并列运行配电变压器的经济运行控制策略分析

黄烈江, 沈狄龙, 吕 渭, 张 斌

(杭州欣美成套电器制造有限公司, 浙江 杭州 311200)

0 引 言

变压器是中低压配电网络中主要器件,在其运行过程中,线圈、铁芯产生的有功功率损耗、无功功率损耗,约占中低压电网线损的20%～30%。因此,在节能减排,实现“双碳”目标的大环境下,研究探讨变压器运行中的节能降耗,实现经济运行有重大的意义。

GB/T 13462—2008《电力变压器经济运行》[1]把变压器经济运行的基本要求归纳为:① 选用低损耗变压器;② 合理选择变压器组合的容量和台数;③ 优化选择变压器综合功率损耗最低的经济运行方式;④ 合理调整变压器负载,使其在综合功率损耗最低的经济运区间运行。

文献[2]从电气设计的变压器选型方面,叙述了推广应用新一代变压器的节能降耗效益。但是在已投入运行的1 530万台配电变压器中,能耗等级在S11及以下的变压器占总量的84.2%,因此优化其运行方式也是节能降耗的重要措施。文献[3]和文献[4]探讨了变压器的综合损耗率、经济运行的区间,以及并列运行变压器的经济运行方式。

本文介绍了在已投入运行的低压配电系统中,变压器分列运行场景下,根据其负载率调整容量,自动实现经济运行的方式及控制策略。

1 低压配电系统变压器运行现状

在民用低压配电系统中,普遍采用二进线一母联进线方式,2路10 kV高压电源来自于上级2个变电所。2台同容量、同型号的配电变压器分列运行,互为备用,以满足供电可靠性的需求。配电系统图如图1所示。

图1 配电系统图

当某路高压电源计划停电或故障停电时,该0.4 kV进线开关分闸,母联开关闭合(Ⅰ段～Ⅱ段母联并列),由1个电源带2路负载,2台变压器的总容量按该系统的最大负荷配置。

大型体育馆等文体场馆配电系统的负荷变化较大,高峰时期需2台变压器同时供电,但平峰时期的用电量在配变总容量的50%以下,平均每台变压器的负载率不足30%,长期在轻载状态下运行。

目前新建住宅小区的配电系统因设计的变压器容量适当超前,以及受入住率低的影响,实际的负荷与设计容量相差甚远,至使变压器长期轻载运行,空载损耗的占比增加,不符合经济运行的基本要求。

2 变压器综合损耗及经济运行简析

变压器在变压和传递功率时,自身要产生有功功率损耗[3-4]:

P=P0+PK

(1)

式中:P——变压器的有功损耗;P0——变压器空载损耗,或称“铁损”;PK——变压器短路损耗,或称“铜损”。

该功耗与其材料、结构相关,是评价变压器能效等级的主要参数。

变压器在运行过程中,还会产生空载无功损耗Q0,短路无功损耗QK,以及无功电流引起的电网线损(无功经济当量KQ),其有功综合功率损耗如下:

PZ=P0Z+PKZβ2

(2)

PZ=(P0+KQQ0)+(PK+KQQK)×β2=

[P0+KQ(I0%/100×SN)]+[(PK+

KQ(U0%/100×SN)]×(S/SN)2

(3)

式中:PZ——变压器运行中的综合有功损耗;P0Z——变压器空载综合功率损耗;PKZ——变压器短路综合功率损耗;β——变压器运行的负荷率,S/SN;KQ——无功经济当量,变压器无功电流折算到电网线损的系数(kW/kvar)一般为0.06～0.15,10 kV配电变压器取0.1;

Q0——变压器空载无功损耗,Q0=I0%/100×SN;

QK——变压器短路无功损耗,QK=U0%/100×SN;

I0——变压器空载(励磁)电流;

U0——变压器短路(阻抗)压降;

SN——变压器额定容量;

S——变压器负荷的视在功率。

式(2)中,变压器空载综合损耗与负荷率无关,是固定的损耗。变压器的负荷率与有功功率综合损耗率如图2所示。短路损耗(铜损)是与负荷率β相关的一条指数曲线。

图2 变压器的负荷率与有功功率综合损耗率

变压器的综合功率损耗率,是运行中的综合损耗与一次侧输入功率之比:

ΔPZ%=PZ/P1×100%=(P0Z+PKZβ2)/

(βSNcosΦ+P0+PKβ2)

(4)

综合损耗率与负荷率关系见图2,是一条U形曲线,其底部综合损耗率最小,对应负荷率即文献[1]所述的“变压器综合功率经济负载系数”:

(5)

