一種變壓器損耗監測系統

摘 要：配電變壓器作為使用最為廣泛的電力設施之一，數量種類繁多。提高配電變壓器平均負載率，是城、農配電網絡降損節能的重要途徑之一，但變壓器損耗的監控測量卻面臨著一系列問題。本文通過對配電變壓器損耗的分析，提出一種針對電力專變用戶變壓器功率損耗的在線監測方案，同時采集高壓側數據和低壓側數據進行對比分析，實時、可靠的計算出變壓器損耗。

關鍵詞：變壓器功率損耗 在線監測 高低壓側采集 無線傳輸

中圖分類號：TM76文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（b）-0070-02

1 引言

當前，世界能源日益緊張，節能已經成為全社會共同關注與研究的課題。節能不僅是經濟上的考慮，同時對減少環境污染也有重要意義。在電力系統中，通過對國家電網公司系統日線損理論計算結果匯總得出，理論線損率多數在5%～7%之間，最低為3.43%，最高為7.98%。提高線損對電力網的節能具有舉足輕重的作為。高壓線路的技術線損主要由線路損耗、變壓器損耗和其他元件損耗組成，各電壓等級線路和變壓器損耗占該層總損耗的比例如表1所示[1]。

據統計，僅配電變壓器的電能損耗每年就約為30～50TWh，約占總發電量的3～4%。目前在電網上運行服役超過20年的低效率配變容量約占10%以上，總容量約2.4億kVA，每年因此而浪費的電能巨大，同時這些配變參數老化、損耗高、缺陷多，運行可靠性差，嚴重威脅電網的安全運行。因此，降低變壓器損耗，提高供配電效率，對于節約能源、緩解電力短缺、保護生態環境、加速國民經濟發展都具有十分重要的意義[2]。

安裝完成的變壓器經過長時間運作之后會出現損耗增大從而需要及時更換，引起損耗明顯變化的原因大體可歸結為以下幾點：

（1）運行時間長，線路老化，效率下降；

（2）負載發生變化，在線運行不適應線路上負載的變化，容易出現超容或者負載遠小于容量的情況，效率下降；

（3）少數電力用戶為了少交基本電費而更改配電變壓器銘牌容量，將大容量改為小容量；個別變壓器生產企業在變壓器招投標中，出現以小容量、高損耗的配電變壓器來冒充大容量、低損耗的配電變壓器以達到盈利的目的；

（4）竊電。

目前，對變壓器損耗和容量的檢測都是通過傳統的預防性實驗來得到的，即通過短路試驗和空載試驗來測量。對新進網的變壓器可以較為方便的測量，但對已掛網運行的變壓器停電試驗，不但影響供電的可持續性，造成頻繁的運行操作，而且浪費了大量人力物力，經濟效益低，存在很大弊端。其次，離線試驗的試驗電壓低，不能準確的反應變壓器實際狀態，測試效果準確性低。本文針對這個問題提出一種新型變壓器損耗監測系統，該系統通過同時采集高壓側數據和低壓側數據，分析計算出變壓器實際損耗，精度高，實時性好，且不易受測量環境影響。

2 變壓器損耗理論分析

變壓器在變換電壓及傳輸功率的過程中，其自身會產生功率損耗，這部分損耗即為變壓器損耗。變壓器損耗分為有功功率損耗和無功功率損耗，其大小與變壓器的參數及負荷率有關。而變壓器綜合功率損耗，指變壓器的有功功率、無功功率損耗折算成有功損耗之和，如（1）式

其中，△Pz為綜合功率損耗，△P有功功率損耗，KQ為無功經濟當量，按變壓器在電網中的位置取值，△Q為變壓器無功功率損耗。

2.1 有功功率損耗

變壓器的有功損耗由兩部分組成，即空載損耗P0和負載損耗Pk?？蛰d損耗P0主要由鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗造成，二者皆由變壓器的鐵芯產生，因此空載損耗也稱鐵損。空載損耗P0與電壓、頻率、鐵芯材質等因素有關，與負載大小無關，因此是相對固定的損耗。而負載損耗Pk則為變壓器繞組中的銅線圈電流損耗，根據P=I 2R，Pk與負載電流的平方成正比，故變壓器負載損耗主要受負荷變化影響。負載損耗Pk隨負載大小及運行溫度的變化而變化。

其中，△P有功功率損耗（kW）；P0空載有功功率損耗（kW）；Pk變壓器負載損耗（kW）；k變壓器負載率（%）。

2.2 無功功率損耗

在一般情況下，變壓器無功功率損耗約占企業全部無功功率損耗的20%～25%，其中變壓器空載無功損耗又約占變壓器無功損耗的80%。實際上，往往因為變壓器選型不當或運行方式不合理等原因，導致企業的功率因數下降，使變壓器損耗進一步增大。變壓器無功功率損耗由兩部分組成，一部分由勵磁電流即空載電流造成的損耗Q0，另一部分無功損耗指一、二次繞組的漏磁電抗損耗Qk。

