季节性重过载对配电变压器的影响及治理分析

2022-09-15徐肖伟牛力霄李永卿彭应超聂鼎杨秋昀张春丽

云南电力技术 2022年4期

徐肖伟，牛力霄，李永卿，彭应超，聂鼎，杨秋昀，张春丽

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明 650217； 2.云南电网有限责任公司临沧供电局，云南临沧 677000）

0 前言

季节性重过载指度夏度冬、春灌秋收、逢年过节、同期性工农业负荷增加时段出现的重过载现象，季节性重过载一直是困扰配网可靠性运行、客户服务评价的重要影响因素，主要体现在对于特定时期产生的负荷增加，造成了大面积配电变压器出现过载，带来较大的烧毁风险[1-5]。尤其是在春节期间，由于人口流动性、加上天气寒冷，导致的重过载是一年当中最为严重，日重过载台数比其他月份高10倍之多，一旦出现了烧毁，造成的社会影响、投诉问题也比日常要严重[6-10]。

1 重过载对变压器的影响

当负荷增加时，变压器温升和输出电压发生变化。温度升高直接影响到绝缘材料的老化速度，当温度高于80℃时，每升高6℃绝缘寿命会减半。过载引起的低压输出电压的变化又会直接影响到供电质量。

1.1 对温升的影响

通过试验验证重过载对变压器温升的影响，试验在配网真型平台开展，采用1台100 kVA的配变，负荷采用30~250 kW可调的纯阻性负荷，通过负荷的接入和调节，使得配变的输出在额定负荷和2倍过负荷之间调节，其电气连接图如图1所示。

图1 重过载试验电气连接示意图

试验步骤及结果：

第一阶段，验证1.0倍负荷下的温升水平。通过连续施加1.0倍负荷24 h以后，其油箱外壳的温升稳定在54 K（红外测温为65.1℃），如图2所示。

图2 连续1.0倍负荷运行24 h的油箱温度（65.1℃）

第二阶段：继续施加1.3倍负荷，持续运行3 h，其油箱外壳温度为86.2℃（温升为70.2 K），如图3所示。此时变压器内部受热膨胀压力过大致压力释放阀喷油，断开负荷冷却2小时，温度降低至59℃后，继续开展第三阶段试验。

图3 在1.0倍负荷运行24 h，再加1.3倍负荷3 h 后油箱温度（86.2℃）

第三阶段：施加2倍负荷，持续运行20 min，满足技术规范书规定的10 min的要求，此时温度由59℃升至64℃，温升的上升速率明显比1.0和1.3倍工况要快。3个阶段的变压器温度变化如表1所示。

表1 试品S13-M-100 kVA配变重过载试验（环境温度15℃~17℃）

由于空载损耗和负载损耗的影响，导致内部产生了大量的有功损耗而产生温升，其中负载损耗约占总损耗的90%，负载损耗即铜损，与电流的平方和直流电阻R成正比，当过载达到2倍时，其负载损耗是额定条件下的4倍，因此过载带来的温升效应就更加明显。

1.2 对输出电压的影响

重过载台区一般又会伴随着低电压现象，原因是变压器绕组自身有直流电阻，如果负荷电流过大，导致变压器的内阻电压分担较大，因此对外输出电压有所降低，试验证明：当达到2.0倍过载时，其负荷侧电压降低5.1%，又因其并未达到磁饱和，因此电压波形无畸变。不同负荷下变压器低压输出的试验数据如表2所示，电压波形如图4所示。

表2 不同负荷对低压输出的试验数据

图4 在重过载条件电压波形无畸变

2 重过载治理措施分析

过负荷导致的油温温度过高是重过载对变压器造成损害的最直接、最主要的原因，其治理方法就是从降低温升或提高温度耐受能力入手。常用的方法是扩容、增加布点分担负荷或更换为有载调容配变、高过载配变。

2.1 更换大容量配变

通过更换大容量配变和新增配变分担负荷，以达到降低变压器运行时温升的目标。变压器其负载损耗是跟负荷电流相关，空载损耗是由变压器的固有容量而决定的，其值约为负载损耗的1/10。以两台100 kVA和200 kVA的S13型配变为例，其损耗值如表3所示，空载损耗仅相差100 W，折算成电能，200 kVA的配变空载损耗每天仅多消耗2.4度电。但如果在150 kW负荷条件下，对100 kVA配变是1.5倍过载，其负载损耗变为1526W×1.52=3433W，对于200VA配变是在0.75倍额定负荷下，其负载损耗为2800W×0.752=1575W，每天100 kVA配变负载损耗反而多消耗约44.5度电。因此，从节能降损的角度，采用稍大容量的配变更节能。

表3 两台不同容量配变的损耗值

2.2 更换为高过载配变

对于季节性重过载或短时间重过载，高过载具有比常规配变更强的过载能力，因其具备和同容量的配变同样的空载损耗和负载损耗，从节能降损来讲并不占优势。从采购成本来看，同容量的高过载的报价比常规高20%~40%。以调研当前采购情况为例：

表4 S20型常规配变和高过载配变采购成本

2.3 有载调容变压器

有载调容变压器由变压器本体、有载调容开关、控制系统和采集单元组成。有载调容变压器的工作原理是通过采集配变实时负荷信息，利用控制系统实现监测和判断，在不断电的状态下，控制有载调容开关，改变分接绕组抽头位置及绕组联结方式，从而降低变压器的损耗。其经济性仅仅体现在小容量运行时[11]，调容变和普通变压器的损耗曲线对比如图5所示。

图5 调容变和普通变压器的损耗曲线对比

从投资经济性分析，有载调容变的报价比同等容量的常规配变高约55%~60%，以一台400 kVA的有载调容变SZ13-M-2T-400（125）/10和一台常规S13型400 kVA对比。有载调容在小容量运行时方可显示出其节能的效能，如果在大容量运行下其损耗与常规配变相差无几。假设以每年3个月大容量、9个月小容量运行，其每年节约的电能为3420 kWh，折合电费1368元，与多投入的投资成本2.5万元相比，需要近20年才能收回成本，基本涵盖了配变的全寿命周期，再加上有载调容的组件较多，运维技术要求高，势必会带来故障率偏高的情况。假设的情况还未考虑每天的负荷变化波动情况，如果负荷波动频繁，如图5所示，在小负荷是最佳运行区内，一旦负荷超过切换点而未切换，则会造成负载损耗大幅增加。