線路末端低電壓治理的研究

黃繼明 楊志義 吳高波

（國網浙江寧波市鄞州區供電公司，浙江寧波 315175）

線路末端低電壓治理的研究

黃繼明 楊志義 吳高波

（國網浙江寧波市鄞州區供電公司，浙江寧波 315175）

隨著我國經濟建設與人民生活水平的高速發展，目前對于電力的要求也在高速提升。在實際的電力使用過程中，安全、穩定、高效的電力輸送是正常用電的前提條件。但對于我國的農村電力用戶而言，由于配電網線路較長并且低壓線路老化等原因，在實際的使用過程中往往會出現各種問題，導致電機燒毀以及用電器無法正常工作等情況，甚至會產生安全隱患。因此線路末端的電壓治理就顯得尤為重要。

線路末端 低電壓治理 配電變壓器

對于我國農村的電力用戶而言，穩定而安全的電力供應是農村用戶正常用電以及安全用電的根本保障。但由于我國農村的配電網線的實際線路往往較長，同時電力用戶處于供電末端，同時我國農村配電網的改造時間較長，因此造成了農村低壓線路發生了較為嚴重的老化現象，并且在變壓器方面，由于沒有及時的進行更換，目前所使用的變壓器容量較小。而隨著“家電下鄉”以及農村企業的高速發展，目前我國農村生產生活的現代化水平已經處于一種較高的階段，對于電器產品有著較強的依賴性。在這樣的情況下，目前所使用的農村配電網已經嚴重阻礙了農村經濟以及生活的發展。在我國農村實際的電力使用過程中，由于農村配電網普遍存在有低電壓問題，因此極易造成電機燒毀的情況，同時冰箱、電視、空調等電器無法正常使用，農村企業的機床、計算機等生產設備也無法進行工作，造成了嚴重的經濟損失，甚至會造成較大的安全隱患，嚴重影響了農村居民的生產生活。對于農村配電網存在的普遍問題，我們發現通過對變壓器進行改造，可以較好地將目前農村配電網的問題進行解決。通過智能型有載調容配電變壓器，能夠根據世紀的負荷大小對容量進行相應的調節，不僅能夠對現有的農村配電網因為季節等原因造成的負荷變化，導致變壓器出現的嚴重過載以及“小馬拉大車”問題進行解決，同時也能夠客服以往無載調容變壓器使用過程中由于手動對容量進行調節而造成的必須斷電的維護問題，同時也能夠取代“母子變壓器”，大大降低了配電變壓器的損耗，有著極強的節能效果以及經濟性，對于農村電網的安全用電以及正常用電有著重要意義。

1 目前我國農村電網在使用過程變壓器出現的普遍問題及解決方法

1.1 目前我國農村電網在實際使用過程中出現的問題

雖然經過了數十年的發展，我國的電網建設已經取得了一些成就以及較為滿意的成績，但需要注意的是相比國外發達國家，我國的電網建設仍然處于聯網的初期，對于各級電網而言，往往只是在形式上連成了一起，在發電廠、電網線路、變電容量以及區域電網之間仍然存在著一定的問題，產生了較為嚴重的瓶頸。而正是由于這些問題，導致了在實際使用電力的過程中，農村配電網出現的供電半徑較長，并且引起了較為嚴重的電壓波動以及電壓降。而以往由于農村電力用戶較少，因此農村配電變壓器的容量也較小，但目前隨著經濟建設的發展，農村電力用戶的數量高速增長，由于各種原因無法及時更換的低容量配電變壓器對農村電力的安全使用造成了極為嚴重的問題，甚至造成安全隱患。在這樣的情況下，在較長的一段時間內我國相關部門對于農村電力的正常使用開展了討論以及研究。

