孔繁婷，王陽，楊浩，陳健，盧林

（1.天津天傳電控設(shè)備檢測有限公司，天津 300300；2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

“雙碳”即碳達峰、碳中和，2021 年首次被寫進政府工作報告中，成為家喻戶曉的“熱詞”。這一概念最早出現(xiàn)在2014年11月12日于北京發(fā)布的《中美氣候變化聯(lián)合聲明》中，美國提出2025年計劃實現(xiàn)碳達峰。2020 年9 月，中國在聯(lián)合國大會上向世界宣布了2030 年“碳達峰”與2060 年“碳中和”的目標(biāo)。

分析近年電力行業(yè)的變壓器能效提升計劃、全國碳市場正式開放以及國家對企業(yè)節(jié)能政策的補貼等，可以得出這一結(jié)論：從國際形勢到國家政策，低碳環(huán)保、節(jié)能減排是一場不容松懈的攻堅戰(zhàn)。電力行業(yè)一直在低碳環(huán)保、節(jié)能減排的方向上不斷研究與探索。新能源發(fā)電、高壓輸電技術(shù)、變壓器的能效提升、變頻器的節(jié)能認(rèn)證等，無論是發(fā)輸電領(lǐng)域還是變配電領(lǐng)域，都在積極研究節(jié)能問題。

高壓/低壓預(yù)裝式變電站（簡稱“箱變”或“箱式變電站”）是一種將高壓開關(guān)設(shè)備、配電變壓器和低壓開關(guān)設(shè)備、低壓補償設(shè)備按照一定接線方式組成的配電終端設(shè)備[1]。隨著城鄉(xiāng)發(fā)展電網(wǎng)不斷擴容，箱變的裝機容量也在不斷增加。它作為電網(wǎng)配電環(huán)節(jié)的中堅力量，不僅需要做到應(yīng)用安全便捷、運行穩(wěn)定無誤，更重要的是還要足夠節(jié)能環(huán)保[2]。近幾年，箱變的節(jié)能性研究越來越多，從元器件的選擇到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，大量的改進產(chǎn)品涌向了市場。例如，有的箱變選擇節(jié)能型配電變壓器以求達到節(jié)能效果[3]；有的箱變簡化低壓補償回路，選擇智能電容器作為補償元器件；還有的箱變優(yōu)化外殼設(shè)計方案，取代風(fēng)扇散熱[4]。因此，市場存在著各種改進的箱變產(chǎn)品，但目前在檢測技術(shù)領(lǐng)域沒有一套成熟的試驗方法來對箱變產(chǎn)品的損耗進行測定，也沒有一套評價標(biāo)準(zhǔn)來對箱變節(jié)能性進行認(rèn)證。針對以上存在的問題，本文將圍繞著解決箱式變電站損耗測量方法及優(yōu)化方案兩個方面進行研究與討論，最終制定一套合理的試驗方案對箱變產(chǎn)品的損耗進行測定。

1 損耗測量方法與優(yōu)化方案

1.1 概述

箱式變電站的損耗主要來源包括變壓器、低壓室及低壓連接線、高壓室及高壓連接線、輔助/控制回路等4個部分。先對箱變進行溫升試驗，待箱變溫升達到穩(wěn)定時，測量箱變的損耗。箱變的功能單元、元器件眾多，不同單元需要逐一分析。

變壓器損耗作為箱變損耗的主要部分，需要精準(zhǔn)考察。變壓器損耗包括負載損耗和空載損耗兩部分[5]。變壓器的負載損耗受環(huán)境溫度影響較大，測量得到的負載損耗需要折算到參考溫度下，因此認(rèn)為變壓器不需要與箱變其他功能單元一樣待溫升穩(wěn)定時進行損耗測量。而箱變的高壓室、低壓室以及輔助/控制回路的損耗測量要在溫升穩(wěn)定后進行。

低壓室將變壓器低壓側(cè)脫開，低壓連接線短路，低壓連接線的短路點要盡可能地選擇靠近變壓器。低壓室配電回路試驗電源與低壓開關(guān)設(shè)備出線端連接，主回路電流為受試變壓器的低壓側(cè)額定電流，應(yīng)對低壓室補償回路通額定電壓進行試驗，所有補償回路電容均處于投入的工作狀態(tài)。

