高壓/低壓預(yù)裝式變電站損耗測(cè)量方法研究

孔繁婷，王陽，楊浩，陳健，盧林

（1.天津天傳電控設(shè)備檢測(cè)有限公司，天津 300300；2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

“雙碳”即碳達(dá)峰、碳中和，2021 年首次被寫進(jìn)政府工作報(bào)告中，成為家喻戶曉的“熱詞”。這一概念最早出現(xiàn)在2014年11月12日于北京發(fā)布的《中美氣候變化聯(lián)合聲明》中，美國(guó)提出2025年計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰。2020 年9 月，中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上向世界宣布了2030 年“碳達(dá)峰”與2060 年“碳中和”的目標(biāo)。

分析近年電力行業(yè)的變壓器能效提升計(jì)劃、全國(guó)碳市場(chǎng)正式開放以及國(guó)家對(duì)企業(yè)節(jié)能政策的補(bǔ)貼等，可以得出這一結(jié)論：從國(guó)際形勢(shì)到國(guó)家政策，低碳環(huán)保、節(jié)能減排是一場(chǎng)不容松懈的攻堅(jiān)戰(zhàn)。電力行業(yè)一直在低碳環(huán)保、節(jié)能減排的方向上不斷研究與探索。新能源發(fā)電、高壓輸電技術(shù)、變壓器的能效提升、變頻器的節(jié)能認(rèn)證等，無論是發(fā)輸電領(lǐng)域還是變配電領(lǐng)域，都在積極研究節(jié)能問題。

高壓/低壓預(yù)裝式變電站（簡(jiǎn)稱“箱變”或“箱式變電站”）是一種將高壓開關(guān)設(shè)備、配電變壓器和低壓開關(guān)設(shè)備、低壓補(bǔ)償設(shè)備按照一定接線方式組成的配電終端設(shè)備[1]。隨著城鄉(xiāng)發(fā)展電網(wǎng)不斷擴(kuò)容，箱變的裝機(jī)容量也在不斷增加。它作為電網(wǎng)配電環(huán)節(jié)的中堅(jiān)力量，不僅需要做到應(yīng)用安全便捷、運(yùn)行穩(wěn)定無誤，更重要的是還要足夠節(jié)能環(huán)保[2]。近幾年，箱變的節(jié)能性研究越來越多，從元器件的選擇到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，大量的改進(jìn)產(chǎn)品涌向了市場(chǎng)。例如，有的箱變選擇節(jié)能型配電變壓器以求達(dá)到節(jié)能效果[3]；有的箱變簡(jiǎn)化低壓補(bǔ)償回路，選擇智能電容器作為補(bǔ)償元器件；還有的箱變優(yōu)化外殼設(shè)計(jì)方案，取代風(fēng)扇散熱[4]。因此，市場(chǎng)存在著各種改進(jìn)的箱變產(chǎn)品，但目前在檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域沒有一套成熟的試驗(yàn)方法來對(duì)箱變產(chǎn)品的損耗進(jìn)行測(cè)定，也沒有一套評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)箱變節(jié)能性進(jìn)行認(rèn)證。針對(duì)以上存在的問題，本文將圍繞著解決箱式變電站損耗測(cè)量方法及優(yōu)化方案兩個(gè)方面進(jìn)行研究與討論，最終制定一套合理的試驗(yàn)方案對(duì)箱變產(chǎn)品的損耗進(jìn)行測(cè)定。

1 損耗測(cè)量方法與優(yōu)化方案

1.1 概述

箱式變電站的損耗主要來源包括變壓器、低壓室及低壓連接線、高壓室及高壓連接線、輔助/控制回路等4個(gè)部分。先對(duì)箱變進(jìn)行溫升試驗(yàn)，待箱變溫升達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量箱變的損耗。箱變的功能單元、元器件眾多，不同單元需要逐一分析。

