智能型有載調(diào)容配電變壓器的應(yīng)用研究

周恒逸，齊飛，葉會(huì)生，毛柳明，李四海，趙邈

(1． 國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007;2． 國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司株洲供電分公司，湖南 株洲412000)

1 智能型有載調(diào)容配電變壓器的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 智能型有載調(diào)容配電變壓器結(jié)構(gòu)

有載調(diào)容變壓器是一種具有2 個(gè)不同容量檔位的變壓器，可根據(jù)負(fù)載的變化在不停電的情況下自動(dòng)調(diào)整容量運(yùn)行，當(dāng)負(fù)荷較輕或接近空載時(shí)，變壓器由大容量調(diào)為小容量，可大幅度降低空載損耗，克服無(wú)載調(diào)容需停電、人工操作的麻煩，達(dá)到節(jié)能、智能的目的。這樣，既解決了在農(nóng)忙季節(jié)，變壓器過(guò)載運(yùn)行現(xiàn)象嚴(yán)重的問(wèn)題，又解決了用電淡季，負(fù)載率低，“大馬拉小車”導(dǎo)致網(wǎng)損、線損增大的問(wèn)題〔1〕。

智能型有載調(diào)容變壓器主要由變壓器、有載調(diào)容開關(guān)和安裝了有載調(diào)容控制器的控制箱組成。包涵數(shù)據(jù)存貯、遙信、遙控、遙調(diào)、遙測(cè)、智能組網(wǎng)、無(wú)功補(bǔ)償控制、防盜等功能。

1.2 智能型有載調(diào)容配電變壓器原理

有載自動(dòng)調(diào)容配電變壓器在大容量時(shí)，三相高壓繞組接成角形(D 形)，低壓繞組并聯(lián)結(jié)構(gòu);在小容量時(shí)，三相高壓繞組接成星形接法(Y 形)，低壓繞組串聯(lián)結(jié)構(gòu)。調(diào)容變的每相低壓繞組由3 部分組成:27%匝數(shù)的線段為Ⅰ段，另外的73%匝數(shù)的線段由2(或其倍數(shù))根導(dǎo)線并繞而成2 組(Ⅱ，Ⅲ段)，每組導(dǎo)線的截面約為Ⅰ段導(dǎo)線截面的1/2〔2〕。大容量時(shí)Ⅱ，Ⅲ段并聯(lián)后再與Ⅰ段串聯(lián)，小容量時(shí)Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段全部串聯(lián)，如圖1 所示。當(dāng)由大容量調(diào)為小容量，低壓繞組匝數(shù)增加的同時(shí)，高壓繞組變?yōu)閅 接法使得每相電壓降低，且其匝數(shù)增加與電壓降低的倍數(shù)相當(dāng)，可以保證配變電壓比不變。

圖1 調(diào)容配電變壓器聯(lián)結(jié)示意圖

1.3 有載調(diào)容控制原理

有載調(diào)容開關(guān)的切換是由自動(dòng)控制器根據(jù)檢測(cè)的負(fù)載大小情況來(lái)決定的，其工作原理如圖2 所示，

圖2 有載調(diào)容配電變壓器工作原理示意圖

有載調(diào)容控制器通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器低壓側(cè)的電壓、電流，來(lái)判斷當(dāng)前負(fù)荷電流大小，如果滿足調(diào)容條件則發(fā)出調(diào)容指令給有載調(diào)容開關(guān)，有載調(diào)容開關(guān)根據(jù)調(diào)容指令進(jìn)行容量切換，實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部高、低壓線圈的星、角變換和串、并聯(lián)轉(zhuǎn)換，完成變壓器帶負(fù)載情況下的容量切換。

2 智能型有載調(diào)容配電變壓器的節(jié)能分析

2.1 智能型有載調(diào)容配電變壓器的節(jié)能特點(diǎn)

1)有載調(diào)容配電變壓器的空載損耗對(duì)于電力變壓器，當(dāng)額定頻率為50 Hz 時(shí)，有:式中 ez為每匝電勢(shì)(V/匝);AC為鐵芯有效截面(cm2);BC為鐵芯磁通密度(T)。

