农网配电台区有载调容调压变压器技术经济分析

刘金忠，魏彩霞，孙业荣，张立志，李西勋

（山东电工电气集团智能电气有限公司，济南250022）

农网配电台区有载调容调压变压器技术经济分析

刘金忠，魏彩霞，孙业荣，张立志，李西勋

（山东电工电气集团智能电气有限公司，济南250022）

采用有载调容调压变压器，解决了农网配电台区季节性负荷峰谷差大，导致配电变压器运行损耗高的问题。从调容变压器基本原理、最佳调容点计算等方面进行了技术分析；结合农村配网用电情况，从节电量计算、改善电压质量等方面进行了经济分析。农网配电台区改造，采用有载调容调压变压器，约8年收回设备投资，20年经济使用期内投资回报率约248%。

有载调容调压变压器；负荷特点；节能计算；技术经济性分析

0 引言

随着改革进程的加快和经济的快速发展，大量农民外出务工，农村户均用电量减少，变压器大部分时间运行在轻载或空载状态，造成空载运行损耗过高，降低变压器效率。而农忙时节、春节期间农民工返乡回潮，用电负荷急剧上升，变压器严重过载，造成负载损耗过高，变压器阻抗电压增大，低压侧出口电压减小。据国家能源局统计，目前城乡区域自动化水平发展不平衡，农网自动化配置尤其薄弱，管理水平低，运行维护需要大量的人力物力，运维成本高。设备一旦发生故障，无法及时进行抢修，故障设备得不到迅速撤除，导致故障扩大，造成严重后果。

有载调容调压配电变压器的应用，将有效提升在负荷波动大场合的供电能效，解决城乡及农村电网低电压问题，提高配网自动化水平。有载调容调压变压器经过不断发展完善，已经臻于成熟，具有广阔的市场前景。

1 有载调容调压变压器

1.1 调容原理

有载调容调压变压器，在一定负载或励磁条件下，能够实现大、小两种不同额定容量间自动切换和不同电压分接间自动调整。忽略驱动机构、开关、过渡电阻等组件，其简化接线如图1所示。

变压器大容量时联接组别为Dyn11，小容量时联接组别为Yyn0。变压器由大容量切换到小容量，通过高压绕组的△―Y转换，匝电压变为；低压绕组分为3段，Ⅰ段匝数为低压总匝数的27%，Ⅱ段与Ⅲ段匝数均为低压总匝数的73%。将低压绕组II段与III段由并联转换成串联，再与I段串联，匝数变为约倍，从而保证了转换前后的电压比不变。由于匝电压减小为，磁通密度下降为，空载损耗也随之下降（无功损耗大约是大容量时的1／10，有功损耗大约是大容量时的1／3），达到了节能降耗的目的。

图1 调容原理

1.2 调容点计算

有载调容调压变压器具有大、小两个额定容量，可根据负荷大小，按照系统设定调容点，进行调节容量，从而起到节能降耗的目的。为保证有载调容调压变压器的经济运行，必须精确计算调容点。

1.2.1 不同额定容量下运行损耗

变压器运行损耗包括空载损耗、负载损耗、铁心激磁无功功率和线圈的漏磁无功功率引起的损耗。有载调容调压变压器大、小额定容量下的空载损耗和铁心激磁无功功率不随负荷电流变动。小容量下空载损耗和铁心激磁无功功率恒小于大容量下该值；而负载损耗和线圈的漏磁无功功率，则与负荷电流的平方成正比。小容量下变压器直阻与线圈漏电抗大于大容量下该值，小容量运行时变压器负载损耗和线圈的漏磁无功功率比大容量运行时大［1］。以S11型315（100）kVA为例，有载调容调压变压器在不同负荷下的综合运行损耗如图2所示。

图2 S11型315（100）kVA调容调压变压器不同容量下综合运行损耗

1.2.2 最佳调容点计算

首先，计算不同容量变压器间经济运行方式的临界负载。有功经济运行方式的临界负载为［2］

无功经济运行方式的临界负载为

综合功率经济运行方式的临界负载为

式中：P0D为大容量运行方式下空载损耗，kW；P0X为小容量运行方式下空载损耗，kW；PKD为大容量运行方式下负载损耗，kW；PKX为小容量运行方式下负载损耗，kW；SND为大容量额定容量，kVA；SNX为小容量额定容量，kVA；Q0D为大容量运行方式下铁心激磁无功功率，kvar；Q0X为小容量运行方式下铁心激磁无功功率，kvar；QKD为大容量运行方式下额定负载线圈漏磁无功功率，kvar；QKX为小容量运行方式下额定负载线圈漏磁无功功率，kvar；P0ZD为大容量运行方式下空载综合运行损耗，kW；P0ZX为小容量运行方式下空载综合运行损耗，kW；PKZD为大容量运行方式下额定负载综合损耗，kW；PKZX为小容量运行方式下额定负载综合损耗，kW。

