農網配電臺區有載調容調壓變壓器技術經濟分析

劉金忠，魏彩霞，孫業榮，張立志，李西勛

（山東電工電氣集團智能電氣有限公司，濟南250022）

農網配電臺區有載調容調壓變壓器技術經濟分析

劉金忠，魏彩霞，孫業榮，張立志，李西勛

（山東電工電氣集團智能電氣有限公司，濟南250022）

采用有載調容調壓變壓器，解決了農網配電臺區季節性負荷峰谷差大，導致配電變壓器運行損耗高的問題。從調容變壓器基本原理、最佳調容點計算等方面進行了技術分析；結合農村配網用電情況，從節電量計算、改善電壓質量等方面進行了經濟分析。農網配電臺區改造，采用有載調容調壓變壓器，約8年收回設備投資，20年經濟使用期內投資回報率約248%。

有載調容調壓變壓器；負荷特點；節能計算；技術經濟性分析

0 引言

隨著改革進程的加快和經濟的快速發展，大量農民外出務工，農村戶均用電量減少，變壓器大部分時間運行在輕載或空載狀態，造成空載運行損耗過高，降低變壓器效率。而農忙時節、春節期間農民工返鄉回潮，用電負荷急劇上升，變壓器嚴重過載，造成負載損耗過高，變壓器阻抗電壓增大，低壓側出口電壓減小。據國家能源局統計，目前城鄉區域自動化水平發展不平衡，農網自動化配置尤其薄弱，管理水平低，運行維護需要大量的人力物力，運維成本高。設備一旦發生故障，無法及時進行搶修，故障設備得不到迅速撤除，導致故障擴大，造成嚴重后果。

有載調容調壓配電變壓器的應用，將有效提升在負荷波動大場合的供電能效，解決城鄉及農村電網低電壓問題，提高配網自動化水平。有載調容調壓變壓器經過不斷發展完善，已經臻于成熟，具有廣闊的市場前景。

1 有載調容調壓變壓器

1.1 調容原理

有載調容調壓變壓器，在一定負載或勵磁條件下，能夠實現大、小兩種不同額定容量間自動切換和不同電壓分接間自動調整。忽略驅動機構、開關、過渡電阻等組件，其簡化接線如圖1所示。

變壓器大容量時聯接組別為Dyn11，小容量時聯接組別為Yyn0。變壓器由大容量切換到小容量，通過高壓繞組的△―Y轉換，匝電壓變為；低壓繞組分為3段，Ⅰ段匝數為低壓總匝數的27%，Ⅱ段與Ⅲ段匝數均為低壓總匝數的73%。將低壓繞組II段與III段由并聯轉換成串聯，再與I段串聯，匝數變為約倍，從而保證了轉換前后的電壓比不變。由于匝電壓減小為，磁通密度下降為，空載損耗也隨之下降（無功損耗大約是大容量時的1／10，有功損耗大約是大容量時的1／3），達到了節能降耗的目的。

圖1 調容原理

1.2 調容點計算

有載調容調壓變壓器具有大、小兩個額定容量，可根據負荷大小，按照系統設定調容點，進行調節容量，從而起到節能降耗的目的。為保證有載調容調壓變壓器的經濟運行，必須精確計算調容點。

1.2.1 不同額定容量下運行損耗

變壓器運行損耗包括空載損耗、負載損耗、鐵心激磁無功功率和線圈的漏磁無功功率引起的損耗。有載調容調壓變壓器大、小額定容量下的空載損耗和鐵心激磁無功功率不隨負荷電流變動。小容量下空載損耗和鐵心激磁無功功率恒小于大容量下該值；而負載損耗和線圈的漏磁無功功率，則與負荷電流的平方成正比。小容量下變壓器直阻與線圈漏電抗大于大容量下該值，小容量運行時變壓器負載損耗和線圈的漏磁無功功率比大容量運行時大［1］。以S11型315（100）kVA為例，有載調容調壓變壓器在不同負荷下的綜合運行損耗如圖2所示。

