變壓器經濟運行自動投切裝置設計及試驗

趙淑莉

（山西焦煤霍州煤電有限公司公共事業服務分公司， 山西 臨汾 031400）

引言

煤礦供電系統是設備運行完成生產任務的動力，變壓器作為供配電系統的主要設備之一，其承擔著電能功率的傳遞和變壓任務。統計表明，變壓器在實際應用中其自身耗能占據總耗能的6%左右。也就是說，變壓器具有極大的節能空間。目前，雖然在煤礦生產中已經采用了高效節能的變壓器，但是就其運行方式而言可存在極大的改進，保證其處于經濟運行的狀態[1]。因此，根據煤礦供電系統的工況對變壓器經濟運行方式進行自動投切尤為重要。本文重點對變壓器經濟運行方式的自動投切策略及裝置進行設計，并對其經濟運行效果進行驗證。

1 變壓器經濟運行理論

在實際應用中，變壓器的工作損耗可以分為空載損耗、短路損耗兩類。其中，空載損耗主要指的是變壓器有功功率的損失，短路損耗指的是變壓器無功功率的損失，有功功率損耗與無功功率損耗之和為綜合功率損耗[2]。從理論上講，變壓器的損耗與其所承擔的負載有關。

變壓器經濟運行，指的是確保其所承擔負載系數的上限控制在1、下限為βJZ2。當變壓器復雜系數位于1.33βJZ2和0.75 之間時，說明其工作狀態處于最佳經濟運行區域。

目前，煤礦供電網絡中常見的變壓器類型為雙繞組變壓器，本文以雙繞組變壓器展開一系列的研究。根據供電方式的不同，可將變壓器運行方式分為并列運行和分列運行。對于并列運行的變壓器而言，可通過基于符合對其運行方式進行調節從而達到經濟運行的目的；對于分列運行變壓器，主要通過保證各個變壓器的工況位于其各自經濟運行區間，最終實現網絡中變壓器的經濟運行。

2 變壓器自動投切裝置的設計

保證變壓器根據負載的變化投切至最佳經濟運行區間為節能運行的主要措施之一。但是，在實際實施過程中，采用人工投切方式不僅效率低下，而且存在誤動作的問題。因此，設計一款自動投切裝置實現變壓器根據負載變化的自動投切功能，對變壓器運行的安全性和節能性具有重要意義[3]。

結合實際應用需求，變壓器自動投切裝置需采集變壓器的電壓、電流等參數信號換算得出實時負載情況；然后，對比變壓器的運行狀態、斷路器狀態等開關量進行采集，并結合第一步所獲取的負載情況判斷變壓器投入和切除的條件，并得出相應的控制指令。

本工程中，變壓器自動投切裝置所采用的核心處理為DSP，具體型號為DSP2812 控制器，該控制器對應的主頻為96 MHz；該裝置采用AD7607 數據采集芯片對變壓器電壓、電流及斷路器的狀態進行采集；采用RS485 通信芯片實現控制器與上位機的通信。

該自動投切裝置上位機顯示器采用以單片機為CPU 的LCD 液晶顯示屏，通過顯示器可實時掌握變壓器運行的實時電壓值、電流值及負載情況；同時，顯示器可對變壓器及自動投切裝置的動作、故障、運行、通信等運行狀態進行顯示。

3 變壓器經濟運行自動投切策略

基于對變壓器經濟運行理論的深入研究可知，實現變壓器處于其最佳經濟運行區域的核心在于保證變壓器能夠根據負載對其運行方式進行調整控制。而在實際應用中，其調整控制的依據為臨界負載功率。鑒于煤礦生產工況的復雜性，其對應的負載處于動態變化并且可能在負荷臨界的位置上下波動，按照最初的投切策略，變壓器需頻繁切換工作狀態，極易導致供電網絡的不穩定和不安全。因此，結合煤礦實際生產工況制定切實、有效、穩定的自動投切策略是非常有必要的。

鑒于變壓器并列運行和分列運行兩種狀態下實現經濟運行方式所依據的臨界負荷值及其負載的分配規律存在極大的差異。以分列運行變壓器為主，本小節將對分列變壓器的自動投切策略進行優化。配電室分列運行變壓器的參數見表1。

表1 配電室分列運行變壓器關鍵參數

經調研，1 號變壓器在實際運行時的臨界負載功率與實際負載功率的對比如圖1 所示。

圖1 1 號變壓器臨界負載功率與實際負載功率對比

目前，所有變壓器的控制主要通過判斷1 號變壓器臨界負載功率和實際負載功率的大小進行決策。當實際負載功率大于臨界負載功率時，1 號和2號變壓器分列運行；當實際負載功率小于臨界負載功率時，1 號變壓器單獨運行。

為減少變壓器在正常工況下的切換次數和避免在負載波動時頻繁切換的問題。本工程基于模糊決策法和時段控制法將自動投切點改進為自動投切區間，從而降低自動投切裝置對符合曲線的依賴性，提升其投切的靈敏性。優化后的自動投切區間見表2。

表2 分列運行變壓器自動投切區間

4 結語

本文重點完成了變壓器投切裝置的自動化設計和切換策略的優化，總結如下：

1）基于DSP 控制為核心和數據采集芯片對變壓器的運行狀態及斷路器狀態進行采集，實現自動投切功能。

2）將傳統的投切點采用模糊決策法和時段控制法將投切點優化為投切區間，不僅減少了變壓器的投切數量，還能夠達到每天節約3.41 kW·h 的效果。