變壓器損耗作為箱變損耗的主要部分，需要精準(zhǔn)考察。變壓器損耗包括負(fù)載損耗和空載損耗兩部分[5]。變壓器的負(fù)載損耗受環(huán)境溫度影響較大，測(cè)量得到的負(fù)載損耗需要折算到參考溫度下，因此認(rèn)為變壓器不需要與箱變其他功能單元一樣待溫升穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行損耗測(cè)量。而箱變的高壓室、低壓室以及輔助/控制回路的損耗測(cè)量要在溫升穩(wěn)定后進(jìn)行。

低壓室將變壓器低壓側(cè)脫開，低壓連接線短路，低壓連接線的短路點(diǎn)要盡可能地選擇靠近變壓器。低壓室配電回路試驗(yàn)電源與低壓開關(guān)設(shè)備出線端連接，主回路電流為受試變壓器的低壓側(cè)額定電流，應(yīng)對(duì)低壓室補(bǔ)償回路通額定電壓進(jìn)行試驗(yàn)，所有補(bǔ)償回路電容均處于投入的工作狀態(tài)。

高壓室試驗(yàn)電源與高壓開關(guān)設(shè)備的進(jìn)線端子連接，高壓開關(guān)設(shè)備應(yīng)通受試變壓器高壓側(cè)總損耗電流進(jìn)行溫升試驗(yàn)（因?yàn)橐獜浹a(bǔ)變壓器的空載損耗，所以要通總損耗電流進(jìn)行試驗(yàn)）。變壓器室的散熱會(huì)影響高壓室和低壓室的試驗(yàn)結(jié)果，所以變壓器不進(jìn)行溫升試驗(yàn)的考察，要與高壓室、低壓室同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備及高壓連接線、低壓設(shè)備及低壓連接線的溫升試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行[6]，試驗(yàn)接線圖如圖1所示，當(dāng)各部分均達(dá)到溫升穩(wěn)定后，方可進(jìn)行箱變各部分損耗的測(cè)量。

圖1 溫升試驗(yàn)示意圖Fig.1 Diagram of temperature rise test

以上是損耗測(cè)量的一個(gè)總體方案，下面就不同單元的試驗(yàn)方案具體實(shí)施及優(yōu)化進(jìn)行詳細(xì)描述。

1.2 變壓器損耗測(cè)量方法與優(yōu)化方案

變壓器的損耗包括空載損耗和負(fù)載損耗兩部分，試驗(yàn)均選在變壓器的主分接上進(jìn)行。

空載損耗反映了箱變?cè)诰W(wǎng)不運(yùn)行時(shí)變壓器損耗。變壓器長(zhǎng)久在網(wǎng)通電即會(huì)產(chǎn)生損耗，是反映變壓器節(jié)能性的重要參考指標(biāo)。試驗(yàn)測(cè)量方法是將變壓器高壓側(cè)斷開，低壓側(cè)施加額定電壓，用功率分析儀測(cè)得的有功功率即為空載損耗。

負(fù)載損耗是箱變帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的損耗，受環(huán)境溫度影響比較大，因此其測(cè)定值要折算到參考溫度下計(jì)算負(fù)載損耗值，這樣的數(shù)據(jù)才具有比較價(jià)值。試驗(yàn)測(cè)量方法是：將變壓器低壓側(cè)短接，高壓側(cè)施加額定電流，用功率分析儀測(cè)得的有功功率即為負(fù)載損耗。因?yàn)樽儔浩髫?fù)載損耗需要折算，所以認(rèn)為變壓器不需要同箱變其他功能單元一起進(jìn)行溫升試驗(yàn)后再進(jìn)行損耗測(cè)量。變壓器的溫升試驗(yàn)要達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間較長(zhǎng)，采用這種折算的方法不但提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，同時(shí)還提高了試驗(yàn)的效率。

負(fù)載損耗的折算步驟如下：

1）負(fù)載損耗測(cè)量溫度下的高壓繞組與低壓繞組值R2根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

