孫承超 邱衛(wèi) 劉毅

摘? ?要：在沿海地區(qū)，由于配電變壓器在整個配電網(wǎng)損耗的比重較大，提出了高過載調(diào)容變壓器的應用情況。介紹了高過載調(diào)容變壓器結(jié)構(gòu)組成、調(diào)容技術(shù)原理及控制方式。高過載調(diào)容變壓器根據(jù)電力系統(tǒng)的負載情況能夠自動切換容量，避免了電力線路由于負載過高而造成電力災難。同時設計了高過載調(diào)容變壓器的應用系統(tǒng)。用戶可以通過遠程無線通訊的方式實時監(jiān)控、接收、處理高過載調(diào)容變壓器的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。在相同時間段內(nèi)，通過與普通配電變壓器進行比較，使用高過載調(diào)容變壓器后，克服了沿海地區(qū)負荷集中、時段性強、平均負荷率高的問題，能夠獲取明顯的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：高過載調(diào)容變壓器;調(diào)容;遠程無線通訊;可靠性;經(jīng)濟效益

中圖分類號：TM401? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Application Research on High Overload

Capacity Transformer in Coastal Area

SUN Cheng-chao?，QIU Wei，LIU Yi

（Weihai Power Supply Company，State Grid Shandong Power Company，Weihai，Shandong 264200，China）

Abstract：In the coastal areas，due to the large proportion of distribution transformers in the distribution network，the application of high overload capacity transformers is proposed. This paper introduces the structure of the high overload capacity transformer，the principle of the capacity adjustment and the control method，and introduces that the high overload capacity transformer can automatically switch the capacity according to the load of the power system，avoiding the power disaster caused by the high load of the power line. At the same time，the application system of high overload capacity transformer is designed. Users can monitor，receive，and process the field data of high-overload transformers in real time through remote wireless communication. In the same period of time，after comparing with ordinary distribution transformers，the use of high-overload transformers overcomes the problems of concentrated load，strong time and high average load rate in coastal areas，and can obtain obvious economic benefits.

Key words：high overload capacity transformer;volume adjustment;remote wireless communication;reliability;economic benefits

變壓器是電路系統(tǒng)中最重要的設備之一[1-4]，在配電應用中，變壓器使用范圍較廣，數(shù)量繁多。變壓器的可靠、安全對于電力系統(tǒng)的安全性能和經(jīng)濟效益具有重要的意義[5-6]。在沿海地區(qū)，尤其是發(fā)達的沿海城市地區(qū)，企業(yè)、學校、用戶、旅游業(yè)等消耗電力較多，電路中承載著較重的負荷。

在用電高峰期，如果電路中的負載過高，就會導致線路損耗的問題。直接影響供電企業(yè)及用戶的使用體驗和經(jīng)濟效益，這就需要用到高過載調(diào)容變壓器。

高過載調(diào)容變壓器具有節(jié)能環(huán)保、無功損耗低、空載電流小、抗突發(fā)短路能力強等良好特性，其年平均負荷低、負荷季節(jié)性強、負荷波動大[7-8]。應用高過載配變能夠降低調(diào)容變壓器的投入成本和運行費用，而且減少了配變損耗，提高投資效益回報率。在沿海地區(qū)，由于電網(wǎng)負荷分布集中、應用范圍廣、負荷重、峰谷差不大、季節(jié)性不強、平均負荷率較高[9-10]。因此，配電網(wǎng)的節(jié)能降損是沿海地區(qū)電網(wǎng)建設中的重要環(huán)節(jié)。為了保證沿海地區(qū)電力負荷的正常運行，就需要根據(jù)用戶的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用電負荷的特點，合理、選用高過載配電變壓器[11-12]。在保證高過載調(diào)容變壓器正常工作時，就需要考慮到其控制方法和通信方式，這對于保證負荷的高過載配變應用意義非常重大。