高壓室試驗電源與高壓開關(guān)設(shè)備的進線端子連接，高壓開關(guān)設(shè)備應(yīng)通受試變壓器高壓側(cè)總損耗電流進行溫升試驗（因為要彌補變壓器的空載損耗，所以要通總損耗電流進行試驗）。變壓器室的散熱會影響高壓室和低壓室的試驗結(jié)果，所以變壓器不進行溫升試驗的考察，要與高壓室、低壓室同時進行試驗。

變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備及高壓連接線、低壓設(shè)備及低壓連接線的溫升試驗同時進行[6]，試驗接線圖如圖1所示，當(dāng)各部分均達到溫升穩(wěn)定后，方可進行箱變各部分損耗的測量。

圖1 溫升試驗示意圖Fig.1 Diagram of temperature rise test

以上是損耗測量的一個總體方案，下面就不同單元的試驗方案具體實施及優(yōu)化進行詳細描述。

1.2 變壓器損耗測量方法與優(yōu)化方案

變壓器的損耗包括空載損耗和負載損耗兩部分，試驗均選在變壓器的主分接上進行。

空載損耗反映了箱變在網(wǎng)不運行時變壓器損耗。變壓器長久在網(wǎng)通電即會產(chǎn)生損耗，是反映變壓器節(jié)能性的重要參考指標(biāo)。試驗測量方法是將變壓器高壓側(cè)斷開，低壓側(cè)施加額定電壓，用功率分析儀測得的有功功率即為空載損耗。

負載損耗是箱變帶負載運行時所產(chǎn)生的損耗，受環(huán)境溫度影響比較大，因此其測定值要折算到參考溫度下計算負載損耗值，這樣的數(shù)據(jù)才具有比較價值。試驗測量方法是：將變壓器低壓側(cè)短接，高壓側(cè)施加額定電流，用功率分析儀測得的有功功率即為負載損耗。因為變壓器負載損耗需要折算，所以認(rèn)為變壓器不需要同箱變其他功能單元一起進行溫升試驗后再進行損耗測量。變壓器的溫升試驗要達到穩(wěn)定需要的時間較長，采用這種折算的方法不但提高了試驗的準(zhǔn)確性，同時還提高了試驗的效率。

負載損耗的折算步驟如下：

1）負載損耗測量溫度下的高壓繞組與低壓繞組值R2根據(jù)下式進行計算：

1.3 低壓室及低壓連接線損耗測量方法與優(yōu)化方案

低壓連接線損耗不可忽略，選擇的處理方法是將它與低壓室看做一個整體同時進行測量。

低壓配電回路的溫升方案選擇。不同箱變低壓配電回路不盡相同，不同的溫升方案也會影響到損耗測量結(jié)果。通常情況下有兩種溫升方案可供選擇。方案1 采用極值法進行溫升試驗，將每一條支路都通額定電流，直至達到主回路總電流為止。這種溫升方案做到了對支路開關(guān)的發(fā)熱量極限值考察，但通常支路電流的總?cè)萘慷急容^大，這種溫升方案只能考察很少一部分回路的損耗。方案2采用電流平均分配法進行溫升試驗，將總電流平均分配到每條支路上，每條支路都進行溫升試驗，這種方案雖然可以測得每條支路的損耗，但每條支路的試驗電流數(shù)值都很低，無法反映真正的發(fā)熱情況，因此這種狀態(tài)下發(fā)熱情況對損耗的影響是不準(zhǔn)確的。以630 kV·A 箱式變電站為例，對比兩種溫升方案，結(jié)果如表1所示。從表1 能清楚地看到方案1 考察的支路數(shù)過少，而方案2支路的電流值過低。

