并联运行变压器按经济负荷自动投退控制装置

叶念国

（深圳市智能设备开发有限公司 广东深圳  518040）

【摘要】建设节约型社会，对于电力系统而言，节能降耗无疑是一项重中之重的措施， 我国电网的线损率2005年为6.59%，较国际先进水平（小于5%）还有较大差距，用一个粗略的估计，如果线损率降低1%，相当于每年少耗煤近千万吨。大量存在于电网中的电力变压器，因过度轻载或重载都会带来数值可观的有功和无功损耗，这个损耗无疑是线损的重要组成部分。因此，根据电网实际负荷水平适时对运行变压器按经济负荷自动进行投退控制将会大幅度降低损耗。显然，利用励磁涌流抑制技术使变压器的自动投入一次成功，是自动投退装置的重要技术基础。

【关键词】线损  励磁涌流抑制  自动投退

 

0．引言

变压器是电力系统的重要主设备，电能送达用户平均要经历五次变压，因此电力系统中的变压器数量也是惊人的，有数据表明，全国电力系统总发电量的30%都损耗在变压器上。。变压器在运行过程中将产生两种损耗，即铁耗与铜耗，铁耗与变压器负荷大小无关，只要挂网就产生铁耗，其数值与电压的平方成正比，铜耗与变压器负荷电流的平方成正比。为了减少变压器的有功损耗，降低电网中的无功环流，应该采取提高变压器一次侧的功率因数的措施。但是当变压器处在轻负荷状态（小于额定容量的30%）时，尽管二次侧的负荷功率因数不变，但变压器一次侧的功率因数则会随着负荷的减小而降低，导致损耗增加。因此，一般当变压器负荷长期低于30%时应更换容量较小的变压器，或是在低负荷时切除并联变压器中的轻负荷变压器。图0-1为变压器一次侧功率因数与负荷功率S的关系曲线，可以看出负荷越轻，功率因数越低。

 

1．自动投切变压器的必要性

运行变压器的损耗除铁耗外，还包括有功损耗、无功损耗，而变压器的无功损耗占整个电网无功损耗的80%。因此，为了达到电网节能降耗的目的，一个重要措施就是根据变压器负荷的变化，适时的切除轻载变压器，和适时的投入停运变压器以迎接负荷的增长。图1-1是两台并联运行变压器的接线图，人们可以通过变压器T₁、T₂一次侧的断路器B₁、B₃进行投切控制，图1-2是二台并联运行变压器在不同组合方式下总功率损耗△S与负荷功率S的关系曲线。合理的运行方式是：

T₁单独运行时，如负荷大于S₁（a 点）投入T₂、切除T₁，当负载小于S₁时则投入T₁、切除T₂；

T₂单独运行时，如负荷大于S₂（b 点）时再投入T₁，T₁、T₂两台变压器并联运行，当负载小于S₂时则切除T₁，而当负荷小于S₁时投入T₁、切除T₂。

a点对应的S₁称为单列运行的临界功率，b点对应的S₂称为并列运行的临界功率，其值由并列运行各变压器的损耗特性曲线获得。

显然，这种按负荷进行投切控制将会大幅减少损耗，降低电网线损。

 

2．自动投切变压器需要解决的问题

归纳起来，自动投切变压器需要解决如下五个问题：采用合理的投切功率整定值，以免出现在临界功率定值上下波动时导致频繁投切；要防止空投变压器时励磁涌流导致空投频频失败；变压器自动投切装置和变压器备用电源自动投入装置的合理配合；如何保证两台或多台变压器运行累计时间的均衡性，为获得最大限度的的减少投切次数，控制装置应具备负荷预计功能。

2-1．自动投切装置的起动功率定值的确定

在图1-2中选择当负荷功率达到S₁ 或 S₂ 时要起动投切控制，不难想到，如果负荷功率在S₁ 或S₂上下波动时必将导致频繁投切，其结果会诱发系统的扰动和断路器的损坏。解决这一问题的途径可通过设置功率起动定值不是单一的一个功率值Sq ，而是一个宽度为±△Sq的带，如图2-1所示。当实测功率在带内±△Sq波动时投切装置不起动，只有在超过+△Sq时的a 点才起动“投”变压器，或是在超过-△Sq时的b点才起动“切”变压器。