1.2 傳統對農村電網變壓器出現的問題解決方法

傳統對農村電網使用過程中變壓器出線的問題進行解決往往是需要盡可能地讓變壓器運行經濟化。在這種思想的指導下，有較多的農村配電網開始使用自動有載調壓變壓器。從變壓器的技術性能、線路損耗以及變壓器自身的損耗來看，無載調壓變壓器的運行費用遠遠高于有載調壓變壓器的使用費用。從技術性能上看，無載調壓變壓器是不能夠隨著電網的電壓變化二將自身的載調壓進行變化的，在實際的調壓過程中，變壓器必須要停止運行后才能夠通過分接開關的方法來進行調整，同時也必須對直流電阻進行相應的測量。但是如果在此過程中使用了有載調壓變壓器，就能夠實現在帶有負荷的前提下自動完成調壓以及測量直流電阻的效果。在調節的范圍方面，無載調壓變壓器通常只有三個檔位，在實際的調節過程中往往只能夠進行10%的范圍調節，調節的范圍往往比較小。但對于有載調壓變壓器而言，通常的調節檔位為9個，并且在調節的范圍方面能夠進行20%的調節，具有良好的調節范圍。而在變壓器自身的安全性能上看，無載調壓變壓器極易受到大幅度的波動電壓的影響，在實際的使用過程中的安全性能無法得到較好的保障，但有載調壓變壓器難以受到較大波動電壓的影響。從變壓器的損耗方面看，通過以往的研究我們可以發現，如果農村配電網的電壓較低，變壓器的銅損耗往往會增加，但在此過程中如果將變壓器的電壓升高，變壓器中的鐵損耗會增加。由于在農村配電網的實際使用過程中，負荷往往無法處于一種穩定的狀態，電壓的變化范圍極大，如果使用無載調壓變壓器，變壓器在較多的時間內會在低壓或過壓的范圍下進行運行，加大的增加了變壓器的損耗。但如果換裝有載調壓變壓器，可以將這一問題進行較好的解決。而在線路損耗方面，如果變壓器的電壓降低，則變壓器的出線損耗就會大大增加。對于我國農村配電網而言，由于地理條件限制等原因，大多數的電力變壓器的供電半徑極大，月那次電壓的損耗也會相應的增加。尤其是目前我國農村的電力用戶數量增長較快，在電力使用的高峰期，電壓水平無法得到較好的保障。如果選用大容量的變壓器，會造成長期的“小馬拉大車”的運行情況，也會增強電網建設的相關成本。因此目前在我國農村中對線路末端的低電壓治理的方法往往是選用有載調壓變壓器，通過有載調壓變壓器能夠在某些方面將農村配電網使用的問題進行解決。

2 有載調壓變壓器在農村配電網使用過程中的缺點

雖然目前在我國農村電網使用的過程中，通過安裝有載調壓變壓器的方法解決了一些線路末端低電壓運行過程中出現的問題。但由于有載調壓變壓器的特點，在實際的農村配電網使用的過程中仍然會出現一定的問題。

2.1 有載調壓變壓器無法改變無功需求平衡狀態

在使用有載調壓變壓器的過程中，如果出現了系統無功功率缺額的情況，由于有載調壓變壓器的負荷電壓特性，往往會導致系統在一種較低的電壓下保持穩定的運行。但需要注意的是，如果在此狀態下的無功功率缺額較大，為了保證電壓處于一種穩定的狀態，有載調壓變壓器會導致電壓暫時上升，在此狀態下，會將無功頻率缺額全部轉嫁到主網上，因此主網的電壓會由于這樣的情況逐漸下降，嚴重時就會引起電壓崩潰。在以往的研究中，世界上幾次嚴重的停電事故均是由于這樣的原因引起的。

2.2 會嚴重到變壓器運行過程中的可靠性

對于有載調壓變壓器而言，其中含有的在調壓分接頭，會嚴重影響變壓器在實際運行過程中的可靠性。在1982年的國際大電網會議中，變壓器委員會就提出過這樣的問題，指出了帶負荷調節電壓的分接頭不僅會出現自身不可靠的情況，同時也會增加變壓器整體運行過程中以及設計過程中的復雜性，同時有載調壓變壓器由于是帶有符合調整電壓的，不可避免的會在實際的使用過程中產生電弧因此會造成聚集在游離變壓器油會造成有載調壓變壓器中有瓦斯冒出的情況，甚至會引起誤發信號或是誤操作。由此可見，如果叫大容量的變壓器配備了有載調壓的分壓頭，會對變壓器的可靠性造成較大影響，尤其是對于農村配電網而言，一旦加裝較大容量變壓器，如果再配置有載調壓分壓頭，會對農村配電網的正常運行以及安全使用造成極大的影響。

