-u2i2=PFe+Pcu.

        (1)

        2.2 在線單相變壓器檢測(cè)的基本原理

        功率的大小為電壓與電流的乘積,變壓器的損耗為變壓器原邊與副邊的功率瞬時(shí)值之差

        (2)

        其中:P(t)為總的損耗;P0(t)為空載損耗;Pk(t)為短路的損耗;K為變壓器的變比。計(jì)算一個(gè)周期的變壓器損耗的平均值分別為

        (3)

        (4)

        也可以對(duì)公式(3)、公式(4)傅立葉離散化:

        (5)

        (6)

        2.3 在線三相變壓器檢測(cè)的基本原理

        三相變壓器的開(kāi)路和短路損耗可以看作是三個(gè)變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗之和,即:

        (8)

        圖2 Yy0變壓器等值電路圖

        2.4Yy0變壓器在線檢測(cè)

        如圖2所示,用PT和CT測(cè)出變壓器一次二次的線電壓和相電流信號(hào),但是所測(cè)數(shù)據(jù)不能直接帶入上述方程計(jì)算開(kāi)路與短路損耗,但是Yy0連接組別的變壓器,一次二次電流有Ia+Ib+Ic=0,則將Ib=-Ia-Ic帶入公式(7)、公式(8)得到:

        (9)

        (10)

        2.5Dyn11變壓器在線檢測(cè)

        對(duì)于除Yy0連接組別的變壓器,可以參照Yy0連接組別的算法推理出相應(yīng)的開(kāi)路損耗和短路損耗,如Dyn11連接組方式,如下圖:

        圖3 Dyn11變壓器等值電路圖

        將線電流iLA、iLB、iLC表示為如下形式:

        (11)

        因?yàn)閕A+iB+iC=0,則容易推出如下相電流公式:

        (12)

        然后帶入公式(7)、公式(8)就可以計(jì)算出Dyn11連接組別變壓器的開(kāi)路和短路損耗,實(shí)現(xiàn)變壓器損耗的在線測(cè)量。

        3 諧波損耗的在線檢測(cè)原理

        鑒于T型等效電路中一次側(cè)電流不易測(cè)量,借助變壓器的Г型等效電路創(chuàng)建其簡(jiǎn)化模型來(lái)計(jì)諧波損耗,將所有參數(shù)都?xì)w算到二次側(cè)(包括一次側(cè)的電阻和電抗),如圖4所示。

        圖4 第h次諧波下變壓器Г型等效電路諧波模型

        圖4中,ih2為變壓器二次側(cè)第h次諧波電流;ih12為變壓器一次側(cè)歸算到二次側(cè)的第h次諧波電流;rh2為第h次諧波作用下變壓器二次側(cè)繞組電阻;xh2為第h次諧波作用下變壓器二次側(cè)繞組電抗;rh12為第h次諧波作用下變壓器一次側(cè)歸算到二次側(cè)的繞組電阻;xh12為第h次諧波作用下變壓器一次側(cè)歸算到二次側(cè)的繞組電抗;xh(m)2為第h次諧波作用下變壓器二次側(cè)的激磁電抗;rh(m)2為第h次諧波作用下變壓器二次側(cè)激磁電阻;uh12為變壓器一次側(cè)歸算到二次側(cè)第h次諧波電壓;ih12為變壓器一次側(cè)歸算到二次側(cè)的第h次諧波電流;uh2為變壓器二次側(cè)第h次諧波電壓。

        根據(jù)變壓器諧波損耗模型,測(cè)出二次側(cè)諧波電流,即可得到諧波損耗計(jì)算公式:

        (13)

        其中:Iah2為變壓器二次側(cè)a相第h次諧波電流有效值;Ibh2為變壓器二次側(cè)b相第h次諧波電流有效值;Ich2為變壓器二次側(cè)c相第h次諧波電流有效值;PEC-R(pu)為變壓器渦流損耗系數(shù)。

        PEC-R(pu)的取值如表1所示:

        表1 PEC-R(pu)的取值選擇

        4 變壓器在線檢測(cè)仿真驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證變壓器空載損耗和短路損耗在線檢測(cè)方法的正確性,采用MATLAB/SIMULZNK搭建的三相變壓器仿真模型如圖5所示,對(duì)變壓器進(jìn)行在線仿真研究。仿真應(yīng)用的是Yyn連接組別的變壓器,變壓器的容量為SN=30 kVA,變壓器的額定電壓比為10/0.4 kV,變壓器的額定頻率為50 Hz。變壓器的空載試驗(yàn)、短路試驗(yàn)所得的結(jié)果如表2所示。

        圖5 變壓器在線檢測(cè)仿真圖

        表2 變壓器試驗(yàn)結(jié)果

        表3 變壓器開(kāi)路和短路在線仿真數(shù)據(jù)

        仿真結(jié)果,如表3所示。從表3中可以看出負(fù)載電流的大小直接影響著可變損耗即銅耗的大小,可變損耗與負(fù)載電流之間的擬合關(guān)系如圖6所示。

        圖6 可變損耗與負(fù)載電流關(guān)系

        由表3中的數(shù)據(jù)還可以看出不變損耗即鐵耗是一個(gè)相對(duì)固定的值,這和理論鐵耗近似不變相吻合。

        圖7顯示了10 kV級(jí)30 kVA配電變壓器三相電壓和電流的擬合曲線圖。查閱相關(guān)資料得到實(shí)際測(cè)量的短路阻抗值為133.2 Ω,短路電阻值為92.75 Ω。圖7中擬合線的斜率即為等效短路阻抗值,由圖可知實(shí)測(cè)參數(shù)與擬合線非常吻合,故仿真誤差很小。對(duì)不同負(fù)載情況對(duì)變壓器在線仿真可以得出兩種損耗如表4所示。

