有载调容调压变压器的技术经济分析及其在农村配电网中的应用

赵国伟

（国网桐乡市供电公司，浙江 桐乡 314500）

0 引 言

经过多年的改革开放，农村人员流动趋势渐趋固化，即春节和农忙时期人员回流，其他时间以外出打工为主。这使得农网负荷的季节性落差明显，给配变布点和定容带来了一定困难。若布设过多，必然造成大部分时间下的轻载或空载，极大地浪费了电力建设资源；若布设不足，则难以应对短期但重要的负荷需求。另外，由于农村的广域性，农网自动化水平尚未达到较高程度，进行农网有效运维需要的人力成本较城网高，成为影响在农网地区推行“多供电、供好电”战略的瓶颈。

解决以上问题的一个可行措施是推广有载调容调压变压器的应用。该类变压器可在不中断供电情形下根据台区负载大小和出口电压水平自动执行容量切换和分接调整，以达成电能质量达标和供用电经济的双赢。

1 有载调容调压变压器技术分析

1.1 调容原理

关于调容工作的接线，见图1[1]。

调容过程阐述（大容量→小容量）：①高压绕组进行“△-Y”转换，相应地匝电压减小为原来的②低压绕组的II、III段由并转串，再与I段作串联（I、II、III段的匝数依次占总匝数的27%、73%、73%）。显然，经过以上变化，高压侧由于磁通密度下降（因为匝电压下降），使得空载损耗下降；低压侧的导线截面缩减一半（因为II、III段由并转串），变压器容量相当于减小为原来的1/2，但低压出口电压不变（因为低压侧匝数为原来的1倍，与高压侧匝数减少刚好抵消）。

图1 执行调容的接线示意

1.2 调容点计算

有载调容调压变压器进行容量自主调节的前提是调容点的精准确立[2]。

首先，研究配变运行损耗与额定容量的关系。图2为运行损耗牵涉内容。其中，（a）、（c）项仅与容量呈正相关，与负荷电流无关；（b）、（d）项与负荷电流平方呈正相关。这样可得到不同容量级别在不同负载下的综合损耗示意，如图3所示。

其次，最佳调容点计算。根据文献[2]，不同变压器的三类经济运行方式（有功/无功/综合功率）的临界负载依次如下：

图2 变压器运行损耗的细项

图3 不同容量变压器综合损耗与负载关系示意

式 中，P0D、PKD、SND、Q0D、QKD、P0ZD和 PKZD分别为大容量运行方式下的空载损耗、负载损耗、变压器额定容量、铁心激磁无功、额定负载线圈漏磁无功、空载综合损耗和负载综合损耗。将下标中的D换为X，对应的就是小容量下的相应项目。

以上各种损耗项目的计算如下：

式中：KQ是无功经济当量（取0.1），KP是负荷波动系数（取0.2）。因此，为使最佳调容点趋向精确，应以变压器性能参数实测值为基准进行各类临界负载计算，从而使配变运行达到最大经济性。

另外，统筹安全稳定运行的需要，一般设置升容、降容门限值[3]。前者为最佳调容点的1.1倍，后者为最佳调容点的0.9倍。

2 有载调容调压变压器经济分析

2.1 关于节电量

根据GB/T 13462-2008和DL/T 985-2012，应用调容变压器后的年节约电量计算应包括两部分，即小容量运行期间节电量和大容量运行期间节电量之和[4]：

式中，KUi为表征空载损耗受电压影响的系数，P0Z和分别为调容调压变压器应用前后的综合空载损耗，PKZ和分别为应用前后的综合负载损耗，KT表征负载波动程度，S为功率（平均），SN是配变额定容量，T是运行时间统计，i取值1和2分别对应大、小两种容量状态。

计算实例：①某台区于2007年配置一台S9-315 kVA配变，由于居民生活水平的提高，这些年配变负载逐年递增；②经统计，该台区的年均负载率不到55%，但部分时间区段出现严重超载（达到131%）；③现采用S11型630（200）kVA配变进行替代，并确定最佳调容点、升容门限、降容门限依次为125 kVA、137.5 kVA、112.5 kVA；④统计改造后各时间区段的负载率变化；⑤进行节电量计算。相关数据如表1所示。

表1 台区改造前后相关节电数据统计

2.2 关于电压质量改善

根据文献[4]，配变低压侧输出电压可根据式（9）进行计算：

式中：UL是配变高压侧电压，NT是配变高低侧变比，ZT=R+jX为配变等效串联阻抗（折算到低压侧），Zload为配变低压侧负载阻抗。

根据式（9），当配变高压侧电压波动时（跌落或增加），只要及时调节高低压侧变比，就能稳定低压侧输出，确保电压质量符合相关标准。而有载调容调压配变的高压侧引出有3个分接头，可借助有载分接开关，在持续供电情形下改变额定匝数，以稳定电压。图4为某试点改造前后的效果比对，可知利用有载调容调压配变可有效应对因负载增加而造成的电压跌落现象，一般可提升低压侧电压5%左右。

图4 电压质量提升对比

2.3 关于投资回报

据统计，当前运行的配变中，S9系列占相当比例。该型配变服役时间一般在10年以上，设备残值基本大于账面净值，进行升级改造符合经济原则[5]。依据2.1节中的计算结果，以一台S11型630（200）kVA配变替换一台S9-315kVA配变，年效益约为1.08万元（按电价0.6元/（kW·h）估算），而新设备的价格不到9万，约8年就可收回投资。若以配变服役20年计算，服役期内可收回投资价值的150%。

3 应用研究

依托电力营销大数据统计，可将农村区域用电作如下归纳：①生活用电量增速空间总体上大于城市区域（尤其当经济发展进入新常态）；②配网日常负荷波动范围大（低谷时近乎空载、假日时则易过载）；③季节上，一年中负荷存在大起大落现象。另外，由于农网负荷远离电源点，靠调节变电站出口电压很难兼顾线路首末端电压水平。基于以上问题，在农村配网区域推行有载调容调压配变的前景十分广阔。考虑到当前电网建设对自动化、智能化的要求，可以图5的架构为模板作应用推广。

显然，依托图5装置，不但可实现配变容量、低压侧电压的自动调整，还具备如下优点：①无功补偿的精细化，使配网运行更加经济；②无线“四遥”，便于全景数据采集，为职能部门决策提供数据支撑，并实现远程停送电，减少运维人员配置。

图5 有载调容调压配变在农村配网的应用的配置

4 结 论

有载调容调压配变可根据负载多寡和台区电压水平，自动执行容量切换和出口电压适应，支持无线“四遥”及精细化无功控制等功能扩展，对于快速解决农村配电网存在的网络损耗大、电压质量不高、运维效率低下等问题有着天然的契合性，并且投资回报周期短，可在试点应用的基础上科学总结，最终实现大面积的推广应用。