自動投切裝置在變電站變壓器中的應用經濟性分析

崔建軍

（太原市熱力集團有限責任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

現階段，節能降耗已經成為我國社會可持續發展的基本國策，變壓器作為電力系統中最重要的設備，科學的規劃對于降低電能損耗、減少運維成本有著重要的作用。但目前而言，我國電網的自動化水平較低，大部分變電站管理單位均采用人工投切的方式，極大地降低了電能利用率，同時，也造成了電網運行成本的提高[1]。

1 某工業企業變電站變壓器節能運行方案

某工業企業由1 臺630 kWA 和1 臺400 kWA 的變壓器供應電力。經過檢測，該企業典型日電力負荷情況如圖1 所示，該企業變電站2 臺變壓器的運行方式為并列運行，在用電負荷較低時，變壓器會有較大的空載損耗，嚴重影響了用電的經濟性。因此，本次改造提出改變變電站變壓器供電形式，將變電站內部的630 kWA 變壓器更換為2 臺315 kWA 變壓器，并配置自動投切裝置。根據該企業的電力應用情況，在用電量較小時，1 臺變壓器投入使用。當用電量處于中間段時，并列2 臺變壓器運行。當企業處于用電高峰時，3 臺變壓器以并列的方式運行，以此滿足企業電力峰值的應用需求。如果其中1 臺變壓器出現故障時，能夠利用另外2 臺變壓器為企業供電，并對故障變壓器進行維修。

圖1 典型日某企業電力負荷情況

2 變電站變壓器自動投切裝置的設計

2.1 硬件部分的設計

1）PZK-56（E）中央處理器，該處理器通信口為9個，其中，有2 個RS232 通信口，7 個RS485 通信口，能夠滿足自動化電壓、電流監控和自動信號指令的傳輸需求。

2）采樣板。主要用于變壓器高低壓測的電流和電壓監測，采樣板采用微型高精度電流輸出型互感器。

3）開入開出量板。該元件包括遙感信號的輸出和輸出，開入量板留有16 路開關位置，并無外源節電，節電容量為AC 220 V/5 A。

4）顯示板采用STC89C516RD 單片機，并配備有LCD 液晶顯示屏和LED 指示燈以及功能按鍵，可用于監控電壓、電流數值的顯示。

2.2 軟件部分設計

本次軟件部分的設計主要采用模塊化設計思想，將整個裝置的控制分為主程序和子程序兩部分，不同的子程序獨立控制。其中，主程序負責系統硬件的自檢、初始化，信號的采集、處理以及子程序的調用。子程序模塊主要包括通訊功能模塊、失壓保護功能模塊、單邊運行功能模塊和經濟運行功能模塊。具體的軟件設計如下。

1）主程序的軟件邏輯設計：在裝置通電時，主程序運行，并對系統進行初始化操作，然后進行參數設置。通過采集板采集變壓器電壓、電流信號，將采集到的信號代入預先設定好的入決策程序中進行處理，從而得出變壓器運行功率，以此決定模塊的調用實現變壓器的自動投切。

2）失壓保護邏輯程序設計：在主程序檢測到變壓器出現失壓情況時，首先對進線部分的斷路器位置進行檢查，如果處于分閘位置，則檢測斷路器上樁是否有電壓。如果沒有電壓，則退出邏輯子程序并在顯示界面報警。如果上樁有電壓，則檢測下樁是否失壓。如果有壓，則退出邏輯子程序，并在顯示界面報警。如果下樁無壓，則對開孤雁彈簧進行檢測，查看其是否儲能。如果儲能，則執行斷路器合閘操作。

3）經濟運行軟件邏輯程序設計：在系統運行到達設定時間后，變壓器高壓側開關自動合閘，同時，對低壓側電壓進行檢測。如果無壓，則退出子程序，并根據分閘需要投切變壓器的高壓側開關。如果有壓，則控制變壓器低壓側開關合閘，此時如果母聯開關合閘，則退出子程序。如果分閘，則將母聯開關自動合閘后，結束子程序。如果單邊運行投切完成后變壓器存在過載情況，則將母聯開關合閘，將兩組變壓器的高壓開關合閘，實現兩組變壓器并列運行。在運行后依舊出現過載情況，則將最后一組變壓器并列其中，形成3臺變壓器并列運行模式，之后退出程序。經濟運行軟件邏輯程序合閘間隔時間需要工作人員根據實際情況進行預先設定，為了避免變壓器的頻繁切換，在高峰時段8：00—19：00 只投入、不切斷。

