智能型有載調容配電變壓器的應用研究

周恒逸，齊飛，葉會生，毛柳明，李四海，趙邈

(1． 國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙410007;2． 國網湖南省電力公司株洲供電分公司，湖南 株洲412000)

1 智能型有載調容配電變壓器的結構和原理

1.1 智能型有載調容配電變壓器結構

有載調容變壓器是一種具有2 個不同容量檔位的變壓器，可根據負載的變化在不停電的情況下自動調整容量運行，當負荷較輕或接近空載時，變壓器由大容量調為小容量，可大幅度降低空載損耗，克服無載調容需停電、人工操作的麻煩，達到節能、智能的目的。這樣，既解決了在農忙季節，變壓器過載運行現象嚴重的問題，又解決了用電淡季，負載率低，“大馬拉小車”導致網損、線損增大的問題〔1〕。

智能型有載調容變壓器主要由變壓器、有載調容開關和安裝了有載調容控制器的控制箱組成。包涵數據存貯、遙信、遙控、遙調、遙測、智能組網、無功補償控制、防盜等功能。

1.2 智能型有載調容配電變壓器原理

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

圖1 調容配電變壓器聯結示意圖

1.3 有載調容控制原理

有載調容開關的切換是由自動控制器根據檢測的負載大小情況來決定的，其工作原理如圖2 所示，

圖2 有載調容配電變壓器工作原理示意圖

有載調容控制器通過監測變壓器低壓側的電壓、電流，來判斷當前負荷電流大小，如果滿足調容條件則發出調容指令給有載調容開關，有載調容開關根據調容指令進行容量切換，實現變壓器內部高、低壓線圈的星、角變換和串、并聯轉換，完成變壓器帶負載情況下的容量切換。

2 智能型有載調容配電變壓器的節能分析

2.1 智能型有載調容配電變壓器的節能特點

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

對已定的鐵芯，AC是定值，在變壓器由大容量調為小容量時，由于低壓匝數的增加，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)空載損耗計算式為:

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

對于KP0及GFe，在容量變化時它們是不變的，而:

因此，PC將大幅度降低，由式(2)知，則空載損耗P0也會降低。

2)有載調容配電變壓器的負載損耗

對于調容配電變壓器，其負載損耗主要是繞組導線的電阻損耗，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。

繞組導線的截面是按大容量運行狀態選取的，在調為小容量后，由于相電流大幅降低，使導線的電流密度變小。對已定的三相銅線繞組，有:

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

2.2 智能型有載調容配電變壓器的節能運行分析

變壓器運行1年的電費按下式計算:

式中 Cy為變壓器運行1年耗電費用(元);P0為空載損耗(kW);PK為負載損耗(kW);SN為額定容量(kVA);UK為短路阻抗百分數;I0為空載電流百分數;8 600，2 200 分別為變壓器全年空載、等效滿載(負載系數相當于0.5)小時數(h);0.6 為電價(元/kWh)。

根據以上公式及相關的性能指標:

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

2)以農業生產為主的有載調容變壓器平均每天8 h 置于高容狀態運行，16 h 置于低容狀態運行，1年低容累計運行時間達5 840 h，采用SZ11－T－315(100)/10 有載調容變壓器比同容量的S11－315/10 普通變壓器每年可節約電量7 910 kWh。

3)目前所投運的有載調容變壓器中，有大約60%的配變臺區為農村居民用電，40%的配變臺區為農業生產用電，那么平均每千伏安容量每年節電量為27 kWh，1 臺SZ11－T－315(100)/10 有載調容變壓器比同容量的S11－315/10 普通變壓器每年可節約電量8 505 kWh，節約費用5 103 元。

3 智能型有載調容配電變壓器應用

3.1 有載調容配電變壓器的適用范圍

1)特別適用于季節性負荷變化幅度大的農村電網，用電季節性強、負荷波動大、用電集中、年平均負載率低的場所。在湖南省農村用電主要集中在夏、冬季，其余季節主要是照明用電。

2)勞務型輸出區域，該區域外出務工人員較多，平時用電負荷極少，變壓器輕載運行，變壓器鐵損比例較大，節假日或農忙季節人員返鄉，用電負荷猛增，由于配變容量不夠會出現跳閘或線路發熱燒壞現象。

3)晝夜負荷變化顯著的居民小區、路燈變、城市商業區。

3.2 有載調容配電變壓器的容量選配

根據現場負荷情況來確定變壓器容量，如果配變臺區出現過負荷跳閘現象，可根據現場容量確定高、低壓容量，選配合適的有載調容配電變壓器，既解決了過負荷跳閘，在負荷輕時又解決了變壓器“大馬拉小車”的情況。由于在不同容量時的短路阻抗基本上是接近于標準值的，在選擇容量組合時，小容量應選為大容量的1/3 左右，適合于小容量用在負載率低的狀況下的使用特點。