1? ?高過載調(diào)容變壓器設計

在電力電網(wǎng)供電系統(tǒng)中，尤其在沿海區(qū)域，經(jīng)常遇到一些季節(jié)性或周期性負荷，它們在用電高峰時，需電量很大，需要大容量的變壓器才能滿用電需求，低峰時需電又很小，變壓器的容量又浪費了，不僅讓大容量變壓器較大的空載損耗浪費了大量的電能，而且降低了功率因數(shù)高過載調(diào)容變壓器作為新型的節(jié)能配電變壓器，因此在用使用過程中，采用新型的有載調(diào)容技術(shù)。能夠根據(jù)負荷大小調(diào)節(jié)容量，降低損耗，提高變壓器負載因數(shù)，其接線原理圖如圖1所示。

調(diào)容變壓器的鐵心采用優(yōu)質(zhì)冷軋晶粒取向硅鋼片45度全斜接縫疊積，具有損耗小，噪音低，結(jié)構(gòu)緊湊體積小等特點。高壓線圈采用優(yōu)質(zhì)無氧銅按大容量、三角形（D）連接設計，在小容量運行時，通過調(diào)容開關(guān)將其轉(zhuǎn)換為星形（Y）連接。低壓線圈分為三部分：一是27%匝數(shù)的I部分，另外兩部分II、III具有73%的匝數(shù)、用兩根截面為I部分1/2的導線并聯(lián)繞制而成，大容量時，調(diào)容開關(guān)將II、III部分并聯(lián)后再與I部分串聯(lián)運行，保證了低壓線圈的大容量，當轉(zhuǎn)換為小容量時，調(diào)容開關(guān)將I、II、III三部分串聯(lián)起來運行，保證了高壓線圈在D接變?yōu)閅接，低壓側(cè)輸出電壓不變。

高過載調(diào)容變壓器具有大容積、實時可控能力高、能帶載調(diào)節(jié)容量的特點。其通常能夠根據(jù)用戶的負載需要來調(diào)整變壓器容量，避免線路因過高負載而導致電壓短路。其應用原理是高低壓繞組隨著調(diào)容開關(guān)而變化。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

高壓載調(diào)變壓器的結(jié)構(gòu)主要包括變壓器、調(diào)容開關(guān)、調(diào)容控制器、信號采集單元、隔離CT單元、低壓端、高壓端。在高壓端設置有高壓套管，在低壓端設置有低壓套管。在工作時，計算機控制調(diào)容控制器，通過調(diào)容控制器控制調(diào)容開關(guān)來調(diào)節(jié)高過載調(diào)容變壓器，調(diào)容變壓器根據(jù)用戶在計算機內(nèi)設置的調(diào)整容量來調(diào)整。在低壓側(cè)，通過隔離CT單元輸出電壓、電流信號。通過信號采集單元采集隔離CT單元的信息。計算機可以與其他設備通訊，并將數(shù)據(jù)傳遞到云端進行長久性保存。

調(diào)容控制器主要由鐵芯、高/低壓繞組、器身、油箱組成的。貼芯的材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)鋼（內(nèi)部為高導磁，冷軋晶粒），這種材質(zhì)使調(diào)容控制器的空載損耗、噪聲大大降低，結(jié)構(gòu)上采用繞組及絕緣結(jié)果設計，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

在本設計中的高壓調(diào)容變壓器中，油箱為優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板制成的，具有散熱快的優(yōu)點。調(diào)容開關(guān)包括電機、繼電器、執(zhí)行機構(gòu)、切換油箱等組成。在工作中，在繼電器端設置有保險絲，當過負載通過時，將通過繼電器切斷開關(guān)，確保在高壓側(cè)切換時的安全性能。

在變壓器進行調(diào)容時，如圖4所示，變壓器低壓繞組包括少數(shù)線匝I段和多數(shù)線匝線IIII段。當變成大容量時，則將變壓器三相高壓繞組接成三角形，當變成小容量時，則將小容量接成星形。將大容量II、III段進行并聯(lián)連接，然后再與I段進行串聯(lián)連接。在小容量時，將I段全部串聯(lián)。當由大容量調(diào)節(jié)為小容量時，則增加低壓繞組的匝數(shù)，此時將高壓繞組變?yōu)閅接法。

