并列運(yùn)行配電變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制策略分析

黃烈江, 沈狄龍, 呂 渭, 張 斌

(杭州欣美成套電器制造有限公司, 浙江 杭州 311200)

0 引 言

變壓器是中低壓配電網(wǎng)絡(luò)中主要器件,在其運(yùn)行過程中,線圈、鐵芯產(chǎn)生的有功功率損耗、無功功率損耗,約占中低壓電網(wǎng)線損的20%～30%。因此,在節(jié)能減排,實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的大環(huán)境下,研究探討變壓器運(yùn)行中的節(jié)能降耗,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大的意義。

GB/T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》[1]把變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本要求歸納為:① 選用低損耗變壓器;② 合理選擇變壓器組合的容量和臺(tái)數(shù);③ 優(yōu)化選擇變壓器綜合功率損耗最低的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式;④ 合理調(diào)整變壓器負(fù)載,使其在綜合功率損耗最低的經(jīng)濟(jì)運(yùn)區(qū)間運(yùn)行。

文獻(xiàn)[2]從電氣設(shè)計(jì)的變壓器選型方面,敘述了推廣應(yīng)用新一代變壓器的節(jié)能降耗效益。但是在已投入運(yùn)行的1 530萬臺(tái)配電變壓器中,能耗等級在S11及以下的變壓器占總量的84.2%,因此優(yōu)化其運(yùn)行方式也是節(jié)能降耗的重要措施。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]探討了變壓器的綜合損耗率、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的區(qū)間,以及并列運(yùn)行變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。

本文介紹了在已投入運(yùn)行的低壓配電系統(tǒng)中,變壓器分列運(yùn)行場景下,根據(jù)其負(fù)載率調(diào)整容量,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方式及控制策略。

1 低壓配電系統(tǒng)變壓器運(yùn)行現(xiàn)狀

在民用低壓配電系統(tǒng)中,普遍采用二進(jìn)線一母聯(lián)進(jìn)線方式,2路10 kV高壓電源來自于上級2個(gè)變電所。2臺(tái)同容量、同型號的配電變壓器分列運(yùn)行,互為備用,以滿足供電可靠性的需求。配電系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 配電系統(tǒng)圖

當(dāng)某路高壓電源計(jì)劃停電或故障停電時(shí),該0.4 kV進(jìn)線開關(guān)分閘,母聯(lián)開關(guān)閉合(Ⅰ段～Ⅱ段母聯(lián)并列),由1個(gè)電源帶2路負(fù)載,2臺(tái)變壓器的總?cè)萘堪丛撓到y(tǒng)的最大負(fù)荷配置。

大型體育館等文體場館配電系統(tǒng)的負(fù)荷變化較大,高峰時(shí)期需2臺(tái)變壓器同時(shí)供電,但平峰時(shí)期的用電量在配變總?cè)萘康?0%以下,平均每臺(tái)變壓器的負(fù)載率不足30%,長期在輕載狀態(tài)下運(yùn)行。

目前新建住宅小區(qū)的配電系統(tǒng)因設(shè)計(jì)的變壓器容量適當(dāng)超前,以及受入住率低的影響,實(shí)際的負(fù)荷與設(shè)計(jì)容量相差甚遠(yuǎn),至使變壓器長期輕載運(yùn)行,空載損耗的占比增加,不符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本要求。

2 變壓器綜合損耗及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行簡析

變壓器在變壓和傳遞功率時(shí),自身要產(chǎn)生有功功率損耗[3-4]:

P=P0+PK

(1)

式中:P——變壓器的有功損耗;P0——變壓器空載損耗,或稱“鐵損”;PK——變壓器短路損耗,或稱“銅損”。

該功耗與其材料、結(jié)構(gòu)相關(guān),是評價(jià)變壓器能效等級的主要參數(shù)。

變壓器在運(yùn)行過程中,還會(huì)產(chǎn)生空載無功損耗Q0,短路無功損耗QK,以及無功電流引起的電網(wǎng)線損(無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量KQ),其有功綜合功率損耗如下:

PZ=P0Z+PKZβ2

(2)