2.3 有載調壓變壓器會加大運行費用以及投資

對于有載調壓變壓器而言，往往是在常規的變壓器上加裝有在調壓分接頭，因此在實際的使用過程中，體積大小會遠遠高于同等容量的變壓器大。因此在有載調壓變壓器實際的使用過程中，不僅會大大的增加變壓器的投資，同時也會增加變壓器運行過程中的維護費用。在另一方面，如果需要對調壓箱進行相應的檢修，需要進行停電，而停電的時間相比常規變壓器的停電時間較長，同時較為頻繁的動作有載分接開關以及傳統機構，也會極大地增加運行管理過程中的相關費用。而正是由于有載調壓變壓器在實際的使用過程中會出現如此眾多的問題，我們猜想是否有一種解決方法，既能夠解決農村配電網在線路末端低電壓使用的過程中可以正常而安全的使用，同時也不會造成如同有載調壓變壓器一樣出現諸多的問題。

3 國內外對線路末端低電壓治理的研究概況

由于線路末端低電壓的情況會造成在實際的電力使用過程中的諸多不便以及較大的安全隱患，在多年來國外對于線路末端低電壓的治理方面也有著較大進展。尤其是最近國外已經開始研制全自動繞線機，通過全自動繞線機的形式進行自動排線以及自動張緊，因此繞線的質量大大增加。同時在直流換流變壓器的制造方面也開始提升質量，目前國外的直流換流變壓器的制造技術是目前世界變壓器制造領域的最尖端技術之一，能夠較好的代表著變壓器制造業的最高水平。從總體來看，低損耗、組合化、節能環保、低噪聲以及高可靠性是未來變壓器的發展方向，同時隨著電力用戶對于電能供應的各種需求的不斷提升，在實際的使用電能的過程中，是否會產生高次諧波、引起電壓波動以及電壓閃變、使用電能時是否會對電網造成污染等問題已經開始逐漸的成為了判斷變壓器性能優劣的重要指標。此外，變壓器的美觀也是電能用戶低于變壓器提出的全新要求，在實際的使用電能的過程中，目前一種地下式變壓器開始逐漸得到了普及，通過將變壓器設置在地下，能夠得到較好的美觀效果。而另一種全新的變壓器，即干式變壓器能夠的刀片較為優秀的防火性能，大大提升在使用電能過程中的安全性。而S11型油浸變壓器能夠實現在使用電能過程中的低損耗性。這些變壓器都將得到較好的運用。在世界上，變壓器的發展目標為輕量、高效以及高密度，片式化的變壓器將會得到進一步的發展，同時低損耗、高頻、尺寸小、價格低的電源變壓器也會得到較好的市場，高壓電源變壓器的市場極為廣闊，在實際的配電變壓器制造使用的過程中，將會隨著鐵心變壓器的發展，研制出成套的自動化程度較高的卷鐵心生產設備。

4 一種全新的調容節能的理論依據

4.1 傳統調容節能的缺點

對于傳統的調容節能而言，主要是使用傳統的調容調壓開關進行實現的。傳統的調容調壓開關是一種由點擊旋轉，并且通過傳動及緩慢地將傳動機構進行調節。在此過程中，動作時間一般需要十幾秒，同時傳統的調容調壓開關的體積極大，價格高昂，使用過程中也顯得極為復雜。在一般使用傳統調容調壓開關的場合，主要是使用在35kV主變以及110kV主變，在目前農村配電網中常用的10kV配電臺區中難以得到較好的使用。為了更好的實現農村配電網中的調容節能，我們設想，能否有一種通過永磁真空開關以及專用的轉換開關進行組合，從而實現一種快速調壓的目的。通過這種方式進行工作，具有體積小。轉換速度快（一般一次轉換只需要100ms），同時在實際的轉換過程中不會出現弧光等特點，在農村配電網的配電臺區中能夠較好地實現自動調壓。