表1 兩種溫升方案對比Tab.1 Comparison of temperature rise scheme

分析以上兩種方案的不足，本文提出一種比較合理的溫升方案：溫升發(fā)熱主要由電阻引起，因此在溫升試驗前可以先測定各支路的回路電阻值，然后選定回路電阻值最大的支路，該支路的溫升試驗電流值為額定電流值×0.8（0.8為分散系數(shù)）；再選定回路電阻值次大的支路，該支路的溫升試驗電流值為額定電流值×0.8；以此類推，直至總電流數(shù)達到主回路額定電流值為止。這種優(yōu)化方案優(yōu)點有兩個：1）選擇使用分散系數(shù)，在保證發(fā)熱的前提下降低了一定的溫升電流值，增加了通流回路的支路數(shù)；2）以回路電阻值的大小作為參考依據(jù)，從大到小依次選擇通流支路，使得試驗更有目的性地考察了發(fā)熱量更高、損耗更大的支路。低壓補償回路保證每路電容器均在正常投入的情況下進行溫升試驗并且測量損耗值。

損耗的測量。理論上溫升穩(wěn)定時立即測量損耗，但測量設(shè)備的敷設(shè)需要打開箱變的門，測量設(shè)備的調(diào)試又需要一定時間，這個時間差會使低壓室的溫度值降低，損耗測量值也降低，這樣得到的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。為了解決這個問題，本文采用的方法是提前將功率分析儀安裝調(diào)試好，電壓探頭測量低壓室出線端電壓值，電流鉗測量低壓室出線端電流值，功率分析儀測量電壓、電流、有功、無功等值，其有功功率則為損耗值。低壓連接線處采用的是短接處理，因此出線端的測量值則為損耗值。這種方法還可以實時監(jiān)測每一時刻的損耗變化情況，測量結(jié)果的可信度更高。

采用上述的試驗方案進行試驗驗證，實測一個630 kV·A的箱式變電站的低壓室損耗數(shù)據(jù)，如圖2 所示。圖2a 為溫升試驗開始時的損耗數(shù)據(jù)，圖2b 為溫升試驗結(jié)束時的損耗數(shù)據(jù)。試驗進行6 h，每1 h的損耗值均可以監(jiān)測到，從數(shù)據(jù)角度分析，溫度的升高確實會影響到損耗值。

圖2 低壓側(cè)損耗試驗數(shù)據(jù)Fig.2 Loss data for low-voltage side

1.4 高壓室及高壓連接線損耗測量方法與優(yōu)化方案

高壓連接線的損耗同低壓連接線的損耗一樣，是不可忽略的，選擇的方法也相同，高壓連接線的損耗與高壓開關(guān)設(shè)備損耗一同測量。

高壓室溫升方案。高壓室及高壓連接線在做溫升試驗時為了保證變壓器發(fā)熱的影響，變壓器與高壓室一同進行溫升試驗，但是不對變壓器的溫升進行考察。高壓室的試驗電源與高壓開關(guān)設(shè)備的進線端子連接，為了補償變壓器的空載損耗，高壓回路需要通受試變壓器高壓側(cè)總損耗電流進行溫升試驗，總損耗電流采用下式計算：

式中：In為高壓側(cè)額定電流；P0為空載損耗。

此時的總損耗要采用變壓器折算后的負載損耗進行計算。變壓器總損耗電流比高壓開關(guān)設(shè)備的額定電流低很多，因此高壓室的發(fā)熱量很低，損耗基本產(chǎn)生于線路損耗。

損耗的測量。試驗在變壓器低壓側(cè)進行短接，直接導(dǎo)致提前在高壓開關(guān)設(shè)備出線端敷設(shè)好的功率分析儀測量的是變壓器、高壓連接線和高壓開關(guān)設(shè)備三部分總的損耗數(shù)據(jù)。想要得到高壓室及高壓連接線單獨的損耗值有兩種實現(xiàn)方案。方案1：溫升穩(wěn)定后，迅速開門拆線，將高壓連接線短接，然后采用功率分析儀測量的有功功率即為高壓室及高壓連接線損耗值；方案2：在高壓連接線處再敷設(shè)一套功率分析儀進行功率測量，此處測量得到的有功功率與高壓開關(guān)設(shè)備出線端測量得到的有功功率作差即可得到損耗值。