圖2 S11型315（100）kVA調容調壓變壓器不同容量下綜合運行損耗

1.2.2 最佳調容點計算

首先，計算不同容量變壓器間經濟運行方式的臨界負載。有功經濟運行方式的臨界負載為［2］

無功經濟運行方式的臨界負載為

綜合功率經濟運行方式的臨界負載為

式中：P0D為大容量運行方式下空載損耗，kW；P0X為小容量運行方式下空載損耗，kW；PKD為大容量運行方式下負載損耗，kW；PKX為小容量運行方式下負載損耗，kW；SND為大容量額定容量，kVA；SNX為小容量額定容量，kVA；Q0D為大容量運行方式下鐵心激磁無功功率，kvar；Q0X為小容量運行方式下鐵心激磁無功功率，kvar；QKD為大容量運行方式下額定負載線圈漏磁無功功率，kvar；QKX為小容量運行方式下額定負載線圈漏磁無功功率，kvar；P0ZD為大容量運行方式下空載綜合運行損耗，kW；P0ZX為小容量運行方式下空載綜合運行損耗，kW；PKZD為大容量運行方式下額定負載綜合損耗，kW；PKZX為小容量運行方式下額定負載綜合損耗，kW。

其次，計算各種損耗值。空載綜合損耗為

額定負載綜合損耗為

鐵心激磁無功功率為

額定負載線圈漏磁無功功率為

式中：KQ為無功經濟當量，取KQ=0.1；KP為負荷波動系數，取KP=0.2；P0為空載運行損耗，kW；Q0為鐵心激磁無功功率，kvar；PK為額定負載損耗，kW；QK為額定負載線圈漏磁無功功率，kvar；I0%為空載電流百分數；SN為額定容量，kVA；UK%為阻抗電壓百分數。

若同一型號調容調壓變壓器的空載損耗、負載損耗、阻抗電壓（%）、空載電流（%）性能參數實測值不同，則最佳調容點不同。為準確獲得最佳調容點，可按變壓器實測值進行計算。以一臺S11型315（100）kVA有載調容調壓變壓器為例，其性能參數實測值為：大容量下，空載損耗0.475 kW，負載損耗3.653kW，空載電流0.3%，阻抗電壓3.94%；小容量下，空載損耗0.145kW，負載損耗1.078kW，空載電流0.18%，阻抗電壓3.96%。

按式（1）～（7）計算，有功經濟運行方式的臨界負載為SX-DLP=68.2 kVA，大容量下鐵心激磁無功功率為Q0D=0.945 kvar，小容量下鐵心激磁無功功率為Q0X= 0.18 kvar，大容量下額定負載線圈漏磁無功功率為QKD＝12.6 kvar，小容量下額定負載線圈漏磁無功功率為QKX=4 kvar，無功經濟運行方式的臨界負載為SX-DLQ=52.9 kvar。大容量下空載綜合損耗為P0ZD= 0.6645kW，小容量下空載綜合損耗為P0ZX=0.192kW，大容量下額定負載綜合損耗為PKZD=5.643 6 kW，小容量下額定負載綜合損耗為PKZX=1.693 6 kW，綜合功率經濟運行方式的臨界負載為SX-DLZ=64.8 kW。

1.2.3 升容、降容門限值

在實際運行過程中，考慮到產品安全穩定運行，有載調容調壓變壓器需要分別設置升容、降容門限值，一般將1.1倍的綜合最佳調容點設定為升容門限值，0.9倍的綜合最佳調容點設定為降容門限值。

2 農村配網用電情況

2.1 生活用電量

以山東省生活用電為例，2005—2015年的生活用電統計如表1所示。

2005—2015年供電量的平均增長率為9.13%，2010—2015年供電量的平均增長率為6.46%。由此可以看出，經濟社會發展進入新常態，近幾年山東省生活用電需求量增速顯著下滑。尤其2013—2015年更為明顯，年平均增長率僅為4.94%。

表1 生活用電量億kWh

隨著經濟社會的發展，農村居民生活條件大大改善，用電負荷種類日趨豐富，農村生活用電量增長空間大于城市生活用電量，保守預測農村配電網未來15年生活用電年增長率為6%。