2.3 變壓器損耗監測的意義

配網用電負荷存在季節性強、負荷波動大、峰谷差大等特點。在我國，部分地區的配電網中變壓器滿載甚至超負荷現象非常嚴重，同時部分配電網中的變壓器仍存在輕載甚至空載的現象，使得變壓器效率顯著降低。部分用戶超負荷使用變壓器或竊電，導致變壓器綜合損耗異常，不僅對變壓器和線路造成損害，而且存在非常大的危險性。因此實時監測變壓器的負載率和損耗并有針對性的提出降損措施，是降低變壓器損耗、減少線損的有效技術防范措施。

3 變壓器損耗監測系統

本文提出了一種新型變壓器損耗監測系統，該系統可采集變壓器高壓側用電數據并與低壓側數據進行對比分析，從而計算出變壓器損耗。該系統突破了通過變壓器理論參數計算損耗的方式，對實時監測數據進行分析計算，對變壓器運行中的實際損耗進行實時監測，利用變壓器損耗監測系統進行數據分析和計算，對變壓器工作過程中的實際損耗信息進行存儲和統計。

3.1 系統組成

本系統的組成可分為三部分：

（1）數據采集部分，主要包括變壓器高壓側的無線數據采集器、變壓器低壓側的無線數據接收器、負控終端等；

（2）無線通訊網；

（3）變壓器損耗監測系統主站。

3.2 實現原理

如圖1所示，該變壓器損耗監測系統主要工作原理是，通過安裝在變壓器高壓側的無線數據采集器實時采集變壓器高壓側數據，并將獲得的數據以微功率射頻的通訊方式傳輸給安裝在變壓器低壓側的無線數據接收器，無線數據接收器按照設定的時間間隔存儲數據，以RS-485通訊方式傳送至負控終端，通過負控終端的信道將數據上傳至主站。對于沒有負控終端的變壓器現場，則通過GPRS、電力載波或者手機短信等方式將數據傳送到主站。

變壓器損耗監測系統從數據庫中獲取多功能電能表的數據，進行分析、計算得到該變壓器的實時損耗。當變壓器的損耗超過設定閾值時，系統發出報警信息，通知營銷系統等相關部門。各部門根據該信息可迅速對所監測的變壓器狀況進行分析和處理。

該系統基于高壓側視在功率數據和低壓側視在功率數據進行比對的工作方式，可對變壓器損耗進行實時監測以實現實時發現、上報異常損耗信息并進行告警功能，使相關部門第一時間獲取設備的異常運行狀態，并將所獲得的數據存入歷史數據庫，供以后的數據統計和數據分析之用。

安裝在變壓器高壓側的無線數據采集器無須外接工作電源，利用高壓感應來為自身工作提供能量，實現對變壓器高壓側的數據采集和數據傳輸，并基于此技術實現全面的實時監測功能。

3.3 系統特點

本文提出的變壓器損耗監測系統具有以下特點：

（1）10kV線路數據采集。

（2）線路短路、接地故障報警。

（3）無線數據通訊，實時數據傳輸。

（4）數據上傳方式靈活多樣：通過用電信息采集系統信道或者GPRS、GSM等皆可實現數據上傳。

（5）無須配置工作電源，安全可靠。

4 效益分析

4.1 經濟效益分析

（1）變壓器損耗在整個電網損耗中占了很大的比例。據統計，2009年我國發電量總計約36506億千瓦時，按照線損率5%計算，線損電量約2千億度。本系統為用戶提供了更加科學的解決方案，新技術的使用使測量更加精確，為經濟的可持續發展及電網的穩定運行提供了可靠保障。

（2）國家通過《節能法》來加強節能減排的環保執法力度，同時國家發改委要求在今后的兩年內，線損在原來的基礎上再降低0.36%。如果該變壓器損耗監測系統大規模推廣，將有效地監測變壓器運行狀態，控制損耗損失，不僅可以電力公司完成國家降損指標，而且大大提高了經濟效益。

4.2 社會效益分析

（1）本系統提供的解決方案可實時發現損耗異常并對高能耗單位用電情況進行告警，給管理者提供可靠的依據對老舊設備更新改造，使用戶在電力管理部門的指導下降低能耗、淘汰高耗能變壓器實現節能減排。這不僅符合國家政策的要求，而且會推動加快建設綠色的用電環境。實踐證明，本監測系統對降損節能、推動低碳經濟起到了一定的作用。

（2）本系統的使用和推廣，對維護電網安全、構建和諧供用電環境具有重要意義。

參考文獻

[1]余衛國，熊幼京，周新風，等.電力網技術線損分析及降損對策[J].電網技術，2006，30（18）：54-57.

[2]吳喜紅.配電變壓器損耗和容量在線檢測方法研究[D].碩士學位論文.重慶：重慶大學，2010.

[3]時德鋼，劉曄，張麗平，等.高電壓等級電壓互感器綜述[J].變壓器，2003，40（6）：11-14.