選擇630 kV·A 的箱式變電站對以上兩種方案進行了驗證，并且對結(jié)果進行了比較。圖3 為采用方案1進行測量得到的高壓室及高壓連接線的損耗數(shù)據(jù)，損耗值為50.3 W。圖4為采用方案2進行測量得到的高壓室及高壓連接線的損耗數(shù)據(jù)。圖4a 中高壓開關(guān)設(shè)備進線端功率為6 137.2 W，圖4b 中高壓開關(guān)設(shè)備出線端功率為6 086.3 W，計算得到高壓室及高壓連接線的損耗為50.9 W。從數(shù)據(jù)看出兩種方案結(jié)果相差無幾，主要原因是變壓器總損耗電流比高壓開關(guān)設(shè)備的額定電流低很多，高壓室的發(fā)熱量很低，所以開門散熱對損耗影響相對較低。從數(shù)據(jù)中也可以看出，高壓側(cè)的損耗本來就比較低，因此為了結(jié)果更加準(zhǔn)確，在試驗設(shè)備充足的前提下，選擇方案2會使試驗過程更加便捷，效率更高，結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖3 高壓室損耗試驗數(shù)據(jù)（方案1）Fig.3 Loss data for high-voltage side（scheme 1）

圖4 高壓室損耗試驗數(shù)據(jù)（方案2）Fig.4 Loss data for high-voltage side（scheme 2）

1.5 輔助/控制回路損耗測量方法與優(yōu)化方案

輔助/控制回路不需要進行溫升試驗，損耗測量有兩種方案可供選擇。方案1：找到全部輔助/控制回路的一個公共取電端，然后給定電壓，用功率分析儀測量損耗值。方案2：高壓室、低壓室的輔助/控制回路單獨測量，然后相加得到輔助/控制回路的損耗。兩種方案的區(qū)別不大，但原則是要將全部輔助/控制回路的損耗都進行測量。采用方案1 同樣對上述630 kV·A 箱變的輔助/控制回路的損耗進行了測量，測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 輔助/控制回路損耗試驗數(shù)據(jù)Fig.5 Auxiliary and control loop loss test data

1.6 其他

回路電阻值作為其他試驗的參考值，它的測量值也受到環(huán)境溫度的影響。為了得到的數(shù)據(jù)更加有參考意義，要將測量值折算到參考溫度20 ℃下進行電阻值的比較，這樣得到的比較結(jié)果更加客觀。

2 思考與總結(jié)

本文比較全面地對箱變的損耗測量方法進行了分析、比較與優(yōu)化處理，提出了一套系統(tǒng)的試驗方法。首先，測量低壓側(cè)各個回路電阻值并按參考溫度進行折算。然后，測量變壓器空載損耗和負載損耗，負載損耗按照變壓器的參考溫度進行折算。最后，對高壓室、變壓器室、低壓室同時進行溫升試驗。高壓室與變壓器室相連進行溫升試驗并且測量高壓室輸入、輸出兩端的有功功率，相減即為高壓室損耗。低壓室采用前文所述優(yōu)化的溫升方案進行試驗并且測量輸出端有功功率，即為低壓室損耗。輔助/控制回路不需要進行溫升試驗，單獨給控制電測量損耗。各部分測量完成后，損耗數(shù)據(jù)相加即為箱變總損耗。采用該試驗方法可以高效準(zhǔn)確地得到箱變的損耗值，是掌握判定箱變節(jié)能性的最直接的數(shù)據(jù)，為箱變節(jié)能性認(rèn)證提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。試驗方法具有一定的普適性，對各種類型、容量的箱變均適用。文中也對試驗方法的可行性進行了驗證，得到了預(yù)期的數(shù)據(jù)結(jié)果。

在試驗方法的研究過程中，還存在著各種問題引起了一些思考，做出總結(jié)如下：

1）如果低壓補償回路只由電容器組成，那么這部分的損耗能否按照損耗角正切值乘以電容器容量來計算獲得？如果不進行低壓補償回路的帶電測試，試驗會更加安全。

2）試驗站的試品都是未裝有計量單元的箱式變電站，但真正裝機到配電終端的箱式變電站都是裝有計量單元的，計量單元的損耗和測試又是如何界定的？

3）隨著試驗方法的確定，與之相應(yīng)的評價方案也是值得思考的，綜合評價損耗總值或者損耗占比哪種方法更加合理呢？

以上問題是目前箱變節(jié)能性研究尚未解決的問題，有待在未來的研究中得到解決。