1.3 低壓室及低壓連接線損耗測(cè)量方法與優(yōu)化方案

低壓連接線損耗不可忽略，選擇的處理方法是將它與低壓室看做一個(gè)整體同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

低壓配電回路的溫升方案選擇。不同箱變低壓配電回路不盡相同，不同的溫升方案也會(huì)影響到損耗測(cè)量結(jié)果。通常情況下有兩種溫升方案可供選擇。方案1 采用極值法進(jìn)行溫升試驗(yàn)，將每一條支路都通額定電流，直至達(dá)到主回路總電流為止。這種溫升方案做到了對(duì)支路開關(guān)的發(fā)熱量極限值考察，但通常支路電流的總?cè)萘慷急容^大，這種溫升方案只能考察很少一部分回路的損耗。方案2采用電流平均分配法進(jìn)行溫升試驗(yàn)，將總電流平均分配到每條支路上，每條支路都進(jìn)行溫升試驗(yàn)，這種方案雖然可以測(cè)得每條支路的損耗，但每條支路的試驗(yàn)電流數(shù)值都很低，無法反映真正的發(fā)熱情況，因此這種狀態(tài)下發(fā)熱情況對(duì)損耗的影響是不準(zhǔn)確的。以630 kV·A 箱式變電站為例，對(duì)比兩種溫升方案，結(jié)果如表1所示。從表1 能清楚地看到方案1 考察的支路數(shù)過少，而方案2支路的電流值過低。

表1 兩種溫升方案對(duì)比Tab.1 Comparison of temperature rise scheme

分析以上兩種方案的不足，本文提出一種比較合理的溫升方案：溫升發(fā)熱主要由電阻引起，因此在溫升試驗(yàn)前可以先測(cè)定各支路的回路電阻值，然后選定回路電阻值最大的支路，該支路的溫升試驗(yàn)電流值為額定電流值×0.8（0.8為分散系數(shù)）；再選定回路電阻值次大的支路，該支路的溫升試驗(yàn)電流值為額定電流值×0.8；以此類推，直至總電流數(shù)達(dá)到主回路額定電流值為止。這種優(yōu)化方案優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：1）選擇使用分散系數(shù)，在保證發(fā)熱的前提下降低了一定的溫升電流值，增加了通流回路的支路數(shù)；2）以回路電阻值的大小作為參考依據(jù)，從大到小依次選擇通流支路，使得試驗(yàn)更有目的性地考察了發(fā)熱量更高、損耗更大的支路。低壓補(bǔ)償回路保證每路電容器均在正常投入的情況下進(jìn)行溫升試驗(yàn)并且測(cè)量損耗值。

損耗的測(cè)量。理論上溫升穩(wěn)定時(shí)立即測(cè)量損耗，但測(cè)量設(shè)備的敷設(shè)需要打開箱變的門，測(cè)量設(shè)備的調(diào)試又需要一定時(shí)間，這個(gè)時(shí)間差會(huì)使低壓室的溫度值降低，損耗測(cè)量值也降低，這樣得到的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。為了解決這個(gè)問題，本文采用的方法是提前將功率分析儀安裝調(diào)試好，電壓探頭測(cè)量低壓室出線端電壓值，電流鉗測(cè)量低壓室出線端電流值，功率分析儀測(cè)量電壓、電流、有功、無功等值，其有功功率則為損耗值。低壓連接線處采用的是短接處理，因此出線端的測(cè)量值則為損耗值。這種方法還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一時(shí)刻的損耗變化情況，測(cè)量結(jié)果的可信度更高。

