沿海區(qū)域高過(guò)載調(diào)容變壓器的應(yīng)用研究

孫承超 邱衛(wèi) 劉毅

摘? ?要：在沿海地區(qū)，由于配電變壓器在整個(gè)配電網(wǎng)損耗的比重較大，提出了高過(guò)載調(diào)容變壓器的應(yīng)用情況。介紹了高過(guò)載調(diào)容變壓器結(jié)構(gòu)組成、調(diào)容技術(shù)原理及控制方式。高過(guò)載調(diào)容變壓器根據(jù)電力系統(tǒng)的負(fù)載情況能夠自動(dòng)切換容量，避免了電力線路由于負(fù)載過(guò)高而造成電力災(zāi)難。同時(shí)設(shè)計(jì)了高過(guò)載調(diào)容變壓器的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶可以通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線通訊的方式實(shí)時(shí)監(jiān)控、接收、處理高過(guò)載調(diào)容變壓器的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。在相同時(shí)間段內(nèi)，通過(guò)與普通配電變壓器進(jìn)行比較，使用高過(guò)載調(diào)容變壓器后，克服了沿海地區(qū)負(fù)荷集中、時(shí)段性強(qiáng)、平均負(fù)荷率高的問(wèn)題，能夠獲取明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：高過(guò)載調(diào)容變壓器;調(diào)容;遠(yuǎn)程無(wú)線通訊;可靠性;經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類(lèi)號(hào)：TM401? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application Research on High Overload

Capacity Transformer in Coastal Area

SUN Cheng-chao?，QIU Wei，LIU Yi

（Weihai Power Supply Company，State Grid Shandong Power Company，Weihai，Shandong 264200，China）

Abstract：In the coastal areas，due to the large proportion of distribution transformers in the distribution network，the application of high overload capacity transformers is proposed. This paper introduces the structure of the high overload capacity transformer，the principle of the capacity adjustment and the control method，and introduces that the high overload capacity transformer can automatically switch the capacity according to the load of the power system，avoiding the power disaster caused by the high load of the power line. At the same time，the application system of high overload capacity transformer is designed. Users can monitor，receive，and process the field data of high-overload transformers in real time through remote wireless communication. In the same period of time，after comparing with ordinary distribution transformers，the use of high-overload transformers overcomes the problems of concentrated load，strong time and high average load rate in coastal areas，and can obtain obvious economic benefits.

Key words：high overload capacity transformer;volume adjustment;remote wireless communication;reliability;economic benefits

變壓器是電路系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一[1-4]，在配電應(yīng)用中，變壓器使用范圍較廣，數(shù)量繁多。變壓器的可靠、安全對(duì)于電力系統(tǒng)的安全性能和經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義[5-6]。在沿海地區(qū)，尤其是發(fā)達(dá)的沿海城市地區(qū)，企業(yè)、學(xué)校、用戶、旅游業(yè)等消耗電力較多，電路中承載著較重的負(fù)荷。

在用電高峰期，如果電路中的負(fù)載過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致線路損耗的問(wèn)題。直接影響供電企業(yè)及用戶的使用體驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)效益，這就需要用到高過(guò)載調(diào)容變壓器。

高過(guò)載調(diào)容變壓器具有節(jié)能環(huán)保、無(wú)功損耗低、空載電流小、抗突發(fā)短路能力強(qiáng)等良好特性，其年平均負(fù)荷低、負(fù)荷季節(jié)性強(qiáng)、負(fù)荷波動(dòng)大[7-8]。應(yīng)用高過(guò)載配變能夠降低調(diào)容變壓器的投入成本和運(yùn)行費(fèi)用，而且減少了配變損耗，提高投資效益回報(bào)率。在沿海地區(qū)，由于電網(wǎng)負(fù)荷分布集中、應(yīng)用范圍廣、負(fù)荷重、峰谷差不大、季節(jié)性不強(qiáng)、平均負(fù)荷率較高[9-10]。因此，配電網(wǎng)的節(jié)能降損是沿海地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。為了保證沿海地區(qū)電力負(fù)荷的正常運(yùn)行，就需要根據(jù)用戶的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用電負(fù)荷的特點(diǎn)，合理、選用高過(guò)載配電變壓器[11-12]。在保證高過(guò)載調(diào)容變壓器正常工作時(shí)，就需要考慮到其控制方法和通信方式，這對(duì)于保證負(fù)荷的高過(guò)載配變應(yīng)用意義非常重大。