其次，计算各种损耗值。空载综合损耗为

额定负载综合损耗为

铁心激磁无功功率为

额定负载线圈漏磁无功功率为

式中：KQ为无功经济当量，取KQ=0.1；KP为负荷波动系数，取KP=0.2；P0为空载运行损耗，kW；Q0为铁心激磁无功功率，kvar；PK为额定负载损耗，kW；QK为额定负载线圈漏磁无功功率，kvar；I0%为空载电流百分数；SN为额定容量，kVA；UK%为阻抗电压百分数。

若同一型号调容调压变压器的空载损耗、负载损耗、阻抗电压（%）、空载电流（%）性能参数实测值不同，则最佳调容点不同。为准确获得最佳调容点，可按变压器实测值进行计算。以一台S11型315（100）kVA有载调容调压变压器为例，其性能参数实测值为：大容量下，空载损耗0.475 kW，负载损耗3.653kW，空载电流0.3%，阻抗电压3.94%；小容量下，空载损耗0.145kW，负载损耗1.078kW，空载电流0.18%，阻抗电压3.96%。

按式（1）～（7）计算，有功经济运行方式的临界负载为SX-DLP=68.2 kVA，大容量下铁心激磁无功功率为Q0D=0.945 kvar，小容量下铁心激磁无功功率为Q0X= 0.18 kvar，大容量下额定负载线圈漏磁无功功率为QKD＝12.6 kvar，小容量下额定负载线圈漏磁无功功率为QKX=4 kvar，无功经济运行方式的临界负载为SX-DLQ=52.9 kvar。大容量下空载综合损耗为P0ZD= 0.6645kW，小容量下空载综合损耗为P0ZX=0.192kW，大容量下额定负载综合损耗为PKZD=5.643 6 kW，小容量下额定负载综合损耗为PKZX=1.693 6 kW，综合功率经济运行方式的临界负载为SX-DLZ=64.8 kW。

1.2.3 升容、降容门限值

在实际运行过程中，考虑到产品安全稳定运行，有载调容调压变压器需要分别设置升容、降容门限值，一般将1.1倍的综合最佳调容点设定为升容门限值，0.9倍的综合最佳调容点设定为降容门限值。

2 农村配网用电情况

2.1 生活用电量

以山东省生活用电为例，2005—2015年的生活用电统计如表1所示。

2005—2015年供电量的平均增长率为9.13%，2010—2015年供电量的平均增长率为6.46%。由此可以看出，经济社会发展进入新常态，近几年山东省生活用电需求量增速显著下滑。尤其2013—2015年更为明显，年平均增长率仅为4.94%。

表1 生活用电量亿kWh

随着经济社会的发展，农村居民生活条件大大改善，用电负荷种类日趋丰富，农村生活用电量增长空间大于城市生活用电量，保守预测农村配电网未来15年生活用电年增长率为6%。

2.2 农村配网日常负荷

农村配网居民客户昼夜时段性差异，导致变台负荷波动较大。截取具有代表性的台区变压器2015-04-17至2015-04-20负荷波形，如图3所示。

图3 日负荷曲线

可知，负荷最大可达135 kVA，最小为10 kVA，负荷波动范围大。变压器容量为315 kVA，当负荷运行在高峰段时，仅为变压器额定容量的一半；当负荷运行在低谷段时，变压器接近空载运行。该配变台区在节假日、夏季、冬季等用电高峰，有过载现象。

2.3 农村配网季节负荷

春节期间用电负荷急剧上升，造成变压器过载，严重时导致变压器烧损。截取具有代表性的台区变压器春节前后负荷波形，如图4所示。据某省统计，2014年春节期间烧损变压器516台，其中农网台区占90.31%。

季节性负荷具有“冬取暖夏降温”的特点，截取具有代表性的台区变压器年负荷波形，如图5所示。

图4 春节前后负荷曲线

图5 年负荷曲线

3 有载调容调压变经济分析

3.1 节电量计算

3.1.1 节电量测量方法

根据GB／T 13462—2008《电力变压器经济运行》和DL／T 985—2012《配电变压器能效技术经济评价导则》要求，调容变压器改造后的年节约电量为小容量运行期间节电量与大容量运行期间节电量之和［3-5］，为

式中：Δ（ΔE）为调容变压器改造节约电量，kWh；KUi为电压对空载损耗的平均影响系数；P0Z为改造前变压器综合空载损耗，kW；P′0Z为改造后变压器综合空载损耗，kW；PKZ为改造前变压器综合负载损耗，kW；KT为负载波动系数；P′KZ为改造后变压器综合负载损耗，kW；S为平均视在功率，kVA；SN为变压器额定容量，kVA；T为变压器运行时间，h；i=1为大容量状态，i=2为小容量状态；