式中:βJZ——变压器综合功率经济负载系数;KT——负载波动损耗系数。

图3 变压器经济运行区间划分

3 分列运行变压器经济运行的基本策略

经济运行的控制电路如图4所示。

图4 经济运行的控制电路

图4中,CT1、U1,CT2、U2分别检测1#变压器B1、2#变压器B2的负荷视在功率S,输入控制器后,按变压器容量SN,分别折算为负荷率β1、β2。

在B2独立运行期间,当其负荷率β2大于等于0.75β时,控制器命令高压开关1合闸、母联开关分闸,恢复2个变压器分列运行,B1、B2的负荷率约为βJZ,都在经济区间运行,并保障2个负载电路高负荷运行;反之亦然。

以2台S11型,1 000 kVA的变压器为例,查变压器参数,得

空载损耗:P0=1.115 kW;

空载(励磁)电流:I0=0.5I0%;

短路损耗:PK=10.3 kW;

短路(阻抗)压降:U0=4.5U0%;

负载电路功率因数: cosΦ=0.9。

以上参数,经式(3)～式(5)计算得

空载综合功率损耗:P0Z=1.115 kW;

短路综合功率损耗:PKZ=114.8 kW。

由此可知,2台变压器的最佳经济运行区间下限为150 kVA。当B1负荷小于150 kVA,且B2不大于330 kVA时,B1退出运行,转换为B2独立运行,承担2路负荷,其负荷率β为0.48,小于0.75,处最佳经济区间。由式(3)计算可得,此时B1、B2分列运行的总损耗为5.17 kW,转换为B2独立运行的损耗为5.02 kW,二者基本相等;而负荷率越低,减少损耗的效果越明显。

4 分列运行变压器经济运行的辅助措施

4.1 保障供电可靠性的备自投策略

变压器经济运行是“在确保安全可靠运行及满足供电量需求的基础上”,“对变压器的运行方式进行优化选择,从而降低变压器的电能损耗”[1]。在系统低负荷时,若简单地停用其中一台变压器,则把上述双路供电方式变为了单路供电,降低了供电可靠性。因此本文介绍的经济运行方式的控制器中,增加了“备自投”功能。即:

在1台变压器(B2)独立运行的状态下,如果该电源因故障停电,控制器即命令:高压开关1、低压开关1合闸,由B1独立运行,为2路负荷供电。在变压器经济运行策略中,没有改动它对“特级负荷”的供电电路。特级负荷的供电电路如图5所示。不管是B1独立运行,还是B2独立运行,母联开关都处于“闭合状态”,为2段0.4 kV母线上的负荷供电,同时,2路电源无缝“闭环切换”,其停电时间为零,实现了2台变压器互为备用,保障供电可靠性。

图5 特级负荷的供电电路

4.2 “轮停”策略

某些低压配电系统长期(半年以上)处于低负荷状态,其中一台变压器退出运行超过6个月,其间受潮湿等影响,需经绝缘性能检测等才能恢复运行;而另一台变压器,因运行周期相对较长,导致同一配电系统的2台变压器使用年限不同,设备管理麻烦。

因此采用了“轮停”策略,即在低压配电系统长期(半年以上)处于低负荷状态时,每台变压器的运行时间设定为4～5个月轮换运行,使2台变压器运行的气候条件及时长基本相当,方便设备管理。

4.3 其他措施

为减少变压器分列与独立运行以及变压器“轮停”的切换过程对电路的干扰,控制器及控制电路采用“合环切换”的方式。

根据前期调研结果,因2路10 kV高压电源,来自于同一区域电网,其频率、初相角一致,并在控制器安装、配电系统改造过程中,检测或调整2台变压器的相序,因此控制器只要检测其电压差是否小于5%,若小于5%即可实现“合环切换”,先闭合母联开关,再在0.1 s时间内迅速断开其中的另一台高压开关,2路0.4 kV低压电源无缝转换,满足了《杭州供电公司台区经济运行改造方案》中相关“闭环切换”的要求。

控制器记录(计算)当天B1、B2的平均负荷率,如果其偏离最佳运行区间,采用0∶00～3∶00时的用电低峰时段切换变压器的运行方式,以免负载波动引起频繁切换。

5 结 语

分列运行的配电变压器应用本文方式及控制器,自动调整变压器的负载率,达到其经济运行的目标,该方法投资少,改造的工程小,适用于已投运的低负载率、高能耗变压器的经济运行,结果显示有明显的节能降耗效果及经济效益。

该运行方式降低了运行变压器的基本容量,在普遍采用二部制中,如果能按比例合理调整用户的基本容量费,更有利于该经济运行方式的推广与应用。