季節性重過載對配電變壓器的影響及治理分析

徐肖偉，牛力霄，李永卿，彭應超，聶鼎，楊秋昀，張春麗

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217； 2.云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

0 前言

季節性重過載指度夏度冬、春灌秋收、逢年過節、同期性工農業負荷增加時段出現的重過載現象，季節性重過載一直是困擾配網可靠性運行、客戶服務評價的重要影響因素，主要體現在對于特定時期產生的負荷增加，造成了大面積配電變壓器出現過載，帶來較大的燒毀風險[1-5]。尤其是在春節期間，由于人口流動性、加上天氣寒冷，導致的重過載是一年當中最為嚴重，日重過載臺數比其他月份高10倍之多，一旦出現了燒毀，造成的社會影響、投訴問題也比日常要嚴重[6-10]。

1 重過載對變壓器的影響

當負荷增加時，變壓器溫升和輸出電壓發生變化。溫度升高直接影響到絕緣材料的老化速度，當溫度高于80℃時，每升高6℃絕緣壽命會減半。過載引起的低壓輸出電壓的變化又會直接影響到供電質量。

1.1 對溫升的影響

通過試驗驗證重過載對變壓器溫升的影響，試驗在配網真型平臺開展，采用1臺100 kVA的配變，負荷采用30~250 kW可調的純阻性負荷，通過負荷的接入和調節，使得配變的輸出在額定負荷和2倍過負荷之間調節，其電氣連接圖如圖1所示。

圖1 重過載試驗電氣連接示意圖

試驗步驟及結果：

第一階段，驗證1.0倍負荷下的溫升水平。通過連續施加1.0倍負荷24 h以后，其油箱外殼的溫升穩定在54 K（紅外測溫為65.1℃），如圖2所示。

圖2 連續1.0倍負荷運行24 h的油箱溫度（65.1℃）

第二階段：繼續施加1.3倍負荷，持續運行3 h，其油箱外殼溫度為86.2℃（溫升為70.2 K），如圖3所示。此時變壓器內部受熱膨脹壓力過大致壓力釋放閥噴油，斷開負荷冷卻2小時，溫度降低至59℃后，繼續開展第三階段試驗。

圖3 在1.0倍負荷運行24 h，再加1.3倍負荷3 h 后油箱溫度（86.2℃）

第三階段：施加2倍負荷，持續運行20 min，滿足技術規范書規定的10 min的要求，此時溫度由59℃升至64℃，溫升的上升速率明顯比1.0和1.3倍工況要快。3個階段的變壓器溫度變化如表1所示。

表1 試品S13-M-100 kVA配變重過載試驗 （環境溫度15℃~17℃）

由于空載損耗和負載損耗的影響，導致內部產生了大量的有功損耗而產生溫升，其中負載損耗約占總損耗的90%，負載損耗即銅損，與電流的平方和直流電阻R成正比，當過載達到2倍時，其負載損耗是額定條件下的4倍，因此過載帶來的溫升效應就更加明顯。

1.2 對輸出電壓的影響

重過載臺區一般又會伴隨著低電壓現象，原因是變壓器繞組自身有直流電阻，如果負荷電流過大，導致變壓器的內阻電壓分擔較大，因此對外輸出電壓有所降低，試驗證明：當達到2.0倍過載時，其負荷側電壓降低5.1%，又因其并未達到磁飽和，因此電壓波形無畸變。不同負荷下變壓器低壓輸出的試驗數據如表2所示，電壓波形如圖4所示。

表2 不同負荷對低壓輸出的試驗數據

圖4 在重過載條件電壓波形無畸變

2 重過載治理措施分析

過負荷導致的油溫溫度過高是重過載對變壓器造成損害的最直接、最主要的原因，其治理方法就是從降低溫升或提高溫度耐受能力入手。常用的方法是擴容、增加布點分擔負荷或更換為有載調容配變、高過載配變。

2.1 更換大容量配變

通過更換大容量配變和新增配變分擔負荷，以達到降低變壓器運行時溫升的目標。變壓器其負載損耗是跟負荷電流相關，空載損耗是由變壓器的固有容量而決定的，其值約為負載損耗的1/10。以兩臺100 kVA和200 kVA的S13型配變為例，其損耗值如表3所示，空載損耗僅相差100 W，折算成電能，200 kVA的配變空載損耗每天僅多消耗2.4度電。但如果在150 kW負荷條件下，對100 kVA配變是1.5倍過載，其負載損耗變為1526W×1.52=3433W，對于200VA配變是在0.75倍額定負荷下，其負載損耗為2800W×0.752=1575W，每天100 kVA配變負載損耗反而多消耗約44.5度電。因此，從節能降損的角度，采用稍大容量的配變更節能。

表3 兩臺不同容量配變的損耗值

2.2 更換為高過載配變

對于季節性重過載或短時間重過載，高過載具有比常規配變更強的過載能力，因其具備和同容量的配變同樣的空載損耗和負載損耗，從節能降損來講并不占優勢。從采購成本來看，同容量的高過載的報價比常規高20%~40%。以調研當前采購情況為例：

表4 S20型常規配變和高過載配變采購成本

2.3 有載調容變壓器

有載調容變壓器由變壓器本體、有載調容開關、控制系統和采集單元組成。有載調容變壓器的工作原理是通過采集配變實時負荷信息，利用控制系統實現監測和判斷，在不斷電的狀態下，控制有載調容開關，改變分接繞組抽頭位置及繞組聯結方式，從而降低變壓器的損耗。其經濟性僅僅體現在小容量運行時[11]，調容變和普通變壓器的損耗曲線對比如圖5所示。

圖5 調容變和普通變壓器的損耗曲線對比

從投資經濟性分析，有載調容變的報價比同等容量的常規配變高約55%~60%，以一臺400 kVA的有載調容變SZ13-M-2T-400（125）/10和一臺常規S13型400 kVA對比。有載調容在小容量運行時方可顯示出其節能的效能，如果在大容量運行下其損耗與常規配變相差無幾。假設以每年3個月大容量、9個月小容量運行，其每年節約的電能為3420 kWh，折合電費1368元，與多投入的投資成本2.5萬元相比，需要近20年才能收回成本，基本涵蓋了配變的全壽命周期，再加上有載調容的組件較多，運維技術要求高，勢必會帶來故障率偏高的情況。假設的情況還未考慮每天的負荷變化波動情況，如果負荷波動頻繁，如圖5所示，在小負荷是最佳運行區內，一旦負荷超過切換點而未切換，則會造成負載損耗大幅增加。

表5 S13常規配變與有載調容配變損耗成本對比

3 結束語

本文研究了重過載對變壓器的溫升和輸出電壓的影響，分析了治理重過載的不同方法。

1）重過載會帶來溫升升高，以油箱外殼為參考，運維時盡量保證油箱外殼溫度不超過85℃為安全限值；

2）重過載會帶來配變低壓側的輸出電壓降低，伴隨著低電壓臺區現象。當達到2倍過載時，其幅值會下降約5%，但重過載不會引起電壓波形的畸變；

3）配變過載時會帶來負載損耗的快速增加，通過節能和投資成本分析，解決重過載臺區的最經濟、最徹底的辦法依然是擴容或增加臺區布點，即從根本上減少變壓器的負荷率、降低溫升，也就最大程度地保障了變壓器運行的可靠性。