采用上述的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)測(cè)一個(gè)630 kV·A的箱式變電站的低壓室損耗數(shù)據(jù)，如圖2 所示。圖2a 為溫升試驗(yàn)開始時(shí)的損耗數(shù)據(jù)，圖2b 為溫升試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的損耗數(shù)據(jù)。試驗(yàn)進(jìn)行6 h，每1 h的損耗值均可以監(jiān)測(cè)到，從數(shù)據(jù)角度分析，溫度的升高確實(shí)會(huì)影響到損耗值。

圖2 低壓側(cè)損耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.2 Loss data for low-voltage side

1.4 高壓室及高壓連接線損耗測(cè)量方法與優(yōu)化方案

高壓連接線的損耗同低壓連接線的損耗一樣，是不可忽略的，選擇的方法也相同，高壓連接線的損耗與高壓開關(guān)設(shè)備損耗一同測(cè)量。

高壓室溫升方案。高壓室及高壓連接線在做溫升試驗(yàn)時(shí)為了保證變壓器發(fā)熱的影響，變壓器與高壓室一同進(jìn)行溫升試驗(yàn)，但是不對(duì)變壓器的溫升進(jìn)行考察。高壓室的試驗(yàn)電源與高壓開關(guān)設(shè)備的進(jìn)線端子連接，為了補(bǔ)償變壓器的空載損耗，高壓回路需要通受試變壓器高壓側(cè)總損耗電流進(jìn)行溫升試驗(yàn)，總損耗電流采用下式計(jì)算：

式中：In為高壓側(cè)額定電流；P0為空載損耗。

此時(shí)的總損耗要采用變壓器折算后的負(fù)載損耗進(jìn)行計(jì)算。變壓器總損耗電流比高壓開關(guān)設(shè)備的額定電流低很多，因此高壓室的發(fā)熱量很低，損耗基本產(chǎn)生于線路損耗。

損耗的測(cè)量。試驗(yàn)在變壓器低壓側(cè)進(jìn)行短接，直接導(dǎo)致提前在高壓開關(guān)設(shè)備出線端敷設(shè)好的功率分析儀測(cè)量的是變壓器、高壓連接線和高壓開關(guān)設(shè)備三部分總的損耗數(shù)據(jù)。想要得到高壓室及高壓連接線單獨(dú)的損耗值有兩種實(shí)現(xiàn)方案。方案1：溫升穩(wěn)定后，迅速開門拆線，將高壓連接線短接，然后采用功率分析儀測(cè)量的有功功率即為高壓室及高壓連接線損耗值；方案2：在高壓連接線處再敷設(shè)一套功率分析儀進(jìn)行功率測(cè)量，此處測(cè)量得到的有功功率與高壓開關(guān)設(shè)備出線端測(cè)量得到的有功功率作差即可得到損耗值。

選擇630 kV·A 的箱式變電站對(duì)以上兩種方案進(jìn)行了驗(yàn)證，并且對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較。圖3 為采用方案1進(jìn)行測(cè)量得到的高壓室及高壓連接線的損耗數(shù)據(jù)，損耗值為50.3 W。圖4為采用方案2進(jìn)行測(cè)量得到的高壓室及高壓連接線的損耗數(shù)據(jù)。圖4a 中高壓開關(guān)設(shè)備進(jìn)線端功率為6 137.2 W，圖4b 中高壓開關(guān)設(shè)備出線端功率為6 086.3 W，計(jì)算得到高壓室及高壓連接線的損耗為50.9 W。從數(shù)據(jù)看出兩種方案結(jié)果相差無幾，主要原因是變壓器總損耗電流比高壓開關(guān)設(shè)備的額定電流低很多，高壓室的發(fā)熱量很低，所以開門散熱對(duì)損耗影響相對(duì)較低。從數(shù)據(jù)中也可以看出，高壓側(cè)的損耗本來就比較低，因此為了結(jié)果更加準(zhǔn)確，在試驗(yàn)設(shè)備充足的前提下，選擇方案2會(huì)使試驗(yàn)過程更加便捷，效率更高，結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖3 高壓室損耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)（方案1）Fig.3 Loss data for high-voltage side（scheme 1）