對(duì)已定的鐵芯，AC是定值，在變壓器由大容量調(diào)為小容量時(shí)，由于低壓匝數(shù)的增加，使其ez減小，由式(1)知BC隨之降低。

工程上，變壓器(鐵芯柱與鐵軛截面相同時(shí))空載損耗計(jì)算式為:

式中 P0為空載損耗(W);KP0為空載損耗工藝系數(shù);PC為硅鋼片單位損耗(W/kg);GFe為鐵芯的總重量(kg)。

對(duì)于KP0及GFe，在容量變化時(shí)它們是不變的，而:

因此，PC將大幅度降低，由式(2)知，則空載損耗P0也會(huì)降低。

2)有載調(diào)容配電變壓器的負(fù)載損耗

對(duì)于調(diào)容配電變壓器，其負(fù)載損耗主要是繞組導(dǎo)線的電阻損耗，其附加損耗約占基本電阻損耗的10%，為方便分析，僅考慮電阻損耗。

繞組導(dǎo)線的截面是按大容量運(yùn)行狀態(tài)選取的，在調(diào)為小容量后，由于相電流大幅降低，使導(dǎo)線的電流密度變小。對(duì)已定的三相銅線繞組，有:

式中 PR為繞組電阻損耗(W);J 為導(dǎo)線的電流密度(A/mm2);GCu為導(dǎo)線的重量(kg)，GCu是不變的。由式(4)可知，電阻損耗大幅度降低，從而使負(fù)載損耗降低。

2.2 智能型有載調(diào)容配電變壓器的節(jié)能運(yùn)行分析

變壓器運(yùn)行1年的電費(fèi)按下式計(jì)算:

式中 Cy為變壓器運(yùn)行1年耗電費(fèi)用(元);P0為空載損耗(kW);PK為負(fù)載損耗(kW);SN為額定容量(kVA);UK為短路阻抗百分?jǐn)?shù);I0為空載電流百分?jǐn)?shù);8 600，2 200 分別為變壓器全年空載、等效滿載(負(fù)載系數(shù)相當(dāng)于0.5)小時(shí)數(shù)(h);0.6 為電價(jià)(元/kWh)。

根據(jù)以上公式及相關(guān)的性能指標(biāo):

1)以居民用電為主的有載調(diào)容變壓器平均每天6 h 置于高容狀態(tài)運(yùn)行，18 h 置于低容狀態(tài)運(yùn)行，1年低容累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)6 570 h，采用SZ11－ZT－315(100)/10 有載調(diào)容變壓器比同容量的S11－315/10 普通變壓器每年可節(jié)約電量8 902 kWh。

2)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的有載調(diào)容變壓器平均每天8 h 置于高容狀態(tài)運(yùn)行，16 h 置于低容狀態(tài)運(yùn)行，1年低容累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)5 840 h，采用SZ11－T－315(100)/10 有載調(diào)容變壓器比同容量的S11－315/10 普通變壓器每年可節(jié)約電量7 910 kWh。

3)目前所投運(yùn)的有載調(diào)容變壓器中，有大約60%的配變臺(tái)區(qū)為農(nóng)村居民用電，40%的配變臺(tái)區(qū)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電，那么平均每千伏安容量每年節(jié)電量為27 kWh，1 臺(tái)SZ11－T－315(100)/10 有載調(diào)容變壓器比同容量的S11－315/10 普通變壓器每年可節(jié)約電量8 505 kWh，節(jié)約費(fèi)用5 103 元。

3 智能型有載調(diào)容配電變壓器應(yīng)用

3.1 有載調(diào)容配電變壓器的適用范圍

1)特別適用于季節(jié)性負(fù)荷變化幅度大的農(nóng)村電網(wǎng)，用電季節(jié)性強(qiáng)、負(fù)荷波動(dòng)大、用電集中、年平均負(fù)載率低的場(chǎng)所。在湖南省農(nóng)村用電主要集中在夏、冬季，其余季節(jié)主要是照明用電。