4.2 一種全新的調容節能理論依據

目前，針對我國農村配電網的實際情況，我們發現可以使用調容節能的方法來對目前線路末端低電壓的情況進行較好的治理。由于通常在對變壓器的損耗進行評價的過程中，往往需要將鐵芯損耗以及線圈損耗進行相應的考慮，在這其中，鐵損耗為變壓器的空載損耗，鐵芯損耗的變化和變壓器鐵芯的材料以及鐵芯的尺寸有著較大的關系，同時也和繞組的繞制形式以及匝數有著較大關系，相比負荷的大小，鐵芯的損耗和變壓器的負荷并沒有太大的關系，因此可以通過增加鐵芯的截面積，或是使用減少每一匝的電壓來實現降低鐵芯的磁通密度的目的，進一步的降低鐵芯的損耗，同時也能夠減少繞組導線的截面積，大大的縮短磁通路徑，同時也能夠將變壓器的空載損耗降低。對于農村配電網而言，往往具有配電變壓器的運行數量較多，并且線路范圍大、線路雜錯、點多面廣。正是基于農村配電網中變壓器的這一特點，為了進一步的得到節能效果，并且提升農村配電網中變壓器的運行效率，提升變壓器的極小運行效率就能夠節約較多的電能。通過目前的研究，使用新型高效的變壓器，并通過目前的實用新技術實現后，至少能夠節約15%的電能，對于農村配電網中的某一個具體的區域或片區，在實施了自動調容的配電改造后，就能夠得到極佳的節能效果以及相關的經濟效益。

5 新型調容調壓變壓器實現的技術要點

5.1 自動調壓開關及自動調容開關的實現

對于自動調壓開關，往往是在穩定的220V交流電的情況下進行使用的。在此時可以講電橋兩端連接硅二極管整流器。而對于380V的三相交流電的使用情況下，可以使用6個硅二極管，從而組成一種三相全波整流。如果需要使用在穩定的交流整流后的直流電壓或是在穩定的電池浮動充電的電池電壓時，可以將被穩電壓直接加在電橋兩端。在實際的使用過程中，為了更好的使用在穩定的交流電壓中，可以在整流后進行相應的濾波。對于調壓機構而言，在繼電器開始動作后，可以與電橋兩點相接處，在此時電機開始反時針方向轉動，同時自耦調壓器可以向降壓的方向進行調整。在此時繼電器會有所動作，并且會往電樞方向進行相反方向的運動。在此時，電機會產生順時針的轉動，從而能夠幫助自耦變壓器向升壓方向進行調整，并且通過這樣的一種方式實現一種自動調壓的目的。對于自動調容開關，我們發現目前所使用的傳統調容開關是一種機械式的調容開關，這種調容開關主要是一種立式圓筒的結構，而為了保證在實際的使用過程中不會發生卡死的情況，接觸電阻往往比較小，同時在此過程中，開關的動靜接觸頭會緊密的貼合在絕緣筒上，同時整個開關可以使用高燃點的β油進行絕緣，在實際的熄滅切換過程中產生電弧，但是需要注意的是，如果使用機械結構的有載調容開關，在實際的使用過程往往會出現結構較為復雜、并且在切換的過程中會產生電弧，同時也很有可能出現卡死的現象，在實際的使用過程中，如果需要對速度進行調節，調節速度較慢。因此目前在制造有載調容開關的過程中，往往是使用微處理器直接對電力電子開關進行控制，并且能夠較好的實現無電弧化的容量切換。