PZ=(P0+KQQ0)+(PK+KQQK)×β2=

[P0+KQ(I0%/100×SN)]+[(PK+

KQ(U0%/100×SN)]×(S/SN)2

(3)

式中:PZ——變壓器運(yùn)行中的綜合有功損耗;P0Z——變壓器空載綜合功率損耗;PKZ——變壓器短路綜合功率損耗;β——變壓器運(yùn)行的負(fù)荷率,S/SN;KQ——無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量,變壓器無功電流折算到電網(wǎng)線損的系數(shù)(kW/kvar)一般為0.06～0.15,10 kV配電變壓器取0.1;

Q0——變壓器空載無功損耗,Q0=I0%/100×SN;

QK——變壓器短路無功損耗,QK=U0%/100×SN;

I0——變壓器空載(勵(lì)磁)電流;

U0——變壓器短路(阻抗)壓降;

SN——變壓器額定容量;

S——變壓器負(fù)荷的視在功率。

式(2)中,變壓器空載綜合損耗與負(fù)荷率無關(guān),是固定的損耗。變壓器的負(fù)荷率與有功功率綜合損耗率如圖2所示。短路損耗(銅損)是與負(fù)荷率β相關(guān)的一條指數(shù)曲線。

圖2 變壓器的負(fù)荷率與有功功率綜合損耗率

變壓器的綜合功率損耗率,是運(yùn)行中的綜合損耗與一次側(cè)輸入功率之比:

ΔPZ%=PZ/P1×100%=(P0Z+PKZβ2)/

(βSNcosΦ+P0+PKβ2)

(4)

綜合損耗率與負(fù)荷率關(guān)系見圖2,是一條U形曲線,其底部綜合損耗率最小,對應(yīng)負(fù)荷率即文獻(xiàn)[1]所述的“變壓器綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù)”:

(5)

式中:βJZ——變壓器綜合功率經(jīng)濟(jì)負(fù)載系數(shù);KT——負(fù)載波動(dòng)損耗系數(shù)。

圖3 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間劃分

3 分列運(yùn)行變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本策略

經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的控制電路如圖4所示。

圖4 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的控制電路

圖4中,CT1、U1,CT2、U2分別檢測1#變壓器B1、2#變壓器B2的負(fù)荷視在功率S,輸入控制器后,按變壓器容量SN,分別折算為負(fù)荷率β1、β2。

在B2獨(dú)立運(yùn)行期間,當(dāng)其負(fù)荷率β2大于等于0.75β時(shí),控制器命令高壓開關(guān)1合閘、母聯(lián)開關(guān)分閘,恢復(fù)2個(gè)變壓器分列運(yùn)行,B1、B2的負(fù)荷率約為βJZ,都在經(jīng)濟(jì)區(qū)間運(yùn)行,并保障2個(gè)負(fù)載電路高負(fù)荷運(yùn)行;反之亦然。

以2臺(tái)S11型,1 000 kVA的變壓器為例,查變壓器參數(shù),得

空載損耗:P0=1.115 kW;

空載(勵(lì)磁)電流:I0=0.5I0%;

短路損耗:PK=10.3 kW;

短路(阻抗)壓降:U0=4.5U0%;

負(fù)載電路功率因數(shù): cosΦ=0.9。

以上參數(shù),經(jīng)式(3)～式(5)計(jì)算得

空載綜合功率損耗:P0Z=1.115 kW;

短路綜合功率損耗:PKZ=114.8 kW。

由此可知,2臺(tái)變壓器的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間下限為150 kVA。當(dāng)B1負(fù)荷小于150 kVA,且B2不大于330 kVA時(shí),B1退出運(yùn)行,轉(zhuǎn)換為B2獨(dú)立運(yùn)行,承擔(dān)2路負(fù)荷,其負(fù)荷率β為0.48,小于0.75,處最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)間。由式(3)計(jì)算可得,此時(shí)B1、B2分列運(yùn)行的總損耗為5.17 kW,轉(zhuǎn)換為B2獨(dú)立運(yùn)行的損耗為5.02 kW,二者基本相等;而負(fù)荷率越低,減少損耗的效果越明顯。

