農(nóng)網(wǎng)配電臺(tái)區(qū)有載調(diào)容調(diào)壓變壓器技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

劉金忠，魏彩霞，孫業(yè)榮，張立志，李西勛

（山東電工電氣集團(tuán)智能電氣有限公司，濟(jì)南250022）

農(nóng)網(wǎng)配電臺(tái)區(qū)有載調(diào)容調(diào)壓變壓器技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

劉金忠，魏彩霞，孫業(yè)榮，張立志，李西勛

（山東電工電氣集團(tuán)智能電氣有限公司，濟(jì)南250022）

采用有載調(diào)容調(diào)壓變壓器，解決了農(nóng)網(wǎng)配電臺(tái)區(qū)季節(jié)性負(fù)荷峰谷差大，導(dǎo)致配電變壓器運(yùn)行損耗高的問題。從調(diào)容變壓器基本原理、最佳調(diào)容點(diǎn)計(jì)算等方面進(jìn)行了技術(shù)分析；結(jié)合農(nóng)村配網(wǎng)用電情況，從節(jié)電量計(jì)算、改善電壓質(zhì)量等方面進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析。農(nóng)網(wǎng)配電臺(tái)區(qū)改造，采用有載調(diào)容調(diào)壓變壓器，約8年收回設(shè)備投資，20年經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)投資回報(bào)率約248%。

有載調(diào)容調(diào)壓變壓器；負(fù)荷特點(diǎn)；節(jié)能計(jì)算；技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

隨著改革進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量農(nóng)民外出務(wù)工，農(nóng)村戶均用電量減少，變壓器大部分時(shí)間運(yùn)行在輕載或空載狀態(tài)，造成空載運(yùn)行損耗過高，降低變壓器效率。而農(nóng)忙時(shí)節(jié)、春節(jié)期間農(nóng)民工返鄉(xiāng)回潮，用電負(fù)荷急劇上升，變壓器嚴(yán)重過載，造成負(fù)載損耗過高，變壓器阻抗電壓增大，低壓側(cè)出口電壓減小。據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)，目前城鄉(xiāng)區(qū)域自動(dòng)化水平發(fā)展不平衡，農(nóng)網(wǎng)自動(dòng)化配置尤其薄弱，管理水平低，運(yùn)行維護(hù)需要大量的人力物力，運(yùn)維成本高。設(shè)備一旦發(fā)生故障，無法及時(shí)進(jìn)行搶修，故障設(shè)備得不到迅速撤除，導(dǎo)致故障擴(kuò)大，造成嚴(yán)重后果。

有載調(diào)容調(diào)壓配電變壓器的應(yīng)用，將有效提升在負(fù)荷波動(dòng)大場(chǎng)合的供電能效，解決城鄉(xiāng)及農(nóng)村電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}，提高配網(wǎng)自動(dòng)化水平。有載調(diào)容調(diào)壓變壓器經(jīng)過不斷發(fā)展完善，已經(jīng)臻于成熟，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 有載調(diào)容調(diào)壓變壓器

1.1 調(diào)容原理

有載調(diào)容調(diào)壓變壓器，在一定負(fù)載或勵(lì)磁條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)大、小兩種不同額定容量間自動(dòng)切換和不同電壓分接間自動(dòng)調(diào)整。忽略驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、開關(guān)、過渡電阻等組件，其簡(jiǎn)化接線如圖1所示。

變壓器大容量時(shí)聯(lián)接組別為Dyn11，小容量時(shí)聯(lián)接組別為Yyn0。變壓器由大容量切換到小容量，通過高壓繞組的△―Y轉(zhuǎn)換，匝電壓變?yōu)椋坏蛪豪@組分為3段，Ⅰ段匝數(shù)為低壓總匝數(shù)的27%，Ⅱ段與Ⅲ段匝數(shù)均為低壓總匝數(shù)的73%。將低壓繞組II段與III段由并聯(lián)轉(zhuǎn)換成串聯(lián)，再與I段串聯(lián)，匝數(shù)變?yōu)榧s倍，從而保證了轉(zhuǎn)換前后的電壓比不變。由于匝電壓減小為，磁通密度下降為，空載損耗也隨之下降（無功損耗大約是大容量時(shí)的1／10，有功損耗大約是大容量時(shí)的1／3），達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