3.1.2 项目节能量计算及验证

对于在网运行已超过10年的变压器，负载每年递增，大部分变压器处于高负载率运行，甚至部分变压器超载运行。以S9-315型负载率低的变压器为例，根据现场调研，年平均负载率为50%，4个等分时区负载率分别为5%、14%、49%、132%。采用有载调容调压变进行更换改造，增容改造后型号为S11型630（200）kVA，综合最佳调容点为125 kVA，升容门限为137.5 kVA，降容门限为112.5 kVA。得改造后4个等分时区负载率分别为7.88%、22.05%、24.5%、66%。根据式（8），计算年节约电量，结果如表2所示。

表2 抽样台区年节电量

3.2 改善电压质量

变压器的输出电压与供电质量有着密切的关系。当电压偏低时，铜损增大，铁损减少，系统中的功率损耗和能量损耗加大，电压过低时，还可能危及系统运行的稳定性，甚至引起电压崩溃；而电压过高时，各种电气设备的绝缘可能受到损害。常规的无励磁调压变压器需进行人为断电操作切换电压。有载调容调压变压器可以根据实际投入电压进行自动调节，避免由于人为调节不及时造成的损害，增加供电的安全性，同时有助于台区的智能管理。

400 V侧供电电压为

式中：UL为变压器10 kV侧电压，kV；NT为变压器原副边变比；ZT为变压器折算到副边的等效串联阻抗，为ZT=R+jX，其中R为变压器等效串联电阻，折算到副边，Ω，X为变压器等效串联电抗，折算到副边，Ω；Zload为变压器低压侧负载阻抗。

由式（9）可知，当变压器10 kV侧电压相对额定值跌落，变压器原副边变比不变时，变压器400 V侧电压将随之跌落，若此时调低变压器原副边变比，则可补偿变压器400 V侧电压的跌落，稳定低压侧输出电压；当变压器10 kV侧电压相对额定值增加时，若变压器原副边变比不变，变压器400 V侧电压将随之增加，若此时调高变压器原副边变比，则可补偿变压器400 V侧电压的增加，稳定低压侧输出电压。

有载调容调压变压器的调压基本原理是从高压侧引出3个分接头，通过有载分接开关，在不切断负荷电流的情况下，进行分接头之间的切换，从而变换串入高压的额定匝数，从而达到改变电压的目的。

安装有载调容调压变压器后，变压器的低压侧电压基本控制在合格范围之内，可有效提升电压的合格率。随着负载率的增加，安装点处电压提升幅度逐渐减小。尤其安装点处电压低于额定电压的10%时，通过有载调压可以使电压得到5%的提升。因此，为了有效稳定配电变压器低压侧供电电压，提高电压质量，应安装有载调容调压变压器。

图6 配电变压器电压改善对比

试点运行地区按照电压波动范围±4%的电压合格策略进行模拟运行，模拟有载调压后的电压波动情况，如图6所示。配电变压器低压侧未调节电压时，电压相对于额定电压跌落11%，实现调压后，可提升低压侧电压5个百分点，最大提升10 V。

3.3 更换高耗能配电变压器的投资回报测算

对于S7、S9系列配电变压器，已在网运行超过10年，经测算，当运行时间等于或超过12年时，设备的实际残值已经超过账上净资产值，有必要进行升级改造。

抽样台区变压器型号为S9－315，更换后有载调容调压变型号为S11型630（200）kVA，设备价格约8.5万元。改造更换后，年均节电量为1.755万kWh，节约电量结算电价按0.6元／kWh计算，年获得效益为1.053万元。台区经改造更换，约8年收回设备投资，20年经济使用期内投资回报率约248%。

4 结语

更换有载调容调压变压器可有效降低变压器运行损耗，节能效果显著，约8年收回设备投资；通过有载调压技术，减少负荷波动引起的电压越限，提高电压合格率；通过智能控制器RS485接口或GPRS模块直接与上位机相连，提升用电管理水平。针对功率因数低、三相负荷不平衡、无功功率引起的损耗，可以考虑配套采用无功补偿装置，节能效果会更显著。

［1］梁静，张长峰.运行中电力变压器的无功损耗计算［J］.科技致富向导，2009（18）：101.

［2］韩筛根，郭献清，汤茜，等.有载调容变压器的有理及成本分析［J］.电气技术，2012，31（24）：66-72.

［3］G／BT 13462—2008电力变压器经济运行［S］.

［4］D／LT 985—2012配电变压器能效技术经济评价导则［S］.

［5］王建元，赵新，张丽娣，等.10 kV配电变压器经济运行方式的可行性及经济性分析［J］.水电能源科学，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

刘金忠（1975），男，工程师，从事电力变压器设计和制造管理工作。