對于負荷變化不明確的臺區，應安裝配電檢測儀進行實際監控，了解負荷狀況。選擇變壓器容量時，既要考慮每天的負荷狀況，又要考慮迎峰度夏、度冬的高峰情況，防止容量選小而出現變壓器過載現象。

3.3 應用案例

1)農村鄉鎮臺區供電

項目地點:農村配電臺區;變壓器容量:100 kVA;負荷類型:農村供電;數據記錄時間:2013年4月3日;有載調容配電變壓器容量:100(30)。

該臺區正常運行時，B 相的電流變化趨勢如圖3 所示。

圖3 臺區B 相電流變化趨勢圖

電流變化時間段:

00:00—09 :00 負荷低谷，變壓器輕載運行

09:00—12 :00 負荷高峰，變壓器重載運行

12:00—16 :30 負荷降低階段，變壓器輕載運行

16:30—22 :00 負荷高峰階段，變壓器重載運行

22:00—00 :00 負荷降低，變壓器輕載運行

變壓器輕、重負荷運行時間:變壓器低負荷運行時間16 h;變壓器重負荷運行時間8 h。

由以上負荷曲線可以看出，農村電網負荷峰谷差非常明顯，但變化次數很少，調容開關每天動作次數在5 次以內。

2)城市事業單位供電

項目地點:供銷社配電臺區;變壓器容量:200 kVA;負荷類型:城市供電;有載調容配電變壓器容量:200(80)kVA。

該臺區正常運行時，B 相的電流變化趨勢圖如圖4 所示。

圖4 臺區B 相電流變化趨勢圖

電流變化時間段:

00:00—06 :00 負荷低谷，變壓器輕載運行

06:00—12 :00 負荷高峰，變壓器重載運行

12:00—17 :00 負荷降低階段，變壓器輕載運行

17:00—21 :00 負荷高峰階段，變壓器重載運行

21:00—00 :00 負荷降低，變壓器輕載運行

變壓器輕重負荷運行時間:變壓器低負荷運行時間14 h;變壓器重負荷運行時間10 h。

由以上負荷曲線可以了解，電網負荷變化比較明顯，變化次數很少，調容開關每天動作次數在5次以內。

3.4 湖南試點情況

有載調容配電變壓器試點選擇了國網耒陽市供電公司官探村2－4 組變，該臺區目前配變型號為S9－50/10，額定電流72.2 A，臺區日常負荷情況及春節期間最大負荷曲線圖見圖5。

圖5 有載調容變試點臺區負荷電流曲線圖

從圖5 可發現，該臺區日常負載率為69%，而春節期間配變負載率將增至129%，屬于典型的負荷季節變化臺區，對該臺區更換1 臺S11－T－50:160/10 調容變，日常低負荷期使用50 kVA 容量變壓器(低壓額定電流75 A)，平均負載率在69%左右;春節等負荷高峰期使用160 kVA 容量變壓器(低壓額定電流243 A)，高峰負荷時的負載率為40%左右，更換后臺區在高峰負荷期仍具有較大的負載增長空間，可以確保該臺區在高負荷時期不發生過載問題。具體參數設置見表1。

該臺區已運行336.5 h，有載調容配電變壓器運行正常，調容開關工作可靠，目前已完成累計調擋67 次，其中高檔位運行88.7 h，低檔位運行177.8 h，升、降檔分別為34，33 次。

表1 有載調容控制器的參數設置

4 結論

1)智能型有載調容變壓器節能效果顯著，技術經濟性較好，在小容量狀態下，空載損耗低，空載電流小，對于農村等用電負荷季節性變化明顯的情況有較好的適用性。

2)選用調容配電變壓器，要注意根據負荷情況，合理選擇容量組合，由于智能型有載調容變壓器在大、小容量時的短路阻抗基本上是接近于標準值的，從此角度出發，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”問題。

3)運行時，依據用電負荷變化情況適時地變換變壓器的容量，當負荷低于40%時，即可以調至小容量，進而降低鐵芯損耗，提高變壓器負載率和功率因數。

4)智能型有載調容配電變壓器的容量由調容控制器自動調整，因此在臺區計量收費上應進行調整。

〔1〕范聞博，韓篩根． 有載調容變壓器安全經濟運行控制策略〔J〕． 電力系統自動化，2011，35(18):98-102，107．

〔2〕王金麗． 有載調容變壓器綜合經濟性分析及應用研究〔J〕． 高壓電器，2009，45(3):32-35．