圖1 調(diào)容原理

1.2 調(diào)容點(diǎn)計(jì)算

有載調(diào)容調(diào)壓變壓器具有大、小兩個(gè)額定容量，可根據(jù)負(fù)荷大小，按照系統(tǒng)設(shè)定調(diào)容點(diǎn)，進(jìn)行調(diào)節(jié)容量，從而起到節(jié)能降耗的目的。為保證有載調(diào)容調(diào)壓變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須精確計(jì)算調(diào)容點(diǎn)。

1.2.1 不同額定容量下運(yùn)行損耗

變壓器運(yùn)行損耗包括空載損耗、負(fù)載損耗、鐵心激磁無功功率和線圈的漏磁無功功率引起的損耗。有載調(diào)容調(diào)壓變壓器大、小額定容量下的空載損耗和鐵心激磁無功功率不隨負(fù)荷電流變動(dòng)。小容量下空載損耗和鐵心激磁無功功率恒小于大容量下該值；而負(fù)載損耗和線圈的漏磁無功功率，則與負(fù)荷電流的平方成正比。小容量下變壓器直阻與線圈漏電抗大于大容量下該值，小容量運(yùn)行時(shí)變壓器負(fù)載損耗和線圈的漏磁無功功率比大容量運(yùn)行時(shí)大［1］。以S11型315（100）kVA為例，有載調(diào)容調(diào)壓變壓器在不同負(fù)荷下的綜合運(yùn)行損耗如圖2所示。

圖2 S11型315（100）kVA調(diào)容調(diào)壓變壓器不同容量下綜合運(yùn)行損耗

1.2.2 最佳調(diào)容點(diǎn)計(jì)算

首先，計(jì)算不同容量變壓器間經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的臨界負(fù)載。有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的臨界負(fù)載為［2］

無功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的臨界負(fù)載為

綜合功率經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的臨界負(fù)載為

式中：P0D為大容量運(yùn)行方式下空載損耗，kW；P0X為小容量運(yùn)行方式下空載損耗，kW；PKD為大容量運(yùn)行方式下負(fù)載損耗，kW；PKX為小容量運(yùn)行方式下負(fù)載損耗，kW；SND為大容量額定容量，kVA；SNX為小容量額定容量，kVA；Q0D為大容量運(yùn)行方式下鐵心激磁無功功率，kvar；Q0X為小容量運(yùn)行方式下鐵心激磁無功功率，kvar；QKD為大容量運(yùn)行方式下額定負(fù)載線圈漏磁無功功率，kvar；QKX為小容量運(yùn)行方式下額定負(fù)載線圈漏磁無功功率，kvar；P0ZD為大容量運(yùn)行方式下空載綜合運(yùn)行損耗，kW；P0ZX為小容量運(yùn)行方式下空載綜合運(yùn)行損耗，kW；PKZD為大容量運(yùn)行方式下額定負(fù)載綜合損耗，kW；PKZX為小容量運(yùn)行方式下額定負(fù)載綜合損耗，kW。

其次，計(jì)算各種損耗值?？蛰d綜合損耗為

額定負(fù)載綜合損耗為

鐵心激磁無功功率為

額定負(fù)載線圈漏磁無功功率為

式中：KQ為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，取KQ=0.1；KP為負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)，取KP=0.2；P0為空載運(yùn)行損耗，kW；Q0為鐵心激磁無功功率，kvar；PK為額定負(fù)載損耗，kW；QK為額定負(fù)載線圈漏磁無功功率，kvar；I0%為空載電流百分?jǐn)?shù)；SN為額定容量，kVA；UK%為阻抗電壓百分?jǐn)?shù)。

若同一型號(hào)調(diào)容調(diào)壓變壓器的空載損耗、負(fù)載損耗、阻抗電壓（%）、空載電流（%）性能參數(shù)實(shí)測(cè)值不同，則最佳調(diào)容點(diǎn)不同。為準(zhǔn)確獲得最佳調(diào)容點(diǎn)，可按變壓器實(shí)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算。以一臺(tái)S11型315（100）kVA有載調(diào)容調(diào)壓變壓器為例，其性能參數(shù)實(shí)測(cè)值為：大容量下，空載損耗0.475 kW，負(fù)載損耗3.653kW，空載電流0.3%，阻抗電壓3.94%；小容量下，空載損耗0.145kW，負(fù)載損耗1.078kW，空載電流0.18%，阻抗電壓3.96%。