高過載調(diào)容變壓器在工作時，通過信息采集單元采集變壓器的繞組結(jié)構(gòu)并檢測高壓側(cè)、低壓側(cè)輸出的電壓、電流、相位角等，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)容控制器，通過調(diào)容控制器與用戶的設置值進行比較，假設電路負載率大于95%，則打開調(diào)容調(diào)壓開關(guān)，假設電路負載率小于20%，并持續(xù)時間大于40分鐘，則可打開調(diào)容調(diào)壓開關(guān)。用戶根據(jù)信號采集單元采集到的電壓、電流或相位信息，再次判斷。假設高壓側(cè)端的電壓相位為零，則增大變壓器的容量，若低壓側(cè)相電流相位為零，則減小變壓器的容量，進行下一步的工作。當高壓側(cè)和低壓側(cè)轉(zhuǎn)換完畢后，關(guān)閉調(diào)容、調(diào)壓開關(guān)，調(diào)容控制器不在不再執(zhí)行命令，調(diào)容過程結(jié)束。

2? ?應用于沿海地區(qū)的控制策略

由于沿海地區(qū)的電網(wǎng)負荷的特點，在進行高過載調(diào)容變壓器時，選用基于云計算的遠程控制方案。調(diào)控控制器通過遠程無線通訊方式或者專網(wǎng)實施遠程控制，在遠程控制端，用戶在控制室對調(diào)容控制器控制數(shù)據(jù)監(jiān)控、顯示、指導，如圖5所示。

在控制軟件設計中，其包括沿孩配電區(qū)的所有控制器內(nèi)部參數(shù)設置，其中云服務系統(tǒng)會根據(jù)變壓器在工作區(qū)域中實時運行的數(shù)據(jù)進行自行判斷，并提出修改措施。參數(shù)設置要反復核對，由于參數(shù)設置錯誤會導致保護停電等故障。硬件故障表現(xiàn)為臺

區(qū)、臺區(qū)上層機構(gòu)、臺區(qū)下層機構(gòu)任意區(qū)段的停電，在故障設置中，臺區(qū) TTU 會根據(jù)調(diào)控控制器監(jiān)測的數(shù)據(jù)、停電情況（比如，時間、面積、位置）確定故障信息，使電工故障巡線時間、難度減少。

在應用時，如圖6所示，假設在山東威海某個配電區(qū)域，采用型號為S11-M-ZT-315（100）/10的調(diào)容變壓器。時間段在09：00-18：00之間時，則用電較多的為公司用電、企業(yè)用電。時間段在18：00-22：00之間，則用電較多的為家用電器（其表現(xiàn)為洗衣機、冰箱、烤箱、空調(diào)等）。其使用結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

這上述用電高載期存在重負荷時，調(diào)容變壓器可按照上文描述的方法對電力系統(tǒng)負荷線路進行調(diào)節(jié)容量，將其調(diào)到大容量運行。在晚上 22 時-次日6 ：00可調(diào)到小容量運行，在6：00 至晚上 22：00，這種變壓器的空載損耗和負載損耗都比較低，尤其是小容量運行時的總損耗比相同容量的普通變壓器的總損耗低得多，因此調(diào)整到小容量進行，這種方式減少了因負荷波動導致的電能損耗。通過數(shù)據(jù)采集單元采集高過壓變?nèi)蓦妷浩鞯碾妷?、電流、相角等。然后工業(yè)計算機接收高過壓變?nèi)蓦妷浩鞯碾妷?、電流、相角等信息。在工業(yè)計算機端處，用戶可以通過故障診斷單元對接收的數(shù)據(jù)進行診斷，并顯示診斷后的數(shù)據(jù)。在工業(yè)計算機端處，診斷數(shù)據(jù)或者信號采集單元采集到的電力數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)傳遞到中央控制室。在中央控制內(nèi)，用戶可以實時檢測高過載調(diào)容變壓器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)場情況，遠程監(jiān)控、指導。