圖4 高壓室損耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)（方案2）Fig.4 Loss data for high-voltage side（scheme 2）

1.5 輔助/控制回路損耗測(cè)量方法與優(yōu)化方案

輔助/控制回路不需要進(jìn)行溫升試驗(yàn)，損耗測(cè)量有兩種方案可供選擇。方案1：找到全部輔助/控制回路的一個(gè)公共取電端，然后給定電壓，用功率分析儀測(cè)量損耗值。方案2：高壓室、低壓室的輔助/控制回路單獨(dú)測(cè)量，然后相加得到輔助/控制回路的損耗。兩種方案的區(qū)別不大，但原則是要將全部輔助/控制回路的損耗都進(jìn)行測(cè)量。采用方案1 同樣對(duì)上述630 kV·A 箱變的輔助/控制回路的損耗進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 輔助/控制回路損耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Auxiliary and control loop loss test data

1.6 其他

回路電阻值作為其他試驗(yàn)的參考值，它的測(cè)量值也受到環(huán)境溫度的影響。為了得到的數(shù)據(jù)更加有參考意義，要將測(cè)量值折算到參考溫度20 ℃下進(jìn)行電阻值的比較，這樣得到的比較結(jié)果更加客觀。

2 思考與總結(jié)

本文比較全面地對(duì)箱變的損耗測(cè)量方法進(jìn)行了分析、比較與優(yōu)化處理，提出了一套系統(tǒng)的試驗(yàn)方法。首先，測(cè)量低壓側(cè)各個(gè)回路電阻值并按參考溫度進(jìn)行折算。然后，測(cè)量變壓器空載損耗和負(fù)載損耗，負(fù)載損耗按照變壓器的參考溫度進(jìn)行折算。最后，對(duì)高壓室、變壓器室、低壓室同時(shí)進(jìn)行溫升試驗(yàn)。高壓室與變壓器室相連進(jìn)行溫升試驗(yàn)并且測(cè)量高壓室輸入、輸出兩端的有功功率，相減即為高壓室損耗。低壓室采用前文所述優(yōu)化的溫升方案進(jìn)行試驗(yàn)并且測(cè)量輸出端有功功率，即為低壓室損耗。輔助/控制回路不需要進(jìn)行溫升試驗(yàn)，單獨(dú)給控制電測(cè)量損耗。各部分測(cè)量完成后，損耗數(shù)據(jù)相加即為箱變總損耗。采用該試驗(yàn)方法可以高效準(zhǔn)確地得到箱變的損耗值，是掌握判定箱變節(jié)能性的最直接的數(shù)據(jù)，為箱變節(jié)能性認(rèn)證提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。試驗(yàn)方法具有一定的普適性，對(duì)各種類型、容量的箱變均適用。文中也對(duì)試驗(yàn)方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了預(yù)期的數(shù)據(jù)結(jié)果。

在試驗(yàn)方法的研究過程中，還存在著各種問題引起了一些思考，做出總結(jié)如下：

1）如果低壓補(bǔ)償回路只由電容器組成，那么這部分的損耗能否按照損耗角正切值乘以電容器容量來計(jì)算獲得？如果不進(jìn)行低壓補(bǔ)償回路的帶電測(cè)試，試驗(yàn)會(huì)更加安全。

2）試驗(yàn)站的試品都是未裝有計(jì)量單元的箱式變電站，但真正裝機(jī)到配電終端的箱式變電站都是裝有計(jì)量單元的，計(jì)量單元的損耗和測(cè)試又是如何界定的？

3）隨著試驗(yàn)方法的確定，與之相應(yīng)的評(píng)價(jià)方案也是值得思考的，綜合評(píng)價(jià)損耗總值或者損耗占比哪種方法更加合理呢？

以上問題是目前箱變節(jié)能性研究尚未解決的問題，有待在未來的研究中得到解決。