        表4 不同負(fù)載損耗情況

        在線仿真結(jié)果的開(kāi)路損耗和短路損耗的結(jié)果與離線試驗(yàn)結(jié)果誤差分別在0.42%和2.23%以下,可見(jiàn)本文提出來(lái)在線檢測(cè)變壓器損耗是正確的、可行的。

        在變壓器三相負(fù)載平衡且功率一定時(shí),通過(guò)改變變壓器各次諧波含有率,進(jìn)而改變變壓器諧波電流,計(jì)算出諧波次數(shù)與變壓器諧波損耗之間的變化關(guān)系,如圖8所示。

        由此可以看出諧波含有率相同時(shí),諧波次數(shù)越高,諧波損耗也隨之增加。此方法實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)諧波損耗,對(duì)于降低變壓器損耗,判斷運(yùn)行狀態(tài)提供了參考。仿真結(jié)果則驗(yàn)證了模型建立的正確性及可行性。

        圖7 短路阻抗與負(fù)載電流擬合關(guān)系圖8 諧波次數(shù)與諧波損耗的關(guān)系

        5 結(jié) 論

        利用運(yùn)行中變壓器的運(yùn)行電壓電流分別求出變壓器的開(kāi)路損耗和短路損耗是可行的,并且仿真驗(yàn)證了改進(jìn)的變壓器諧波損耗模型的正確性和簡(jiǎn)便性。利用在線檢測(cè)出來(lái)的損耗即空載、短路損耗及諧波損耗可以有效的估計(jì)掛網(wǎng)運(yùn)行中變壓器的性能指標(biāo),達(dá)到節(jié)能降損和保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的作用,擁有非常大的效益和發(fā)展前景,正確的處理變壓器在線損耗檢測(cè)將會(huì)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

        [1] 楊俊,杜瑋,向冬冬,等.變壓器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備優(yōu)選研究[J].電工電氣,2014(10):44-47.

        [2] 李國(guó)慶,王振浩,王曉沖,等.一種新型的變壓器鐵心多點(diǎn)接地在線監(jiān)測(cè)裝置[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(1):1-4.

        [3] 王鐘.一種新的電力變壓器在線監(jiān)測(cè)方法的研究[J].四川電力技術(shù),2005,28(5):10-12.

        [4] 胡國(guó)輝,何為,王科.配電變壓器諧波附加損耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,39(22):62-67.

        [5] 梁永亮,李可軍,趙建國(guó),等.變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)周期動(dòng)態(tài)調(diào)整策略研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(9):1446-1453.

        [6] 程林,任士焱.三相變壓器空載與負(fù)載損耗在線檢測(cè)方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005,26(8):144-145.

        [7] 梁永亮,李可軍,牛林,等.變壓器狀態(tài)評(píng)估多層次不確定模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(22):73-78.

        [8] Z.X.Jing,X.P.Chen.Notice of Retraction Optimization of distribution transformer capacity based on comprehensive economic perspective[C]// Power Engineering and Automation Conference.IEEE,2011:376-381.

        [9] 胡錫幸,馬濤,王文浩.浙江電網(wǎng)變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用分析[J].浙江電力,2013(11):2-5.

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        Abstract:In our country,the application of 10kV distribution transformer is more extensive.The research on the method of on-line measurement of transformer loss is beneficial to the safe and reliable operation of power system.The design of transformer loss measurement system can avoid power supply for off-line measurement of short circuit and open circuit loss caused by discontinuities,and considering the influence of harmonic,detection of transformer loss efficiently,and accurately determine the fault and achieve the purpose of energy saving.Firstly,the loss is divided into two parts:fundamental loss and harmonic loss.The equivalent circuit model of the transformer the transformer short-circuit impedance transformer with one or two voltage current relationship,theoretical derivation of the transformer in constant loss and variable loss decomposition,based on invariant approximation for the loss of iron loss and variable loss approximate to the rated current of the copper consumption,online measurement based on this principle to complete the distribution transformer harmonic loss.In addition,harmonic loss model is established to analyze the effect of harmonic frequency on loss.The simulation in the simulation platform,mainly for 10kV distribution transformer to establish a complete detection system of distribution transformer,the simulation results of the open circuit loss and the short-circuit loss respectively in 0.42% and 2.23%,the method has good accuracy and universality.

        Keywords:Transformer;On line detection;Open circuit loss;Short circuit loss;Harmonic loss

        OnLineMeasurementofLossof10kVDistributionTransformer

        ZhuKuangnan1,WangDi2,JinYang3,LiZe4,WuJiahui5

        (1.Electrical Engineering College,Northeast Eletric Power University,Jilin Jilin 132012;2.China Electric Power Engineering Consulting Group Northeast Electric Power Design Institute Co.,ltd.,Changchun Jilin 130000;3.Yanbian Jilin Power Supply Company,Yanji Jilin 133000;4.Jilin Oilfield Power Supply Company,Songyuan Jilin 138000;5.Jilin Power Supply Company,Jilin Jilin 132000)

        TM406

        A

        2017-01-06

        朱礦男(1994-),女,在讀碩士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)分析與控制.

        電子郵箱:zzzkkknnn@qq.com(朱礦男);458553227@qq.com(王迪);178841182@qq.com(金洋);277617401@qq.com(李澤);307904415@qq.com(吳嘉慧)

        1005-2992(2017)05-0025-07

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