按式（1）～（7）計(jì)算，有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的臨界負(fù)載為SX-DLP=68.2 kVA，大容量下鐵心激磁無功功率為Q0D=0.945 kvar，小容量下鐵心激磁無功功率為Q0X= 0.18 kvar，大容量下額定負(fù)載線圈漏磁無功功率為QKD＝12.6 kvar，小容量下額定負(fù)載線圈漏磁無功功率為QKX=4 kvar，無功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的臨界負(fù)載為SX-DLQ=52.9 kvar。大容量下空載綜合損耗為P0ZD= 0.6645kW，小容量下空載綜合損耗為P0ZX=0.192kW，大容量下額定負(fù)載綜合損耗為PKZD=5.643 6 kW，小容量下額定負(fù)載綜合損耗為PKZX=1.693 6 kW，綜合功率經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的臨界負(fù)載為SX-DLZ=64.8 kW。

1.2.3 升容、降容門限值

在實(shí)際運(yùn)行過程中，考慮到產(chǎn)品安全穩(wěn)定運(yùn)行，有載調(diào)容調(diào)壓變壓器需要分別設(shè)置升容、降容門限值，一般將1.1倍的綜合最佳調(diào)容點(diǎn)設(shè)定為升容門限值，0.9倍的綜合最佳調(diào)容點(diǎn)設(shè)定為降容門限值。

2 農(nóng)村配網(wǎng)用電情況

2.1 生活用電量

以山東省生活用電為例，2005—2015年的生活用電統(tǒng)計(jì)如表1所示。

2005—2015年供電量的平均增長(zhǎng)率為9.13%，2010—2015年供電量的平均增長(zhǎng)率為6.46%。由此可以看出，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，近幾年山東省生活用電需求量增速顯著下滑。尤其2013—2015年更為明顯，年平均增長(zhǎng)率僅為4.94%。

表1 生活用電量?jī)|kWh

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，農(nóng)村居民生活條件大大改善，用電負(fù)荷種類日趨豐富，農(nóng)村生活用電量增長(zhǎng)空間大于城市生活用電量，保守預(yù)測(cè)農(nóng)村配電網(wǎng)未來15年生活用電年增長(zhǎng)率為6%。

2.2 農(nóng)村配網(wǎng)日常負(fù)荷

農(nóng)村配網(wǎng)居民客戶晝夜時(shí)段性差異，導(dǎo)致變臺(tái)負(fù)荷波動(dòng)較大。截取具有代表性的臺(tái)區(qū)變壓器2015-04-17至2015-04-20負(fù)荷波形，如圖3所示。

圖3 日負(fù)荷曲線

可知，負(fù)荷最大可達(dá)135 kVA，最小為10 kVA，負(fù)荷波動(dòng)范圍大。變壓器容量為315 kVA，當(dāng)負(fù)荷運(yùn)行在高峰段時(shí)，僅為變壓器額定容量的一半；當(dāng)負(fù)荷運(yùn)行在低谷段時(shí)，變壓器接近空載運(yùn)行。該配變臺(tái)區(qū)在節(jié)假日、夏季、冬季等用電高峰，有過載現(xiàn)象。

2.3 農(nóng)村配網(wǎng)季節(jié)負(fù)荷

春節(jié)期間用電負(fù)荷急劇上升，造成變壓器過載，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致變壓器燒損。截取具有代表性的臺(tái)區(qū)變壓器春節(jié)前后負(fù)荷波形，如圖4所示。據(jù)某省統(tǒng)計(jì)，2014年春節(jié)期間燒損變壓器516臺(tái)，其中農(nóng)網(wǎng)臺(tái)區(qū)占90.31%。

季節(jié)性負(fù)荷具有“冬取暖夏降溫”的特點(diǎn)，截取具有代表性的臺(tái)區(qū)變壓器年負(fù)荷波形，如圖5所示。

圖4 春節(jié)前后負(fù)荷曲線

圖5 年負(fù)荷曲線

3 有載調(diào)容調(diào)壓變經(jīng)濟(jì)分析

3.1 節(jié)電量計(jì)算

3.1.1 節(jié)電量測(cè)量方法

根據(jù)GB／T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》和DL／T 985—2012《配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》要求，調(diào)容變壓器改造后的年節(jié)約電量為小容量運(yùn)行期間節(jié)電量與大容量運(yùn)行期間節(jié)電量之和［3-5］，為

