沿海区域高过载调容变压器的应用研究

孙承超 邱卫 刘毅

摘   要：在沿海地区，由于配电变压器在整个配电网损耗的比重较大，提出了高过载调容变压器的应用情况。介绍了高过载调容变压器结构组成、调容技术原理及控制方式。高过载调容变压器根据电力系统的负载情况能够自动切换容量，避免了电力线路由于负载过高而造成电力灾难。同时设计了高过载调容变压器的应用系统。用户可以通过远程无线通讯的方式实时监控、接收、处理高过载调容变压器的现场数据。在相同时间段内，通过与普通配电变压器进行比较，使用高过载调容变压器后，克服了沿海地区负荷集中、时段性强、平均负荷率高的问题，能够获取明显的经济效益。

关键词：高过载调容变压器;调容;远程无线通讯;可靠性;经济效益

中图分类号：TM401                                             文献标识码：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

變压器是电路系统中最重要的设备之一[1-4]，在配电应用中，变压器使用范围较广，数量繁多。变压器的可靠、安全对于电力系统的安全性能和经济效益具有重要的意义[5-6]。在沿海地区，尤其是发达的沿海城市地区，企业、学校、用户、旅游业等消耗电力较多，电路中承载着较重的负荷。

在用电高峰期，如果电路中的负载过高，就会导致线路损耗的问题。直接影响供电企业及用户的使用体验和经济效益，这就需要用到高过载调容变压器。

高过载调容变压器具有节能环保、无功损耗低、空载电流小、抗突发短路能力强等良好特性，其年平均负荷低、负荷季节性强、负荷波动大[7-8]。应用高过载配变能够降低调容变压器的投入成本和运行费用，而且减少了配变损耗，提高投资效益回报率。在沿海地区，由于电网负荷分布集中、应用范围广、负荷重、峰谷差不大、季节性不强、平均负荷率较高[9-10]。因此，配电网的节能降损是沿海地区电网建设中的重要环节。为了保证沿海地区电力负荷的正常运行，就需要根据用户的电网结构、用电负荷的特点，合理、选用高过载配电变压器[11-12]。在保证高过载调容变压器正常工作时，就需要考虑到其控制方法和通信方式，这对于保证负荷的高过载配变应用意义非常重大。

1   高过载调容变压器设计

在电力电网供电系统中，尤其在沿海区域，经常遇到一些季节性或周期性负荷，它们在用电高峰时，需电量很大，需要大容量的变压器才能满用电需求，低峰时需电又很小，变压器的容量又浪费了，不仅让大容量变压器较大的空载损耗浪费了大量的电能，而且降低了功率因数高过载调容变压器作为新型的节能配电变压器，因此在用使用过程中，采用新型的有载调容技术。能够根据负荷大小调节容量，降低损耗，提高变压器负载因数，其接线原理图如图1所示。

调容变压器的铁心采用优质冷轧晶粒取向硅钢片45度全斜接缝叠积，具有损耗小，噪音低，结构紧凑体积小等特点。高压线圈采用优质无氧铜按大容量、三角形（D）连接设计，在小容量运行时，通过调容开关将其转换为星形（Y）连接。低压线圈分为三部分：一是27%匝数的I部分，另外两部分II、III具有73%的匝数、用两根截面为I部分1/2的导线并联绕制而成，大容量时，调容开关将II、III部分并联后再与I部分串联运行，保证了低压线圈的大容量，当转换为小容量时，调容开关将I、II、III三部分串联起来运行，保证了高压线圈在D接变为Y接，低压侧输出电压不变。

高过载调容变压器具有大容积、实时可控能力高、能带载调节容量的特点。其通常能够根据用户的负载需要来调整变压器容量，避免线路因过高负载而导致电压短路。其应用原理是高低压绕组随着调容开关而变化。其结构示意图如图2所示。

高压载调变压器的结构主要包括变压器、调容开关、调容控制器、信号采集单元、隔离CT单元、低压端、高压端。在高压端设置有高压套管，在低压端设置有低压套管。在工作时，计算机控制调容控制器，通过调容控制器控制调容开关来调节高过载调容变压器，调容变压器根据用户在计算机内设置的调整容量来调整。在低压侧，通过隔离CT单元输出电压、电流信号。通过信号采集单元采集隔离CT单元的信息。计算机可以与其他设备通讯，并将数据传递到云端进行长久性保存。

调容控制器主要由铁芯、高/低压绕组、器身、油箱组成的。贴芯的材质为优质钢（内部为高导磁，冷轧晶粒），这种材质使调容控制器的空载损耗、噪声大大降低，结构上采用绕组及绝缘结果设计，其结构示意图如图3所示。

在本设计中的高压调容变压器中，油箱为优质冷轧钢板制成的，具有散热快的优点。调容开关包括电机、继电器、执行机构、切换油箱等组成。在工作中，在继电器端设置有保险丝，当过负载通过时，将通过继电器切断开关，确保在高压侧切换时的安全性能。

在变压器进行调容时，如图4所示，变压器低压绕组包括少数线匝I段和多数线匝线IIII段。当变成大容量时，则将变压器三相高压绕组接成三角形，当变成小容量时，则将小容量接成星形。将大容量II、III段进行并联连接，然后再与I段进行串联连接。在小容量时，将I段全部串联。当由大容量调节为小容量时，则增加低压绕组的匝数，此时将高压绕组变为Y接法。