5.2 高低壓負控開關的相關技術

對于10kV架空線路T接的用戶而言，如果用戶內部發生了故障，隨按發生在用戶的進線開關內側，但由于保護動作的時限以及變電站的開關保護配合出現了不當的情況，也會造成變電站的出線開關保護掉閘的情況。如果出現了這樣的情況，同時故障性質為一種永久的故障，變電站姿勢及的重合過程中往往會出現重合不成功的情況。在此過程中，往往會出現一個中壓用戶界內事故導致整條配電線路產生停電的情況。在這樣的請款下，使用新型調容調壓變壓器就顯得尤為重要。但是在實際的新型調容調壓變壓器的制造過程中，高低壓負控開關是一種極為重要的裝置。在新型調容調壓變壓器的制造過程中，我們選用一種新型的高低壓負控開關。在高壓開關方面，在隔離開關斷開后，能夠保證擁有較為明顯的間隙，同時在間隙之間的絕緣以及相間的絕緣都能夠足夠的可靠，保證日后的隔開高壓電源功能的正常使用。同時高壓負控開關需要保證擁有較好的滅弧裝置，因此可以待用負荷操作，通過接通以及切斷負荷電流，但不能夠斷開短路電流，因此在實際的使用過程中必須和熔斷器一同使用。在低壓開關方面，主要是一種閘刀開關，通過這種開關能夠實現接通或斷開，并且往往是手動實現的。在本次研究中，低壓斷路器的組成為觸點、滅弧器、脫扣器以及操作機構。通過高壓負控開關以及低壓負控開關的組合，能夠較好的實現高低壓負控開關的目標。自動調壓調容變壓器的組成上，主要是由變壓器本體、智能控制單元組成的。在變壓器的本體中，主要是含有調壓開關、調容開關、遠程可控開關。在實際的使用過程中，通過自動調容調壓變壓器中的永磁真空開關就能夠實現無線遠程停送電，大大減少了在實際的使用過程中的時間浪費。而在自動調壓調容變壓器的使用過程中，也擁有自動調壓的功能，如果出現了線路或用戶在實際的電力使用過程中由于不穩定等原因引起的電壓弄懂，變壓器可以自動的進行調節，提升供電質量，并且提高設備的出力，大大延長設備的使用壽命。而對于自動調容功能而言，能夠根據負荷的大小自動將容量進行相應的調節，從而能夠幫助變壓器在負荷的低谷期自動的運行在低容量的檔位，在輕負載是，空載損耗能夠得到大大降低。在自動調壓調容變壓器的原理上，如圖1所示。

圖1

圖2

5.4 三相負荷自動調節開關的相關技術

在三相負荷自動調節開關方面，是通過安裝在支路上的電子式剩余電流斷路器而實現的，通過電子式剩余電流斷路器，能夠獲取到各個支路上的相線電流以及支路電流。在實際的使用過程中，熔斷器的進線端可以分別連接在三相斷路器的三相上，通過三個RC1A型的瓷插式熔斷器的出線端進行相互的連接，并且通過中性線一起，接入到單相表箱中的進線端。三只RC1A型的瓷插式熔斷器的插頭只需要連接一只，在實際的換相過程中，不需要將整個配電區的線路進行停電，只需要將三相空氣斷路器進行斷開，并且將連接好的一只熔斷器插頭插入到相應線路的插座上后，恢復空氣斷路器到閉合送電的狀態。通過三相負荷自動調節開關，可以實現電壓質量改善的效果，尤其是在農村配電網中，如果出現了線路末端低電壓的情況，可以通過三相負荷自動調節開關改善電壓的質量。

6 新型調容調壓配電變壓器的實現以及對線路末端低電壓的意義

6.1 如何實現新型調容調壓變壓器

新型的調容調壓變壓器主要是通過S11型以及以上提到的配電變壓器、調容開關、調容控制器以及相關的附件進行組成的。通過配電變壓器外置的GPRS模塊，可以使用GPRS網絡進行實時的傳輸臺區配變的相關運行數據，同時也能夠實現就地數據下載、數據查看以及參數整定。同時可以通過防火墻的形式到達企業內部的管理服務器，在監控中心可以直接對現場的調容進行數據查看以及遠程監控，而在子站中，可以通過web的方式來對數據進行瀏覽以及查詢。整個工作流程如圖2所示。