調(diào)容變壓器在大容量運行時，工作狀況同普通電力變壓器相同，當負荷減小時，采用特殊的調(diào)容開關(guān)改變變壓器的線圈連接，從而降低變壓器的容量，此時，變壓器鐵心中的磁通密度大大降低，使得變壓器的空載損耗大大降低，節(jié)約了電能，并提高了功率因數(shù)，有效地解決了“大馬拉小車”的不合理現(xiàn)象。

3? ?經(jīng)濟效益分析

在國網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司在高過載調(diào)容變壓器應用模式中，在夏季，最高供電負荷預算有 257 kW，年度最低供電負荷預計有120 kW。下文結(jié)合使用高過載調(diào)容變壓器和普通變壓器進行比對分析。通常，有載自動調(diào)容配電變壓器在大容量時，三相高壓繞組接成三角形接法（角接），低壓繞組并聯(lián)結(jié)構(gòu);在小容量時，三相高壓繞組接成星形接法（星接），低壓繞組串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

通過使用S11-M-ZT-315（100）/10的調(diào)容變壓器，不僅解決了臺區(qū)內(nèi)電力負荷分散、時段性強、平均負荷率低等問題。還能夠通過調(diào)容控制器的自適應檢測能力及時判斷用戶負荷的大小，并通過有載調(diào)容開關(guān)，在變壓器不斷電的狀態(tài)下，通過智能控制器對兩種容量進行自動切換，從而實現(xiàn)對運行過程中變壓器容量大小的自動調(diào)節(jié)。

當負荷低谷時，三相平均電流值低于大容量的額定電流值的 40%，并持續(xù) 15 min 以上時，調(diào)到小容量 100 kVA 使用;負荷高峰時。三相平均電流值高于小容量的額定電流值的 80% （或單相電流值超過小容量的額定電流值）時，調(diào)到大容315 kVA 使用。下面結(jié)合表1說明下實用高過載調(diào)容變壓器的經(jīng)濟效益。

使用高過載調(diào)容變壓器，估計全年共計的小容量運行時間有 5 967 h，大容量運行時間為6870 h，同比普通變壓器小容量運行時間為8072 h，大容量運行時間為1452 h，可以推測，每年綜合電能節(jié)約大致有6134 kWh。根據(jù)用電性質(zhì)不同，按照電價0.6 元 /kWh，則可以計算出每臺高過載調(diào)容變壓器可節(jié)約0.5萬元左右，那么沿海區(qū)域所有的高過載調(diào)容變壓器，假設按30臺計算，則總的綜合電能可節(jié)約150000 kWh，總節(jié)約電費大致有上百萬，設置上千萬。由此可見，在沿海區(qū)域使用高過載調(diào)容智能配電變壓器使得運行成本可節(jié)約上百萬元。這種調(diào)容變壓器比常規(guī)變壓器價格高約30%-40%，相比同容量變壓器單臺投資成本增加 2.5萬-4萬元，投資 4-6 年即可收回成本，因此具有良好的經(jīng)濟效益。

4? ?結(jié) 論

高過載調(diào)容變壓器在沿海區(qū)的應用解決了沿海區(qū)域負荷集中、時段性強、平均負荷率高的問題，對于沿海區(qū)域電網(wǎng)具有較好的適用性。通過采用遠程無線通訊的方式，使得用戶能夠在中央控制室即時觀察、監(jiān)測即時指導高負載調(diào)容電壓器的工作情況。通過進行試點應用，同比普通同容量提高了沿海地區(qū)電網(wǎng)、電壓合格率和供電可靠率，并且高過載調(diào)容變壓器的安全性和經(jīng)濟性也得到驗證，減少了投資成本，滿足了沿海地區(qū)供電高峰期件短時間段內(nèi)高峰負荷需要。通過數(shù)據(jù)分析，節(jié)能效果顯著，技術(shù)經(jīng)濟性較好。

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