高过载调容变压器在工作时，通过信息采集单元采集变压器的绕组结构并检测高压侧、低压侧输出的电压、电流、相位角等，并将采集到的数据传输给调容控制器，通过调容控制器与用户的设置值进行比较，假设电路负载率大于95%，则打开调容调压开关，假设电路负载率小于20%，并持续时间大于40分钟，则可打开调容调压开关。用户根据信号采集单元采集到的电压、电流或相位信息，再次判断。假设高压侧端的电压相位为零，则增大变压器的容量，若低压侧相电流相位为零，则减小变压器的容量，进行下一步的工作。当高压侧和低压侧转换完毕后，关闭调容、调压开关，调容控制器不在不再执行命令，调容过程结束。

2   应用于沿海地区的控制策略

由于沿海地区的电网负荷的特点，在进行高过载调容变压器时，选用基于云计算的远程控制方案。调控控制器通过远程无线通讯方式或者专网实施远程控制，在远程控制端，用户在控制室对调容控制器控制数据监控、显示、指导，如图5所示。

在控制软件设计中，其包括沿孩配电区的所有控制器内部参数设置，其中云服务系统会根据变压器在工作区域中实时运行的数据进行自行判断，并提出修改措施。参数设置要反复核对，由于参数设置错误会导致保护停电等故障。硬件故障表现为台

区、台区上层机构、台区下层机构任意区段的停电，在故障设置中，台区 TTU 会根据调控控制器监测的数据、停电情况（比如，时间、面积、位置）确定故障信息，使电工故障巡线时间、难度减少。

在应用时，如图6所示，假设在山东威海某个配电区域，采用型号为S11-M-ZT-315（100）/10的调容变压器。时间段在09：00-18：00之间时，则用电较多的为公司用电、企业用电。时间段在18：00-22：00之间，则用电较多的为家用电器（其表现为洗衣机、冰箱、烤箱、空调等）。其使用结构图如图6所示。

这上述用电高载期存在重负荷时，调容变压器可按照上文描述的方法对电力系统负荷线路进行调节容量，将其调到大容量运行。在晚上 22 时-次日6 ：00可调到小容量运行，在6：00 至晚上 22：00，这种变压器的空载损耗和负载损耗都比较低，尤其是小容量运行时的总损耗比相同容量的普通变压器的总损耗低得多，因此调整到小容量进行，这种方式减少了因负荷波动导致的电能损耗。通过数据采集单元采集高过压变容电压器的电压、电流、相角等。然后工业计算机接收高过压变容电压器的电压、电流、相角等信息。在工业计算机端处，用户可以通过故障诊断单元对接收的数据进行诊断，并显示诊断后的数据。在工业计算机端处，诊断数据或者信号采集单元采集到的电力数据可以通过以太网传递到中央控制室。在中央控制内，用户可以实时检测高过载调容变压器的数据，并根据现场情况，远程监控、指导。

调容变压器在大容量运行时，工作状况同普通电力变压器相同，当负荷减小时，采用特殊的调容开关改变变压器的线圈连接，从而降低变压器的容量，此时，变压器铁心中的磁通密度大大降低，使得变压器的空载损耗大大降低，节约了电能，并提高了功率因数，有效地解决了“大马拉小车”的不合理现象。

3   经济效益分析

在国网山东省电力公司威海供电公司在高过载调容变压器应用模式中，在夏季，最高供电负荷预算有 257 kW，年度最低供電负荷预计有120 kW。下文结合使用高过载调容变压器和普通变压器进行比对分析。通常，有载自动调容配电变压器在大容量时，三相高压绕组接成三角形接法（角接），低压绕组并联结构;在小容量时，三相高压绕组接成星形接法（星接），低压绕组串联结构。

通过使用S11-M-ZT-315（100）/10的调容变压器，不仅解决了台区内电力负荷分散、时段性强、平均负荷率低等问题。还能够通过调容控制器的自适应检测能力及时判断用户负荷的大小，并通过有载调容开关，在变压器不断电的状态下，通过智能控制器对两种容量进行自动切换，从而实现对运行过程中变压器容量大小的自动调节。

当负荷低谷时，三相平均电流值低于大容量的额定电流值的 40%，并持续 15 min 以上时，调到小容量 100 kVA 使用;负荷高峰时。三相平均电流值高于小容量的额定电流值的 80% （或单相电流值超過小容量的额定电流值）时，调到大容315 kVA 使用。下面结合表1说明下实用高过载调容变压器的经济效益。

使用高过载调容变压器，估计全年共计的小容量运行时间有 5 967 h，大容量运行时间为6870 h，同比普通变压器小容量运行时间为8072 h，大容量运行时间为1452 h，可以推测，每年综合电能节约大致有6134 kWh。根据用电性质不同，按照电价0.6 元 /kWh，则可以计算出每台高过载调容变压器可节约0.5万元左右，那么沿海区域所有的高过载调容变压器，假设按30台计算，则总的综合电能可节约150000 kWh，总节约电费大致有上百万，设置上千万。由此可见，在沿海区域使用高过载调容智能配电变压器使得运行成本可节约上百万元。这种调容变压器比常规变压器价格高约30%-40%，相比同容量变压器单台投资成本增加 2.5万-4万元，投资 4-6 年即可收回成本，因此具有良好的经济效益。

4   结 论

高过载调容变压器在沿海区的应用解决了沿海区域负荷集中、时段性强、平均负荷率高的问题，对于沿海区域电网具有较好的适用性。通过采用远程无线通讯的方式，使得用户能够在中央控制室即时观察、监测即时指导高负载调容电压器的工作情况。通过进行试点应用，同比普通同容量提高了沿海地区电网、电压合格率和供电可靠率，并且高过载调容变压器的安全性和经济性也得到验证，减少了投资成本，满足了沿海地区供电高峰期件短时间段内高峰负荷需要。通过数据分析，节能效果显著，技术经济性较好。

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