2-2．空投变压器励磁涌流的抑制

我们分别在2004年及2005年向国家知识产权局申请了两项关于电力变压器励磁涌流抑制方法及装置的发明专利，由此两项专利转化的SID-3YL系列涌流抑制器已在国内诸多发电厂及变电站投入运行，取得了良好的效果。该涌流抑制器通过记录变压器断电时的剩磁极性，并在空投上电时捕捉相应的合闸相位角，产生与剩磁极性相反的偏磁，使变压器磁路不进入饱和状态，进而实现对励磁涌流的抑制乃至消灭。由于三相磁路的剩磁极性与变压器断路器的分闸相位角相关，而三相电压相位角相互差120º，所以三相剩磁的极性也相应有正也有负。同样，合闸时的三相偏磁极性也有正有负，正好每相的偏磁极性都和相应的剩磁反向。所以，这一专利技术最大的特点就是支持三相联动操作断路器，而不需要三相分相操作断路器，这就创造了对于任何电压等级的断路器都能使用该涌流抑制器的广阔环境。

由于有了可以保证变压器空投一次成功的励磁涌流抑制器，因此电力变压器自动按经济负荷投退就成为一项可行的无扰动控制。

2-3．变压器自动投退控制装置与备用电源自动投入装置的配合

由于常规的备用电源自动投入装置是在工作变压器电源因故降跳闸时才起动投入备用变压器的，因此，当给两台或多台变压器配备了自动按经济负荷投退装置后应该在进行投退操作时闭锁备自投装置，避免产生装置误动。

2-4．变压器自动投退控制装置应保证各台变压器运行累计时间相近

基于节能降耗的目的，通过自动投退装置对变压器进行投退控制，除了考虑总损耗最低的要求外，还应保证做到各台变压器的运行累计时间所引起的老化程度相近。装置采用记录每台变压器的有功及无功电能，与各该变压器的额定容量的比值作为变压器老化程度的参数指标，以此指标为依据控制各变压器的运行累计时间。

2-5．负荷预计功能

负荷预计功能可减少变压器的投切频度，例如根据实时总负荷应切除一台变压器，但根据预计负荷曲线很快变压器负荷将增加，此时即可取消拟进行的切除一台变压器的操作。自动投退装置可通过两种方式实现负荷预计，一是上级调度通过SCADA系统将近期负荷预计曲线发送给装置，一是通过装置的通讯接口将近期负荷预计曲线就地输入装置。

 

3．变压器自动投退控制装置的构成

装置结构如图3-1所示，其由如下部件组成。

3-1．有功及无功功率、电能测量部件

    该部件接收来自各变压器的电压及电流信号，获取有功功率、无功功率，有功电能及无功电能等参数，作为控制部件的投退控制依据，这些数据也可来自于测控装置。

3-2．参数设置及显示部件

该部件用以设置投退功率定值、定值带宽、均衡老化度运行时间分配定值等参数，并提供相应信息显示。

3-3．控制部件

用于根据测量部件和参数设置部件的信号，通过涌流抑制器实施投退控制。

3-4．涌流抑制器

根据设置的断路器分、合闸时间及控制方式等参数实行对变压器无涌流空投，并记录空投时段的变压器电源侧电流波形。

图3-2为两台变压器的自动投切系统图。

应该指出，两台和多台变压器并联运行应满足如下条件：各变压器变比相同、接线组别相同、短路电压相同，以避免产生有害的环流。在这些条件满足的前提下，变压器自动投切装置就不需考虑变压器间的负荷分配问题。

3-5．通讯接口

装置设有RS-485串口及RJ45以太网接口，实现与变电站综自系统上位机的通讯。

 

4． 三绕组变压器并联运行自动按负荷投退控制的特点

多台三绕组变压器并列运行时根据高、中、低压侧负荷分配情况确定运行方式，同样要按各台变压器的损耗特性曲线获取各电压侧的分列运行临界功率和并列运行临界功率，进而实施投退控制，确定是单台间切换、还是单台转并列运行、或是并列运行转单台运行。

与双绕组变压器一样，也需要监测三侧的有功和无功功率，在实测功率进入功率临界区间时进行切换。

三绕组变压器如三侧都有电源，则应在三侧开关的合闸控制回路都要配置涌流抑制器，以抑制空投电源时的励磁涌流。各侧涌流抑制器的配置如图4-1，涌流抑制器之间相互发布分闸时间及分闸电压相位角的信息，以确保在变压器从正常电状态空投上电时对励磁涌流的抑制。

 

5． 结束语

节能降耗是作为国民经济命脉的最大能源供应者——“电力系统”必须高度重视的工作，这项工作是建设节约型社会的重要基础，而变压器的无功损耗占电网无功损耗的80%以上，因此，减少变压器的损耗是电力工作者的一项重要任务。降耗的途径有两个：即避免变压器轻载运行，和适时切除轻载变压器。电力变压器自动按负荷投退装置无疑是顺应这一需求产生的节能型设备，励磁涌流抑制器技术是支持这一功能的重要技术基础。