3 自動投切裝置實驗檢測

為了驗證自動投切裝置的可靠性，本次建立實驗臺，并將自動投切裝置應用其中。實驗平臺為配電網靜態模擬系統，實際變電站中的電器元件均由模擬原件代替。在本次實驗中，共配置3 臺模擬變壓器，容量均為315 kWA。其中，1 號變壓器高壓側開關對應S1號按鈕、低壓側開關對應S4 號按鈕。2 號變壓器高壓側開關對應S2 號按鈕、低壓側開關對應S5 號按鈕。3號變壓器高壓側開關對應S3 號按鈕、低壓側開關對應S6 號按鈕。按鈕連通顯示燈光為綠色，斷開顯示為紅色，經濟運行程序合閘時間間隔設置為30 min。經過實驗檢測，具體結果如表1 所示。

表1 不同負載條件下自動投切裝置執行情況

由表1 可知，當負載小于315 kW 時，3 臺變壓器定時循環切換。當315 kW＜負載≤630 kW 時，3 臺變壓器中有2 臺并列運行，且定時循環切換。當負載大于630 kW 時，3 臺變壓器并列運行。根據實際負載功率的不同進行變壓器的切換，能夠有效降低變壓器的有功損耗，對提高電網運行穩定性也有著重要的作用。

4 自動投切裝置在變電站變壓器方面的實際應用

4.1 應用效果分析

在本次變電站改造過程中，將1 臺630 kWA 的變壓器更換為2 臺315 kWA 的變壓器，并將自動投切裝置應用其中。其中，變壓器切換時間設置為30 d，經過對典型日3 臺變壓器負荷情況的檢測發現，3 臺變壓器負荷情況如圖2 所示。

圖2 典型日變電站變壓器投入情況（1 為變壓器未投入，2 為變壓器投入）

由圖2 可知，典型日變電站變壓器投入情況與該工業企業用電負荷趨勢一致，并且能夠滿足工業企業的用電負荷需求。在低壓時段僅有1 臺變壓器運行，可有效降低無功損耗。為了避免變壓器的頻繁切投，本次系統將變壓器循環更換時間設置為30 d，在30 d后，由2 號變壓器長時間運轉，1 號變壓器轉換為2號變壓器運轉方式。由圖2 中3 臺變壓器切投趨勢來看，并無頻繁切換現象。因此，該自動投切裝置符合變壓器的應用需求。

4.2 經濟性分析

對典型日3 臺變壓器負荷情況分析發現，在單臺變壓器投入時，所占據時間約為11.5 h。2 臺變壓器投入時，所占據時間約為1 h。3 臺變壓器投入時，所占據時間約為11.5 h。經計算，S11-R-315/10 變壓器的年電能損耗為12 004.78 kW·h，S11-R-400/10 變壓器的年電能損耗為14 450.05 kW·h，S11-R-630/10 變壓器的年電能損耗為22 288.36 kW·h。在未改造之前，2 組變壓器并列運行，年損耗電能為36 738.41 kW·h。自動投切裝置運行后，變電站年損耗電能為25181.25kW·h，每年可節約電能11 557.16 kW·h。該地方工業用電價格為0.72 元/kW·h，每年能夠節約電費8 321 元。本次所增加自動投切裝置花費約20 000 元，3 a 便能收回成本。自動投切裝置電器元件壽命為15 a，在自動投切裝置整個生命周期，能夠減少10.48 萬元電能成本。

5 結論

1）對某工業企業變電站電能負載情況進行分析，提出變電站改進思路。

2）對變電站變壓器自動投切裝置進行實驗驗證，結果表明，自動投切裝置能夠滿足本文所設計的經濟運行方案。

3）將自動投切裝置應用于某工業企業變電站中，結果表明，自動投切裝置的應用符合企業電力需求。經計算，應用自動投切裝置后，每年能夠降低11 557.16 kW·h 電能損耗，全年能夠節約8 321 元，在自動投切裝置的整個生命周期中，能夠減少10.48 萬元的電能消耗。