2)勞務(wù)型輸出區(qū)域，該區(qū)域外出務(wù)工人員較多，平時(shí)用電負(fù)荷極少，變壓器輕載運(yùn)行，變壓器鐵損比例較大，節(jié)假日或農(nóng)忙季節(jié)人員返鄉(xiāng)，用電負(fù)荷猛增，由于配變?nèi)萘坎粔驎?huì)出現(xiàn)跳閘或線路發(fā)熱燒壞現(xiàn)象。

3)晝夜負(fù)荷變化顯著的居民小區(qū)、路燈變、城市商業(yè)區(qū)。

3.2 有載調(diào)容配電變壓器的容量選配

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷情況來(lái)確定變壓器容量，如果配變臺(tái)區(qū)出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷跳閘現(xiàn)象，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)容量確定高、低壓容量，選配合適的有載調(diào)容配電變壓器，既解決了過(guò)負(fù)荷跳閘，在負(fù)荷輕時(shí)又解決了變壓器“大馬拉小車”的情況。由于在不同容量時(shí)的短路阻抗基本上是接近于標(biāo)準(zhǔn)值的，在選擇容量組合時(shí)，小容量應(yīng)選為大容量的1/3 左右，適合于小容量用在負(fù)載率低的狀況下的使用特點(diǎn)。

對(duì)于負(fù)荷變化不明確的臺(tái)區(qū)，應(yīng)安裝配電檢測(cè)儀進(jìn)行實(shí)際監(jiān)控，了解負(fù)荷狀況。選擇變壓器容量時(shí)，既要考慮每天的負(fù)荷狀況，又要考慮迎峰度夏、度冬的高峰情況，防止容量選小而出現(xiàn)變壓器過(guò)載現(xiàn)象。

3.3 應(yīng)用案例

1)農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺(tái)區(qū)供電

項(xiàng)目地點(diǎn):農(nóng)村配電臺(tái)區(qū);變壓器容量:100 kVA;負(fù)荷類型:農(nóng)村供電;數(shù)據(jù)記錄時(shí)間:2013年4月3日;有載調(diào)容配電變壓器容量:100(30)。

該臺(tái)區(qū)正常運(yùn)行時(shí)，B 相的電流變化趨勢(shì)如圖3 所示。

圖3 臺(tái)區(qū)B 相電流變化趨勢(shì)圖

電流變化時(shí)間段:

00:00—09 :00 負(fù)荷低谷，變壓器輕載運(yùn)行

09:00—12 :00 負(fù)荷高峰，變壓器重載運(yùn)行

12:00—16 :30 負(fù)荷降低階段，變壓器輕載運(yùn)行

16:30—22 :00 負(fù)荷高峰階段，變壓器重載運(yùn)行

22:00—00 :00 負(fù)荷降低，變壓器輕載運(yùn)行

變壓器輕、重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間:變壓器低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間16 h;變壓器重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間8 h。

由以上負(fù)荷曲線可以看出，農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差非常明顯，但變化次數(shù)很少，調(diào)容開關(guān)每天動(dòng)作次數(shù)在5 次以內(nèi)。

2)城市事業(yè)單位供電

項(xiàng)目地點(diǎn):供銷社配電臺(tái)區(qū);變壓器容量:200 kVA;負(fù)荷類型:城市供電;有載調(diào)容配電變壓器容量:200(80)kVA。

該臺(tái)區(qū)正常運(yùn)行時(shí)，B 相的電流變化趨勢(shì)圖如圖4 所示。

圖4 臺(tái)區(qū)B 相電流變化趨勢(shì)圖

電流變化時(shí)間段:

00:00—06 :00 負(fù)荷低谷，變壓器輕載運(yùn)行

06:00—12 :00 負(fù)荷高峰，變壓器重載運(yùn)行

12:00—17 :00 負(fù)荷降低階段，變壓器輕載運(yùn)行

17:00—21 :00 負(fù)荷高峰階段，變壓器重載運(yùn)行

21:00—00 :00 負(fù)荷降低，變壓器輕載運(yùn)行

變壓器輕重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間:變壓器低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間14 h;變壓器重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間10 h。

由以上負(fù)荷曲線可以了解，電網(wǎng)負(fù)荷變化比較明顯，變化次數(shù)很少，調(diào)容開關(guān)每天動(dòng)作次數(shù)在5次以內(nèi)。

3.4 湖南試點(diǎn)情況

有載調(diào)容配電變壓器試點(diǎn)選擇了國(guó)網(wǎng)耒陽(yáng)市供電公司官探村2－4 組變，該臺(tái)區(qū)目前配變型號(hào)為S9－50/10，額定電流72.2 A，臺(tái)區(qū)日常負(fù)荷情況及春節(jié)期間最大負(fù)荷曲線圖見圖5。

圖5 有載調(diào)容變?cè)圏c(diǎn)臺(tái)區(qū)負(fù)荷電流曲線圖

從圖5 可發(fā)現(xiàn)，該臺(tái)區(qū)日常負(fù)載率為69%，而春節(jié)期間配變負(fù)載率將增至129%，屬于典型的負(fù)荷季節(jié)變化臺(tái)區(qū)，對(duì)該臺(tái)區(qū)更換1 臺(tái)S11－T－50:160/10 調(diào)容變，日常低負(fù)荷期使用50 kVA 容量變壓器(低壓額定電流75 A)，平均負(fù)載率在69%左右;春節(jié)等負(fù)荷高峰期使用160 kVA 容量變壓器(低壓額定電流243 A)，高峰負(fù)荷時(shí)的負(fù)載率為40%左右，更換后臺(tái)區(qū)在高峰負(fù)荷期仍具有較大的負(fù)載增長(zhǎng)空間，可以確保該臺(tái)區(qū)在高負(fù)荷時(shí)期不發(fā)生過(guò)載問(wèn)題。具體參數(shù)設(shè)置見表1。

該臺(tái)區(qū)已運(yùn)行336.5 h，有載調(diào)容配電變壓器運(yùn)行正常，調(diào)容開關(guān)工作可靠，目前已完成累計(jì)調(diào)擋67 次，其中高檔位運(yùn)行88.7 h，低檔位運(yùn)行177.8 h，升、降檔分別為34，33 次。

表1 有載調(diào)容控制器的參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)論

1)智能型有載調(diào)容變壓器節(jié)能效果顯著，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好，在小容量狀態(tài)下，空載損耗低，空載電流小，對(duì)于農(nóng)村等用電負(fù)荷季節(jié)性變化明顯的情況有較好的適用性。

2)選用調(diào)容配電變壓器，要注意根據(jù)負(fù)荷情況，合理選擇容量組合，由于智能型有載調(diào)容變壓器在大、小容量時(shí)的短路阻抗基本上是接近于標(biāo)準(zhǔn)值的，從此角度出發(fā)，將小容量選為大容量的1/3左右，可以有效解決“大馬拉小車”問(wèn)題。

3)運(yùn)行時(shí)，依據(jù)用電負(fù)荷變化情況適時(shí)地變換變壓器的容量，當(dāng)負(fù)荷低于40%時(shí)，即可以調(diào)至小容量，進(jìn)而降低鐵芯損耗，提高變壓器負(fù)載率和功率因數(shù)。

4)智能型有載調(diào)容配電變壓器的容量由調(diào)容控制器自動(dòng)調(diào)整，因此在臺(tái)區(qū)計(jì)量收費(fèi)上應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

〔1〕范聞博，韓篩根． 有載調(diào)容變壓器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制策略〔J〕． 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(18):98-102，107．

〔2〕王金麗． 有載調(diào)容變壓器綜合經(jīng)濟(jì)性分析及應(yīng)用研究〔J〕． 高壓電器，2009，45(3):32-35．