2.2 農村配網日常負荷

農村配網居民客戶晝夜時段性差異，導致變臺負荷波動較大。截取具有代表性的臺區變壓器2015-04-17至2015-04-20負荷波形，如圖3所示。

圖3 日負荷曲線

可知，負荷最大可達135 kVA，最小為10 kVA，負荷波動范圍大。變壓器容量為315 kVA，當負荷運行在高峰段時，僅為變壓器額定容量的一半；當負荷運行在低谷段時，變壓器接近空載運行。該配變臺區在節假日、夏季、冬季等用電高峰，有過載現象。

2.3 農村配網季節負荷

春節期間用電負荷急劇上升，造成變壓器過載，嚴重時導致變壓器燒損。截取具有代表性的臺區變壓器春節前后負荷波形，如圖4所示。據某省統計，2014年春節期間燒損變壓器516臺，其中農網臺區占90.31%。

季節性負荷具有“冬取暖夏降溫”的特點，截取具有代表性的臺區變壓器年負荷波形，如圖5所示。

圖4 春節前后負荷曲線

圖5 年負荷曲線

3 有載調容調壓變經濟分析

3.1 節電量計算

3.1.1 節電量測量方法

根據GB／T 13462—2008《電力變壓器經濟運行》和DL／T 985—2012《配電變壓器能效技術經濟評價導則》要求，調容變壓器改造后的年節約電量為小容量運行期間節電量與大容量運行期間節電量之和［3-5］，為

式中：Δ（ΔE）為調容變壓器改造節約電量，kWh；KUi為電壓對空載損耗的平均影響系數；P0Z為改造前變壓器綜合空載損耗，kW；P′0Z為改造后變壓器綜合空載損耗，kW；PKZ為改造前變壓器綜合負載損耗，kW；KT為負載波動系數；P′KZ為改造后變壓器綜合負載損耗，kW；S為平均視在功率，kVA；SN為變壓器額定容量，kVA；T為變壓器運行時間，h；i=1為大容量狀態，i=2為小容量狀態；

3.1.2 項目節能量計算及驗證

對于在網運行已超過10年的變壓器，負載每年遞增，大部分變壓器處于高負載率運行，甚至部分變壓器超載運行。以S9-315型負載率低的變壓器為例，根據現場調研，年平均負載率為50%，4個等分時區負載率分別為5%、14%、49%、132%。采用有載調容調壓變進行更換改造，增容改造后型號為S11型630（200）kVA，綜合最佳調容點為125 kVA，升容門限為137.5 kVA，降容門限為112.5 kVA。得改造后4個等分時區負載率分別為7.88%、22.05%、24.5%、66%。根據式（8），計算年節約電量，結果如表2所示。

表2 抽樣臺區年節電量

3.2 改善電壓質量

變壓器的輸出電壓與供電質量有著密切的關系。當電壓偏低時，銅損增大，鐵損減少，系統中的功率損耗和能量損耗加大，電壓過低時，還可能危及系統運行的穩定性，甚至引起電壓崩潰；而電壓過高時，各種電氣設備的絕緣可能受到損害。常規的無勵磁調壓變壓器需進行人為斷電操作切換電壓。有載調容調壓變壓器可以根據實際投入電壓進行自動調節，避免由于人為調節不及時造成的損害，增加供電的安全性，同時有助于臺區的智能管理。

400 V側供電電壓為

式中：UL為變壓器10 kV側電壓，kV；NT為變壓器原副邊變比；ZT為變壓器折算到副邊的等效串聯阻抗，為ZT=R+jX，其中R為變壓器等效串聯電阻，折算到副邊，Ω，X為變壓器等效串聯電抗，折算到副邊，Ω；Zload為變壓器低壓側負載阻抗。

由式（9）可知，當變壓器10 kV側電壓相對額定值跌落，變壓器原副邊變比不變時，變壓器400 V側電壓將隨之跌落，若此時調低變壓器原副邊變比，則可補償變壓器400 V側電壓的跌落，穩定低壓側輸出電壓；當變壓器10 kV側電壓相對額定值增加時，若變壓器原副邊變比不變，變壓器400 V側電壓將隨之增加，若此時調高變壓器原副邊變比，則可補償變壓器400 V側電壓的增加，穩定低壓側輸出電壓。