4 分列運(yùn)行變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的輔助措施

4.1 保障供電可靠性的備自投策略

變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是“在確保安全可靠運(yùn)行及滿足供電量需求的基礎(chǔ)上”,“對變壓器的運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化選擇,從而降低變壓器的電能損耗”[1]。在系統(tǒng)低負(fù)荷時(shí),若簡單地停用其中一臺(tái)變壓器,則把上述雙路供電方式變?yōu)榱藛温饭╇?降低了供電可靠性。因此本文介紹的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的控制器中,增加了“備自投”功能。即:

在1臺(tái)變壓器(B2)獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)下,如果該電源因故障停電,控制器即命令:高壓開關(guān)1、低壓開關(guān)1合閘,由B1獨(dú)立運(yùn)行,為2路負(fù)荷供電。在變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略中,沒有改動(dòng)它對“特級負(fù)荷”的供電電路。特級負(fù)荷的供電電路如圖5所示。不管是B1獨(dú)立運(yùn)行,還是B2獨(dú)立運(yùn)行,母聯(lián)開關(guān)都處于“閉合狀態(tài)”,為2段0.4 kV母線上的負(fù)荷供電,同時(shí),2路電源無縫“閉環(huán)切換”,其停電時(shí)間為零,實(shí)現(xiàn)了2臺(tái)變壓器互為備用,保障供電可靠性。

圖5 特級負(fù)荷的供電電路

4.2 “輪停”策略

某些低壓配電系統(tǒng)長期(半年以上)處于低負(fù)荷狀態(tài),其中一臺(tái)變壓器退出運(yùn)行超過6個(gè)月,其間受潮濕等影響,需經(jīng)絕緣性能檢測等才能恢復(fù)運(yùn)行;而另一臺(tái)變壓器,因運(yùn)行周期相對較長,導(dǎo)致同一配電系統(tǒng)的2臺(tái)變壓器使用年限不同,設(shè)備管理麻煩。

因此采用了“輪停”策略,即在低壓配電系統(tǒng)長期(半年以上)處于低負(fù)荷狀態(tài)時(shí),每臺(tái)變壓器的運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為4～5個(gè)月輪換運(yùn)行,使2臺(tái)變壓器運(yùn)行的氣候條件及時(shí)長基本相當(dāng),方便設(shè)備管理。

4.3 其他措施

為減少變壓器分列與獨(dú)立運(yùn)行以及變壓器“輪?！钡那袚Q過程對電路的干擾,控制器及控制電路采用“合環(huán)切換”的方式。

根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果,因2路10 kV高壓電源,來自于同一區(qū)域電網(wǎng),其頻率、初相角一致,并在控制器安裝、配電系統(tǒng)改造過程中,檢測或調(diào)整2臺(tái)變壓器的相序,因此控制器只要檢測其電壓差是否小于5%,若小于5%即可實(shí)現(xiàn)“合環(huán)切換”,先閉合母聯(lián)開關(guān),再在0.1 s時(shí)間內(nèi)迅速斷開其中的另一臺(tái)高壓開關(guān),2路0.4 kV低壓電源無縫轉(zhuǎn)換,滿足了《杭州供電公司臺(tái)區(qū)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行改造方案》中相關(guān)“閉環(huán)切換”的要求。

控制器記錄(計(jì)算)當(dāng)天B1、B2的平均負(fù)荷率,如果其偏離最佳運(yùn)行區(qū)間,采用0∶00～3∶00時(shí)的用電低峰時(shí)段切換變壓器的運(yùn)行方式,以免負(fù)載波動(dòng)引起頻繁切換。

5 結(jié) 語

分列運(yùn)行的配電變壓器應(yīng)用本文方式及控制器,自動(dòng)調(diào)整變壓器的負(fù)載率,達(dá)到其經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo),該方法投資少,改造的工程小,適用于已投運(yùn)的低負(fù)載率、高能耗變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,結(jié)果顯示有明顯的節(jié)能降耗效果及經(jīng)濟(jì)效益。

該運(yùn)行方式降低了運(yùn)行變壓器的基本容量,在普遍采用二部制中,如果能按比例合理調(diào)整用戶的基本容量費(fèi),更有利于該經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的推廣與應(yīng)用。