1? ?高過(guò)載調(diào)容變壓器設(shè)計(jì)

在電力電網(wǎng)供電系統(tǒng)中，尤其在沿海區(qū)域，經(jīng)常遇到一些季節(jié)性或周期性負(fù)荷，它們?cè)谟秒姼叻鍟r(shí)，需電量很大，需要大容量的變壓器才能滿用電需求，低峰時(shí)需電又很小，變壓器的容量又浪費(fèi)了，不僅讓大容量變壓器較大的空載損耗浪費(fèi)了大量的電能，而且降低了功率因數(shù)高過(guò)載調(diào)容變壓器作為新型的節(jié)能配電變壓器，因此在用使用過(guò)程中，采用新型的有載調(diào)容技術(shù)。能夠根據(jù)負(fù)荷大小調(diào)節(jié)容量，降低損耗，提高變壓器負(fù)載因數(shù)，其接線原理圖如圖1所示。

調(diào)容變壓器的鐵心采用優(yōu)質(zhì)冷軋晶粒取向硅鋼片45度全斜接縫疊積，具有損耗小，噪音低，結(jié)構(gòu)緊湊體積小等特點(diǎn)。高壓線圈采用優(yōu)質(zhì)無(wú)氧銅按大容量、三角形（D）連接設(shè)計(jì)，在小容量運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)容開(kāi)關(guān)將其轉(zhuǎn)換為星形（Y）連接。低壓線圈分為三部分：一是27%匝數(shù)的I部分，另外兩部分II、III具有73%的匝數(shù)、用兩根截面為I部分1/2的導(dǎo)線并聯(lián)繞制而成，大容量時(shí)，調(diào)容開(kāi)關(guān)將II、III部分并聯(lián)后再與I部分串聯(lián)運(yùn)行，保證了低壓線圈的大容量，當(dāng)轉(zhuǎn)換為小容量時(shí)，調(diào)容開(kāi)關(guān)將I、II、III三部分串聯(lián)起來(lái)運(yùn)行，保證了高壓線圈在D接變?yōu)閅接，低壓側(cè)輸出電壓不變。

高過(guò)載調(diào)容變壓器具有大容積、實(shí)時(shí)可控能力高、能帶載調(diào)節(jié)容量的特點(diǎn)。其通常能夠根據(jù)用戶的負(fù)載需要來(lái)調(diào)整變壓器容量，避免線路因過(guò)高負(fù)載而導(dǎo)致電壓短路。其應(yīng)用原理是高低壓繞組隨著調(diào)容開(kāi)關(guān)而變化。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

高壓載調(diào)變壓器的結(jié)構(gòu)主要包括變壓器、調(diào)容開(kāi)關(guān)、調(diào)容控制器、信號(hào)采集單元、隔離CT單元、低壓端、高壓端。在高壓端設(shè)置有高壓套管，在低壓端設(shè)置有低壓套管。在工作時(shí)，計(jì)算機(jī)控制調(diào)容控制器，通過(guò)調(diào)容控制器控制調(diào)容開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)高過(guò)載調(diào)容變壓器，調(diào)容變壓器根據(jù)用戶在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)置的調(diào)整容量來(lái)調(diào)整。在低壓側(cè)，通過(guò)隔離CT單元輸出電壓、電流信號(hào)。通過(guò)信號(hào)采集單元采集隔離CT單元的信息。計(jì)算機(jī)可以與其他設(shè)備通訊，并將數(shù)據(jù)傳遞到云端進(jìn)行長(zhǎng)久性保存。

調(diào)容控制器主要由鐵芯、高/低壓繞組、器身、油箱組成的。貼芯的材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)鋼（內(nèi)部為高導(dǎo)磁，冷軋晶粒），這種材質(zhì)使調(diào)容控制器的空載損耗、噪聲大大降低，結(jié)構(gòu)上采用繞組及絕緣結(jié)果設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

在本設(shè)計(jì)中的高壓調(diào)容變壓器中，油箱為優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板制成的，具有散熱快的優(yōu)點(diǎn)。調(diào)容開(kāi)關(guān)包括電機(jī)、繼電器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、切換油箱等組成。在工作中，在繼電器端設(shè)置有保險(xiǎn)絲，當(dāng)過(guò)負(fù)載通過(guò)時(shí)，將通過(guò)繼電器切斷開(kāi)關(guān)，確保在高壓側(cè)切換時(shí)的安全性能。