有載調容調壓變壓器的調壓基本原理是從高壓側引出3個分接頭，通過有載分接開關，在不切斷負荷電流的情況下，進行分接頭之間的切換，從而變換串入高壓的額定匝數，從而達到改變電壓的目的。

安裝有載調容調壓變壓器后，變壓器的低壓側電壓基本控制在合格范圍之內，可有效提升電壓的合格率。隨著負載率的增加，安裝點處電壓提升幅度逐漸減小。尤其安裝點處電壓低于額定電壓的10%時，通過有載調壓可以使電壓得到5%的提升。因此，為了有效穩定配電變壓器低壓側供電電壓，提高電壓質量，應安裝有載調容調壓變壓器。

圖6 配電變壓器電壓改善對比

試點運行地區按照電壓波動范圍±4%的電壓合格策略進行模擬運行，模擬有載調壓后的電壓波動情況，如圖6所示。配電變壓器低壓側未調節電壓時，電壓相對于額定電壓跌落11%，實現調壓后，可提升低壓側電壓5個百分點，最大提升10 V。

3.3 更換高耗能配電變壓器的投資回報測算

對于S7、S9系列配電變壓器，已在網運行超過10年，經測算，當運行時間等于或超過12年時，設備的實際殘值已經超過賬上凈資產值，有必要進行升級改造。

抽樣臺區變壓器型號為S9－315，更換后有載調容調壓變型號為S11型630（200）kVA，設備價格約8.5萬元。改造更換后，年均節電量為1.755萬kWh，節約電量結算電價按0.6元／kWh計算，年獲得效益為1.053萬元。臺區經改造更換，約8年收回設備投資，20年經濟使用期內投資回報率約248%。

4 結語

更換有載調容調壓變壓器可有效降低變壓器運行損耗，節能效果顯著，約8年收回設備投資；通過有載調壓技術，減少負荷波動引起的電壓越限，提高電壓合格率；通過智能控制器RS485接口或GPRS模塊直接與上位機相連，提升用電管理水平。針對功率因數低、三相負荷不平衡、無功功率引起的損耗，可以考慮配套采用無功補償裝置，節能效果會更顯著。

［1］梁靜，張長峰.運行中電力變壓器的無功損耗計算［J］.科技致富向導，2009（18）：101.

［2］韓篩根，郭獻清，湯茜，等.有載調容變壓器的有理及成本分析［J］.電氣技術，2012，31（24）：66-72.

［3］G／BT 13462—2008電力變壓器經濟運行［S］.

［4］D／LT 985—2012配電變壓器能效技術經濟評價導則［S］.

［5］王建元，趙新，張麗娣，等.10 kV配電變壓器經濟運行方式的可行性及經濟性分析［J］.水電能源科學，2012，30（5）：164-166.

Technical and Economic Analysis for On-load Capacity and Voltage Regulating Transformers Used in Rural Distribution Network

LIU Jinzhong，WEI Caixia，SUN Yerong，ZHANG Lizhi，LI Xixun
（Shandong Electrical Engineering&Equipment Group Intelligent Electric Co.，Ltd.，Jinan 250022，China）

On-load capacity and voltage regulating transformers can solve the problem of high loss of distribution transformer operation when the seasonal peak valley load difference of rural distribution network is big.The technical analysis is carried on from aspects of basic principle and optimal capacity point calculation for transformers.Combining with the rural distribution network power，the economic analysis is carried on from aspects of the energy saving quantity calculation and the voltage quality improving.The rural distribution network reconstruction using on-load capacity and voltage regulating transformers can recover the investment in equipment in about 8 years，and the return on investment in the 20 years using period is about 248%.

on-load capacity and voltage regulating transformer；load feature；calculation of energy conservation；technical and economic analysis

TM41

A

1007-9904（2016）12-0020-05

2016-07-04

劉金忠（1975），男，工程師，從事電力變壓器設計和制造管理工作。