式中：Δ（ΔE）為調(diào)容變壓器改造節(jié)約電量，kWh；KUi為電壓對(duì)空載損耗的平均影響系數(shù)；P0Z為改造前變壓器綜合空載損耗，kW；P′0Z為改造后變壓器綜合空載損耗，kW；PKZ為改造前變壓器綜合負(fù)載損耗，kW；KT為負(fù)載波動(dòng)系數(shù)；P′KZ為改造后變壓器綜合負(fù)載損耗，kW；S為平均視在功率，kVA；SN為變壓器額定容量，kVA；T為變壓器運(yùn)行時(shí)間，h；i=1為大容量狀態(tài)，i=2為小容量狀態(tài)；

3.1.2 項(xiàng)目節(jié)能量計(jì)算及驗(yàn)證

對(duì)于在網(wǎng)運(yùn)行已超過10年的變壓器，負(fù)載每年遞增，大部分變壓器處于高負(fù)載率運(yùn)行，甚至部分變壓器超載運(yùn)行。以S9-315型負(fù)載率低的變壓器為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，年平均負(fù)載率為50%，4個(gè)等分時(shí)區(qū)負(fù)載率分別為5%、14%、49%、132%。采用有載調(diào)容調(diào)壓變進(jìn)行更換改造，增容改造后型號(hào)為S11型630（200）kVA，綜合最佳調(diào)容點(diǎn)為125 kVA，升容門限為137.5 kVA，降容門限為112.5 kVA。得改造后4個(gè)等分時(shí)區(qū)負(fù)載率分別為7.88%、22.05%、24.5%、66%。根據(jù)式（8），計(jì)算年節(jié)約電量，結(jié)果如表2所示。

表2 抽樣臺(tái)區(qū)年節(jié)電量

3.2 改善電壓質(zhì)量

變壓器的輸出電壓與供電質(zhì)量有著密切的關(guān)系。當(dāng)電壓偏低時(shí)，銅損增大，鐵損減少，系統(tǒng)中的功率損耗和能量損耗加大，電壓過低時(shí)，還可能危及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，甚至引起電壓崩潰；而電壓過高時(shí)，各種電氣設(shè)備的絕緣可能受到損害。常規(guī)的無勵(lì)磁調(diào)壓變壓器需進(jìn)行人為斷電操作切換電壓。有載調(diào)容調(diào)壓變壓器可以根據(jù)實(shí)際投入電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，避免由于人為調(diào)節(jié)不及時(shí)造成的損害，增加供電的安全性，同時(shí)有助于臺(tái)區(qū)的智能管理。

400 V側(cè)供電電壓為

式中：UL為變壓器10 kV側(cè)電壓，kV；NT為變壓器原副邊變比；ZT為變壓器折算到副邊的等效串聯(lián)阻抗，為ZT=R+jX，其中R為變壓器等效串聯(lián)電阻，折算到副邊，Ω，X為變壓器等效串聯(lián)電抗，折算到副邊，Ω；Zload為變壓器低壓側(cè)負(fù)載阻抗。

由式（9）可知，當(dāng)變壓器10 kV側(cè)電壓相對(duì)額定值跌落，變壓器原副邊變比不變時(shí)，變壓器400 V側(cè)電壓將隨之跌落，若此時(shí)調(diào)低變壓器原副邊變比，則可補(bǔ)償變壓器400 V側(cè)電壓的跌落，穩(wěn)定低壓側(cè)輸出電壓；當(dāng)變壓器10 kV側(cè)電壓相對(duì)額定值增加時(shí)，若變壓器原副邊變比不變，變壓器400 V側(cè)電壓將隨之增加，若此時(shí)調(diào)高變壓器原副邊變比，則可補(bǔ)償變壓器400 V側(cè)電壓的增加，穩(wěn)定低壓側(cè)輸出電壓。

有載調(diào)容調(diào)壓變壓器的調(diào)壓基本原理是從高壓側(cè)引出3個(gè)分接頭，通過有載分接開關(guān)，在不切斷負(fù)荷電流的情況下，進(jìn)行分接頭之間的切換，從而變換串入高壓的額定匝數(shù)，從而達(dá)到改變電壓的目的。