在變壓器進(jìn)行調(diào)容時(shí)，如圖4所示，變壓器低壓繞組包括少數(shù)線匝I段和多數(shù)線匝線IIII段。當(dāng)變成大容量時(shí)，則將變壓器三相高壓繞組接成三角形，當(dāng)變成小容量時(shí)，則將小容量接成星形。將大容量II、III段進(jìn)行并聯(lián)連接，然后再與I段進(jìn)行串聯(lián)連接。在小容量時(shí)，將I段全部串聯(lián)。當(dāng)由大容量調(diào)節(jié)為小容量時(shí)，則增加低壓繞組的匝數(shù)，此時(shí)將高壓繞組變?yōu)閅接法。

高過(guò)載調(diào)容變壓器在工作時(shí)，通過(guò)信息采集單元采集變壓器的繞組結(jié)構(gòu)并檢測(cè)高壓側(cè)、低壓側(cè)輸出的電壓、電流、相位角等，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)容控制器，通過(guò)調(diào)容控制器與用戶的設(shè)置值進(jìn)行比較，假設(shè)電路負(fù)載率大于95%，則打開(kāi)調(diào)容調(diào)壓開(kāi)關(guān)，假設(shè)電路負(fù)載率小于20%，并持續(xù)時(shí)間大于40分鐘，則可打開(kāi)調(diào)容調(diào)壓開(kāi)關(guān)。用戶根據(jù)信號(hào)采集單元采集到的電壓、電流或相位信息，再次判斷。假設(shè)高壓側(cè)端的電壓相位為零，則增大變壓器的容量，若低壓側(cè)相電流相位為零，則減小變壓器的容量，進(jìn)行下一步的工作。當(dāng)高壓側(cè)和低壓側(cè)轉(zhuǎn)換完畢后，關(guān)閉調(diào)容、調(diào)壓開(kāi)關(guān)，調(diào)容控制器不在不再執(zhí)行命令，調(diào)容過(guò)程結(jié)束。

2? ?應(yīng)用于沿海地區(qū)的控制策略

由于沿海地區(qū)的電網(wǎng)負(fù)荷的特點(diǎn)，在進(jìn)行高過(guò)載調(diào)容變壓器時(shí)，選用基于云計(jì)算的遠(yuǎn)程控制方案。調(diào)控控制器通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線通訊方式或者專(zhuān)網(wǎng)實(shí)施遠(yuǎn)程控制，在遠(yuǎn)程控制端，用戶在控制室對(duì)調(diào)容控制器控制數(shù)據(jù)監(jiān)控、顯示、指導(dǎo)，如圖5所示。

在控制軟件設(shè)計(jì)中，其包括沿孩配電區(qū)的所有控制器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，其中云服務(wù)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)變壓器在工作區(qū)域中實(shí)時(shí)運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行自行判斷，并提出修改措施。參數(shù)設(shè)置要反復(fù)核對(duì)，由于參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致保護(hù)停電等故障。硬件故障表現(xiàn)為臺(tái)

區(qū)、臺(tái)區(qū)上層機(jī)構(gòu)、臺(tái)區(qū)下層機(jī)構(gòu)任意區(qū)段的停電，在故障設(shè)置中，臺(tái)區(qū) TTU 會(huì)根據(jù)調(diào)控控制器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)、停電情況（比如，時(shí)間、面積、位置）確定故障信息，使電工故障巡線時(shí)間、難度減少。

在應(yīng)用時(shí)，如圖6所示，假設(shè)在山東威海某個(gè)配電區(qū)域，采用型號(hào)為S11-M-ZT-315（100）/10的調(diào)容變壓器。時(shí)間段在09：00-18：00之間時(shí)，則用電較多的為公司用電、企業(yè)用電。時(shí)間段在18：00-22：00之間，則用電較多的為家用電器（其表現(xiàn)為洗衣機(jī)、冰箱、烤箱、空調(diào)等）。其使用結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

