有載調容調壓變壓器的技術經濟分析及其在農村配電網中的應用

趙國偉

（國網桐鄉市供電公司，浙江 桐鄉 314500）

0 引 言

經過多年的改革開放，農村人員流動趨勢漸趨固化，即春節和農忙時期人員回流，其他時間以外出打工為主。這使得農網負荷的季節性落差明顯，給配變布點和定容帶來了一定困難。若布設過多，必然造成大部分時間下的輕載或空載，極大地浪費了電力建設資源；若布設不足，則難以應對短期但重要的負荷需求。另外，由于農村的廣域性，農網自動化水平尚未達到較高程度，進行農網有效運維需要的人力成本較城網高，成為影響在農網地區推行“多供電、供好電”戰略的瓶頸。

解決以上問題的一個可行措施是推廣有載調容調壓變壓器的應用。該類變壓器可在不中斷供電情形下根據臺區負載大小和出口電壓水平自動執行容量切換和分接調整，以達成電能質量達標和供用電經濟的雙贏。

1 有載調容調壓變壓器技術分析

1.1 調容原理

關于調容工作的接線，見圖1[1]。

調容過程闡述（大容量→小容量）：①高壓繞組進行“△-Y”轉換，相應地匝電壓減小為原來的②低壓繞組的II、III段由并轉串，再與I段作串聯（I、II、III段的匝數依次占總匝數的27%、73%、73%）。顯然，經過以上變化，高壓側由于磁通密度下降（因為匝電壓下降），使得空載損耗下降；低壓側的導線截面縮減一半（因為II、III段由并轉串），變壓器容量相當于減小為原來的1/2，但低壓出口電壓不變（因為低壓側匝數為原來的1倍，與高壓側匝數減少剛好抵消）。

圖1 執行調容的接線示意

1.2 調容點計算

有載調容調壓變壓器進行容量自主調節的前提是調容點的精準確立[2]。

首先，研究配變運行損耗與額定容量的關系。圖2為運行損耗牽涉內容。其中，（a）、（c）項僅與容量呈正相關，與負荷電流無關；（b）、（d）項與負荷電流平方呈正相關。這樣可得到不同容量級別在不同負載下的綜合損耗示意，如圖3所示。

其次，最佳調容點計算。根據文獻[2]，不同變壓器的三類經濟運行方式（有功/無功/綜合功率）的臨界負載依次如下：

圖2 變壓器運行損耗的細項

圖3 不同容量變壓器綜合損耗與負載關系示意

式 中，P0D、PKD、SND、Q0D、QKD、P0ZD和 PKZD分別為大容量運行方式下的空載損耗、負載損耗、變壓器額定容量、鐵心激磁無功、額定負載線圈漏磁無功、空載綜合損耗和負載綜合損耗。將下標中的D換為X，對應的就是小容量下的相應項目。

以上各種損耗項目的計算如下：

式中：KQ是無功經濟當量（取0.1），KP是負荷波動系數（取0.2）。因此，為使最佳調容點趨向精確，應以變壓器性能參數實測值為基準進行各類臨界負載計算，從而使配變運行達到最大經濟性。

另外，統籌安全穩定運行的需要，一般設置升容、降容門限值[3]。前者為最佳調容點的1.1倍，后者為最佳調容點的0.9倍。

2 有載調容調壓變壓器經濟分析

2.1 關于節電量

根據GB/T 13462-2008和DL/T 985-2012，應用調容變壓器后的年節約電量計算應包括兩部分，即小容量運行期間節電量和大容量運行期間節電量之和[4]：

式中，KUi為表征空載損耗受電壓影響的系數，P0Z和分別為調容調壓變壓器應用前后的綜合空載損耗，PKZ和分別為應用前后的綜合負載損耗，KT表征負載波動程度，S為功率（平均），SN是配變額定容量，T是運行時間統計，i取值1和2分別對應大、小兩種容量狀態。

計算實例：①某臺區于2007年配置一臺S9-315 kVA配變，由于居民生活水平的提高，這些年配變負載逐年遞增；②經統計，該臺區的年均負載率不到55%，但部分時間區段出現嚴重超載（達到131%）；③現采用S11型630（200）kVA配變進行替代，并確定最佳調容點、升容門限、降容門限依次為125 kVA、137.5 kVA、112.5 kVA；④統計改造后各時間區段的負載率變化；⑤進行節電量計算。相關數據如表1所示。

表1 臺區改造前后相關節電數據統計

2.2 關于電壓質量改善

根據文獻[4]，配變低壓側輸出電壓可根據式（9）進行計算：

式中：UL是配變高壓側電壓，NT是配變高低側變比，ZT=R+jX為配變等效串聯阻抗（折算到低壓側），Zload為配變低壓側負載阻抗。

根據式（9），當配變高壓側電壓波動時（跌落或增加），只要及時調節高低壓側變比，就能穩定低壓側輸出，確保電壓質量符合相關標準。而有載調容調壓配變的高壓側引出有3個分接頭，可借助有載分接開關，在持續供電情形下改變額定匝數，以穩定電壓。圖4為某試點改造前后的效果比對，可知利用有載調容調壓配變可有效應對因負載增加而造成的電壓跌落現象，一般可提升低壓側電壓5%左右。

圖4 電壓質量提升對比

2.3 關于投資回報

據統計，當前運行的配變中，S9系列占相當比例。該型配變服役時間一般在10年以上，設備殘值基本大于賬面凈值，進行升級改造符合經濟原則[5]。依據2.1節中的計算結果，以一臺S11型630（200）kVA配變替換一臺S9-315kVA配變，年效益約為1.08萬元（按電價0.6元/（kW·h）估算），而新設備的價格不到9萬，約8年就可收回投資。若以配變服役20年計算，服役期內可收回投資價值的150%。

3 應用研究

依托電力營銷大數據統計，可將農村區域用電作如下歸納：①生活用電量增速空間總體上大于城市區域（尤其當經濟發展進入新常態）；②配網日常負荷波動范圍大（低谷時近乎空載、假日時則易過載）；③季節上，一年中負荷存在大起大落現象。另外，由于農網負荷遠離電源點，靠調節變電站出口電壓很難兼顧線路首末端電壓水平。基于以上問題，在農村配網區域推行有載調容調壓配變的前景十分廣闊。考慮到當前電網建設對自動化、智能化的要求，可以圖5的架構為模板作應用推廣。

顯然，依托圖5裝置，不但可實現配變容量、低壓側電壓的自動調整，還具備如下優點：①無功補償的精細化，使配網運行更加經濟；②無線“四遙”，便于全景數據采集，為職能部門決策提供數據支撐，并實現遠程停送電，減少運維人員配置。

圖5 有載調容調壓配變在農村配網的應用的配置

4 結 論

有載調容調壓配變可根據負載多寡和臺區電壓水平，自動執行容量切換和出口電壓適應，支持無線“四遙”及精細化無功控制等功能擴展，對于快速解決農村配電網存在的網絡損耗大、電壓質量不高、運維效率低下等問題有著天然的契合性，并且投資回報周期短，可在試點應用的基礎上科學總結，最終實現大面積的推廣應用。