安裝有載調(diào)容調(diào)壓變壓器后，變壓器的低壓側(cè)電壓基本控制在合格范圍之內(nèi)，可有效提升電壓的合格率。隨著負(fù)載率的增加，安裝點(diǎn)處電壓提升幅度逐漸減小。尤其安裝點(diǎn)處電壓低于額定電壓的10%時(shí)，通過有載調(diào)壓可以使電壓得到5%的提升。因此，為了有效穩(wěn)定配電變壓器低壓側(cè)供電電壓，提高電壓質(zhì)量，應(yīng)安裝有載調(diào)容調(diào)壓變壓器。

圖6 配電變壓器電壓改善對(duì)比

試點(diǎn)運(yùn)行地區(qū)按照電壓波動(dòng)范圍±4%的電壓合格策略進(jìn)行模擬運(yùn)行，模擬有載調(diào)壓后的電壓波動(dòng)情況，如圖6所示。配電變壓器低壓側(cè)未調(diào)節(jié)電壓時(shí)，電壓相對(duì)于額定電壓跌落11%，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓后，可提升低壓側(cè)電壓5個(gè)百分點(diǎn)，最大提升10 V。

3.3 更換高耗能配電變壓器的投資回報(bào)測(cè)算

對(duì)于S7、S9系列配電變壓器，已在網(wǎng)運(yùn)行超過10年，經(jīng)測(cè)算，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間等于或超過12年時(shí)，設(shè)備的實(shí)際殘值已經(jīng)超過賬上凈資產(chǎn)值，有必要進(jìn)行升級(jí)改造。

抽樣臺(tái)區(qū)變壓器型號(hào)為S9－315，更換后有載調(diào)容調(diào)壓變型號(hào)為S11型630（200）kVA，設(shè)備價(jià)格約8.5萬元。改造更換后，年均節(jié)電量為1.755萬kWh，節(jié)約電量結(jié)算電價(jià)按0.6元／kWh計(jì)算，年獲得效益為1.053萬元。臺(tái)區(qū)經(jīng)改造更換，約8年收回設(shè)備投資，20年經(jīng)濟(jì)使用期內(nèi)投資回報(bào)率約248%。

4 結(jié)語

更換有載調(diào)容調(diào)壓變壓器可有效降低變壓器運(yùn)行損耗，節(jié)能效果顯著，約8年收回設(shè)備投資；通過有載調(diào)壓技術(shù)，減少負(fù)荷波動(dòng)引起的電壓越限，提高電壓合格率；通過智能控制器RS485接口或GPRS模塊直接與上位機(jī)相連，提升用電管理水平。針對(duì)功率因數(shù)低、三相負(fù)荷不平衡、無功功率引起的損耗，可以考慮配套采用無功補(bǔ)償裝置，節(jié)能效果會(huì)更顯著。

［1］梁靜，張長(zhǎng)峰.運(yùn)行中電力變壓器的無功損耗計(jì)算［J］.科技致富向?qū)В?009（18）：101.

［2］韓篩根，郭獻(xiàn)清，湯茜，等.有載調(diào)容變壓器的有理及成本分析［J］.電氣技術(shù)，2012，31（24）：66-72.

［3］G／BT 13462—2008電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［S］.

［4］D／LT 985—2012配電變壓器能效技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)導(dǎo)則［S］.

［5］王建元，趙新，張麗娣，等.10 kV配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的可行性及經(jīng)濟(jì)性分析［J］.水電能源科學(xué)，2012，30（5）：164-166.

Technical and Economic Analysis for On-load Capacity and Voltage Regulating Transformers Used in Rural Distribution Network

LIU Jinzhong，WEI Caixia，SUN Yerong，ZHANG Lizhi，LI Xixun
（Shandong Electrical Engineering&Equipment Group Intelligent Electric Co.，Ltd.，Jinan 250022，China）

On-load capacity and voltage regulating transformers can solve the problem of high loss of distribution transformer operation when the seasonal peak valley load difference of rural distribution network is big.The technical analysis is carried on from aspects of basic principle and optimal capacity point calculation for transformers.Combining with the rural distribution network power，the economic analysis is carried on from aspects of the energy saving quantity calculation and the voltage quality improving.The rural distribution network reconstruction using on-load capacity and voltage regulating transformers can recover the investment in equipment in about 8 years，and the return on investment in the 20 years using period is about 248%.

on-load capacity and voltage regulating transformer；load feature；calculation of energy conservation；technical and economic analysis

TM41

A

1007-9904（2016）12-0020-05

2016-07-04

劉金忠（1975），男，工程師，從事電力變壓器設(shè)計(jì)和制造管理工作。