這上述用電高載期存在重負(fù)荷時(shí)，調(diào)容變壓器可按照上文描述的方法對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷線路進(jìn)行調(diào)節(jié)容量，將其調(diào)到大容量運(yùn)行。在晚上 22 時(shí)-次日6 ：00可調(diào)到小容量運(yùn)行，在6：00 至晚上 22：00，這種變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗都比較低，尤其是小容量運(yùn)行時(shí)的總損耗比相同容量的普通變壓器的總損耗低得多，因此調(diào)整到小容量進(jìn)行，這種方式減少了因負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的電能損耗。通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元采集高過(guò)壓變?nèi)蓦妷浩鞯碾妷?、電流、相角等。然后工業(yè)計(jì)算機(jī)接收高過(guò)壓變?nèi)蓦妷浩鞯碾妷?、電流、相角等信息。在工業(yè)計(jì)算機(jī)端處，用戶可以通過(guò)故障診斷單元對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷，并顯示診斷后的數(shù)據(jù)。在工業(yè)計(jì)算機(jī)端處，診斷數(shù)據(jù)或者信號(hào)采集單元采集到的電力數(shù)據(jù)可以通過(guò)以太網(wǎng)傳遞到中央控制室。在中央控制內(nèi)，用戶可以實(shí)時(shí)檢測(cè)高過(guò)載調(diào)容變壓器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，遠(yuǎn)程監(jiān)控、指導(dǎo)。

調(diào)容變壓器在大容量運(yùn)行時(shí)，工作狀況同普通電力變壓器相同，當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，采用特殊的調(diào)容開(kāi)關(guān)改變變壓器的線圈連接，從而降低變壓器的容量，此時(shí)，變壓器鐵心中的磁通密度大大降低，使得變壓器的空載損耗大大降低，節(jié)約了電能，并提高了功率因數(shù)，有效地解決了“大馬拉小車(chē)”的不合理現(xiàn)象。

3? ?經(jīng)濟(jì)效益分析

在國(guó)網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司在高過(guò)載調(diào)容變壓器應(yīng)用模式中，在夏季，最高供電負(fù)荷預(yù)算有 257 kW，年度最低供電負(fù)荷預(yù)計(jì)有120 kW。下文結(jié)合使用高過(guò)載調(diào)容變壓器和普通變壓器進(jìn)行比對(duì)分析。通常，有載自動(dòng)調(diào)容配電變壓器在大容量時(shí)，三相高壓繞組接成三角形接法（角接），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（星接），低壓繞組串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)使用S11-M-ZT-315（100）/10的調(diào)容變壓器，不僅解決了臺(tái)區(qū)內(nèi)電力負(fù)荷分散、時(shí)段性強(qiáng)、平均負(fù)荷率低等問(wèn)題。還能夠通過(guò)調(diào)容控制器的自適應(yīng)檢測(cè)能力及時(shí)判斷用戶負(fù)荷的大小，并通過(guò)有載調(diào)容開(kāi)關(guān)，在變壓器不斷電的狀態(tài)下，通過(guò)智能控制器對(duì)兩種容量進(jìn)行自動(dòng)切換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中變壓器容量大小的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

當(dāng)負(fù)荷低谷時(shí)，三相平均電流值低于大容量的額定電流值的 40%，并持續(xù) 15 min 以上時(shí)，調(diào)到小容量 100 kVA 使用;負(fù)荷高峰時(shí)。三相平均電流值高于小容量的額定電流值的 80% （或單相電流值超過(guò)小容量的額定電流值）時(shí)，調(diào)到大容315 kVA 使用。下面結(jié)合表1說(shuō)明下實(shí)用高過(guò)載調(diào)容變壓器的經(jīng)濟(jì)效益。

使用高過(guò)載調(diào)容變壓器，估計(jì)全年共計(jì)的小容量運(yùn)行時(shí)間有 5 967 h，大容量運(yùn)行時(shí)間為6870 h，同比普通變壓器小容量運(yùn)行時(shí)間為8072 h，大容量運(yùn)行時(shí)間為1452 h，可以推測(cè)，每年綜合電能節(jié)約大致有6134 kWh。根據(jù)用電性質(zhì)不同，按照電價(jià)0.6 元 /kWh，則可以計(jì)算出每臺(tái)高過(guò)載調(diào)容變壓器可節(jié)約0.5萬(wàn)元左右，那么沿海區(qū)域所有的高過(guò)載調(diào)容變壓器，假設(shè)按30臺(tái)計(jì)算，則總的綜合電能可節(jié)約150000 kWh，總節(jié)約電費(fèi)大致有上百萬(wàn)，設(shè)置上千萬(wàn)。由此可見(jiàn)，在沿海區(qū)域使用高過(guò)載調(diào)容智能配電變壓器使得運(yùn)行成本可節(jié)約上百萬(wàn)元。這種調(diào)容變壓器比常規(guī)變壓器價(jià)格高約30%-40%，相比同容量變壓器單臺(tái)投資成本增加 2.5萬(wàn)-4萬(wàn)元，投資 4-6 年即可收回成本，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4? ?結(jié) 論