對于S11新型調容調壓變壓器而言，是一種擁有兩個容量，并且可以根據符合的實際大小來對配電變壓器的負荷大小進行相應的調整。對于變壓器而言，通過變壓器的三相高壓繞組能夠在較大容量時接成三角形，而在較小容量的情況分析下接成星形。每一相中的低壓繞組是由三個部分組成的，第一個部分為少數線匝的部分，作為I段，而另外的部分是由多數線匝線段，并且通過兩組導線并繞組成的，作為II段以及III段。在較大容量時，可以通過II段、III段并聯，并且與I段串聯，在較小容量時I段、II段以及III段能夠全部進行串聯。在由大容量調整到小容量的過程中，需要注意低壓繞組的匝數會相應的增加，同時在此過程中，高壓繞組會變成星形解乏，相電壓會降低，同時在此過程中匝數也會得到相應的增加，增加的匝數和電壓降低的倍數是相同的，通過這種方法能夠實現輸出電壓不變的效果。對于高壓繞組而言，連接方式是可以進行改變的，低壓繞組的串聯以及并聯的方式以及各分接部分的調整是通過挺值得無勵磁調容開關進行完成的。同時需要將大容量調整為小容量的過程中，由于低壓咋樹洞餓增加，鐵芯的磁通密度會得到大幅度的降低，在此過程中就能夠實現硅鋼片的單位損耗大大減小，而通過這樣的方式，空載損耗以及空載電流能夠得到相應地降低，從而實現減損節能的相關目的。新型調容調壓變壓器的原理圖如圖3所示。

圖3

6.2 新型調容調壓變壓器的意義

在本次研究中，我們討論了一種新型調容調壓變壓器的實現原裝方法。通過低壓電流互感檢測的電流信號以及低壓信號輸入至綜合監測控制器的模數轉換模塊，通過模數轉換模塊就能夠將模擬的電壓信號輸入到CPU中，通過CPU計算出實際的容量值，并且綜合實際的電壓來作為判斷依據，并且根據預設的條件來觸發執行模塊的相應輸出回路，從而能夠起到控制調容開關、調壓開關、低壓永磁負荷開關的開閉效果。如果需要調容，自動控制開關的開閉能夠完成變壓器內部的相關轉換，實現變壓器容量調節的目標。如果需要調壓，通過控制開關的開閉能夠改變接入變壓器一側的匝數，而匝數的變化能夠幫助輸出電壓發生變化，從而能夠達到調節穩定輸出電壓的目標。同時在不改變變壓器本體尺寸的前提下，在內部集成永磁機構的遠程控制開關、調壓開關、調容開關，并且做到動作可靠以及布局合理，開發小型化精細分級，并且有功不平衡調節的補償裝置裝設于變壓器的油箱側壁并做好成本控制是新型調容調壓變壓器需要改進的目標。通過安裝新型的調容調壓變壓器，能夠極大的提升負載率以及功率因素，因此能夠降低空載損耗，同時也能夠較好的解決長期以來農村地區由于變壓器的負載運行不平衡而造成的“小馬拉大車”的相關問題，同時也能夠代替農村配電網原有的子母變的運行模塊，因此能夠極大的提升供電的自動化水平以及工作效率，因此能夠節約運營的相關成本，這對于提升供電系統的可靠性以及穩定性有著極為重要的意義，同時也能夠滿足農村配電網智能化的相關需求。而隨著調容技術的不斷發展與穩定，目前新興的調容調壓配電變壓器在季節性負荷較大的農村配電網以及晝夜用電負荷變化較為明顯的配電臺區也會有著十分廣闊的應用前景。

7 結語

對于我國的農村配電網而言，線路末端的低電壓治理一直是需要著重解決的問題，同時也是目前農村配電網亟待解決的重點難點。本文通過討論了一種新型的調容調壓變壓器的實現方法，能夠對目前的農村配電網中出現的問題進行解決，對改變農村配電網現狀意思提升我國電力用戶的用電質量有著極為重要的意義，同時新型調容調壓變壓器也因為其特點，在我國的電網建設過程中擁有著廣闊的應用前景。

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