高過(guò)載調(diào)容變壓器在沿海區(qū)的應(yīng)用解決了沿海區(qū)域負(fù)荷集中、時(shí)段性強(qiáng)、平均負(fù)荷率高的問(wèn)題，對(duì)于沿海區(qū)域電網(wǎng)具有較好的適用性。通過(guò)采用遠(yuǎn)程無(wú)線通訊的方式，使得用戶能夠在中央控制室即時(shí)觀察、監(jiān)測(cè)即時(shí)指導(dǎo)高負(fù)載調(diào)容電壓器的工作情況。通過(guò)進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，同比普通同容量提高了沿海地區(qū)電網(wǎng)、電壓合格率和供電可靠率，并且高過(guò)載調(diào)容變壓器的安全性和經(jīng)濟(jì)性也得到驗(yàn)證，減少了投資成本，滿足了沿海地區(qū)供電高峰期件短時(shí)間段內(nèi)高峰負(fù)荷需要。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，節(jié)能效果顯著，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]? ? 張宗喜，劉睿，馮運(yùn)，等. 基于熱點(diǎn)溫度模型的高過(guò)載配電變壓器絕緣油安全性能研究[J]. 絕緣材料，2016（4）：52-56.

[2]? ? 王欣盛，王琦，付超，等. 關(guān)于農(nóng)網(wǎng)高過(guò)載能力配電變壓器技術(shù)導(dǎo)則的討論[J]. 變壓器，2016，53（2）：40-44.

[3]? ? 李芬，李春陽(yáng)，閆全全，等. 基于變分貝葉斯學(xué)習(xí)的光伏功率波動(dòng)特性研究[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2017，37（8）：99-104.

[4]? ? 周月梅. 淺談高過(guò)載能力配電變壓器的溫升計(jì)算方法[J]. 變壓器，2018，55（7）：11-15.

[5]? ? 陳朋，孫業(yè)榮，張健，等. 箔式有載調(diào)容變壓器短路阻抗問(wèn)題的分析[J]. 變壓器，2018（11）：17-22.

[6]? ? 霍佳賀，趙慶生，王旭平，等. 有載調(diào)容變壓器最佳容量調(diào)節(jié)點(diǎn)分析和選擇[J]. 變壓器，2018，55（7）：38-42.

[7]? ? 陳朋，劉金忠，孫業(yè)榮，等. 有載調(diào)容變壓器附加損耗的計(jì)算方法[J]. 變壓器，2017，54（2）：17-22.

[8]? ? 蔣妍妍，李洪林. 弱電網(wǎng)下LCL型濾波光伏并網(wǎng)逆變器的控制研究[J]. 微電機(jī)，2017，50（8）：44-48.

[9]? ? 楊蘋(píng)，鄭遠(yuǎn)輝，許志榮，等. 基于準(zhǔn)比例諧振積分與重復(fù)控制的光伏并網(wǎng)逆變器研究[J]. 可再生能源，2015，33（7）：33-38.

[10]? 唐海國(guó)，冷華，朱吉然，等. 基于智能配變終端的變壓器低壓保護(hù)改進(jìn)策略[J]. 中國(guó)電力，2016，（S1） ：16-20.

[11]? 張甦，苗虹，曾成碧. 基于改進(jìn)粒子群算法的固態(tài)變壓器在電網(wǎng)中的配置研究[J]. 電力建設(shè)，2016，37（11）：71-77.

[12]? YUE Y，HE B，LI Y，et al. Building an efficient put -intensive

key-value store with skip-tree[J]. IEEE Transactions on Parallel

and Distributed Systems，2017，28（4）：961 - 973.

[13]? 王昕. 高過(guò)載變壓器采用F級(jí)絕緣等級(jí)的原因分析[J]. 變壓器，2017，54（5）：35-38.

[14]? 余從極，牛中偉，趙莉華，等. 一種改進(jìn)的并網(wǎng)光伏逆變器電流控制系統(tǒng)[J]. 電源技術(shù)，2015，39（5）：1033-1035.

[15]? 陳朋，劉金忠，劉宏. 自動(dòng)調(diào)容調(diào)壓變壓器短路阻抗的分析與計(jì)算[J]. 變壓器，2017，54（4）：1-6.