10KV馈线自动调压器设计与应用

10KV馈线自动调压器设计与应用
摘要：农村电网点多、面广、线路长、电力负荷季节性强、昼夜波动大，传统调压方式有许多不足之处。

而10KV配电线路主要集中于农网，本文设计了了一种新型的10KV馈线自动调压器。

通过在线路中端加装自动调压器可以改善整条线路的电压质量。

关键词：农村电网、调压装置、10KV馈线、电能质量
Abstract: the rural electricity much site, universal, long lines, electric power load seasonally strong, large variation day and night, the traditional pressure regulating means has many disadvantages. And 10 KV power distribution lines mainly focus on rural, this paper designed a new type of it 10 KV automatic feeder pressure regulator. Through the in a circuit with automatic pressure regulator can improve the whole line voltage quality.
Keywords: rural power grid, pressure regulating devices, 10 KV feeder, power quality
1 引言
随着建设社会主义新农村的进一步深入，电能质量日益受到供电企业和电力用户的极大关注和重视。

农村电压合格率、供电可靠性、无功管理、谐波管理等工作从无到有，正在逐步走向规范，从单纯的技术性问题，演变成为生产管理和营销优质服务同时相关的内容。

目前，农网的发展速度、发展质量与城网和主网相比较还有很大的差距。

农网网架薄弱装备技术水平较低、低于自然灾害能力较差。

农村电网是供电企业的最末端，同时也是国家电网的重要组成部分，是服务社会主义新农村建设的重要基础设施。

按照建设统一坚强智能电网的要求，加快建设新农网，着力提高农村电网电压质量以及智能化水平是国家电网公司深入实施“三新”农电发展战略、推动农网又好又快发展的必然要求。

农村电网具有负荷分散、随着灌溉和季节性变化大等特点。

我国农网负荷主要采用10KV配电线路。

由于农网用电随着季节性灌溉及昼夜，负荷变化较大，且在高峰期，供电线路上电压损失大，用电低谷期，电压损失小，所以我过农网需要调压以控制负荷偏移及电压损耗。

农村电网目前常用的调节电压方法有3种：第1种方法是改造电网，但投资较大。

第2种方法是以变电站母线为基准，
调整主变压器有载分接开关，但是频繁调整分接开关不但影响主变压器安全运行，而且不能保证线路电压的稳定。

第3种方法是当电网感性负荷较大时，通过投切电容器减少线路无功电流所引起的电压降，但电压调压范围小。

而采用一种新型调压器装置——10千伏馈线自动调压器，能有效地提高农村电网的电压质量。

2.现有农网调压方式及存在的问题
2.1改造电网及其存在的问题
一个布局合理、结构优化的电网结构及科学合理的设备选型既是提高电能质量的基础，又是保证电网长期安全、稳定及经济运行的前提。

改造电网结构既可以根据各个电网现状，合理网架结构，又能彻底解决现有网架薄弱、抵预自然灾害能力低等问题，还适合于电网发展。

但同时也存在着投资大、工期长、运行成本高等缺点，在经济欠发达地区比较难以实现。

2.2调节主变压器分接头法及其存在的问题
调节主变分接头开关法在线路较短时调压幅度明显，既可以改变电压水平又可以改变系统的功率分配，是目前运用最为广泛的调压方式。

在这种方式下，根据系统负荷情况来调节主变的分接头，使变电站出线电压满足预定的要求。

由于调节的依据是以变电站的母线为基准，即将母线电压水平限制在一个预定的范围之内，以期在以母线为基准的一定输出半径内满足电压偏差要求，但无法满足长距离供电线路末端的电压要求，而变电站母线又会有多条出线，各条出线的负荷曲线也各有不同，压降也不同，不能保证所有线路的电压都满足要求，因此这种调压方法灵活性、针对性差，当馈线复杂时往往会造成距离变电站近的地方电压偏高，距离变电站远的地方电压偏低。

而且还存在着对主变压器安全运行威胁较大，对用户频繁停电（农电多数为无励磁调压），容易损耗用户电器设备，影响企业经济效益与社会效益，降低供电可靠性等诸多缺点
2.3通过补偿无功来调整电压及其存在的问题
采用无功补偿改善系统的无功功率，可以提高末端用户的电压质量，而且具有安装地点灵活方便的优点。

户外电容器补偿是目前广泛应用在农网系统的电压调整措施，体积小，安装方便，实现了分散补偿。

但是农村配电网上安装的电容器大多需要人工操作，不能自动投切。

而且有些地区低谷负荷运行时，投入补偿电容器后使电压过高，进一步增加配电变压器的铁损，从而增加了线损。

而且存在范围小，效果有限，局部电网容易谐波等缺点。

更为关键的是，电容器补偿主要是提高线路的功率因数，调压效果很有限，仅仅依靠电容器补偿不能解决由于线路长、线径细、电阻引起的电压降低问题。

不过由于其投资小，收回成本时间较短，还是一种比较可取的方案。

2.4通过安装10千伏馈线自动调压器及其存在的问题
安装10KV馈线自动调压器具有调压降损明显，自动化程度高，运行维护成本低等优点，且运行安全，不需要频繁停电，调压范围较广。

但于此同时也存在着过负荷能力低的缺点。

考虑其投资于效益比，由于投资小，能当年收回成本，且大幅度增加经济效益与社会效益，所以安装10千伏馈线自动调压器是一种行之有效且经济效益高的方法。

3 自动调压器的结构及其分析
3.1自动调压器的构成
10kV馈线自动调压器装置, 主要由三部分构成：三相自耦变式压器、三相有载分接开关、智能控制器。

（1）三相自耦式变压器
自耦变压器常用于交流输变电线路和交流调压器中，是一种只有一组线圈的变压器，线圈按设计原则有不同数量的中间抽头，按照不同的接法可以对交流电压实现升压或降压。

当作为降压变压器使用时，从绕组中抽出一部分线匝作为二次绕组；当作为升压变压器使用时，外施电压只加在绕组的—部分线匝上。

通常把同时属于一次和二次的那部分绕组称为公共绕组，其余部分称为串联绕组，同容量的自耦变压器与普通变压器相比，不但尺寸小，而且效率高，并且变压器容量越大，电压越高．这个优点就越加突出。

因此随着电力系统的发展、电压等级的提高和输送容量的增大，自藕变压器由于其容量大、损耗小、造价低而得到广泛应用.自耦变压器属于无隔离的变压器，其原理如下图1所示。

图1 升压和降压自藕变压器原理图
三相自耦式变压器整个线圈分为三部分：串励线圈、并励线圈，控制线圈。

其中，串励线圈是一个有多个抽头的绕组，这些抽头通过有载分接开关的不同接点串联在输入输出之间，改变分接位置,从而改变自耦变压器变比，达到调整电压的目的；三相并励线圈为自耦变压器的公共绕组，产生传递能量的磁场; 控制线圈为控制器提供工作电源和采样信号。

三相自耦事变压器其原理如下图2所示。

图2 三相自耦式变压器原理图
（2）三相有载分接开关
早在70年前，有载分接开关已经应用在变压器上，用于电力系统中有载状态下通过调节变比来控制二次电压、无功及有功装置，明显改善了电力系统的工作效率。

三相有载分接开关是可在带负载的情况下转换接点的开关。

在自动调压器中，串联绕组的抽头接在分接开关的不同接点上，可以通过转换接点调节变压器变比来改变其输出电压。

考虑分接开关寿命和用户调压精度要求,一般常用的有载分接开关的档位为7、9档两种。

（3）智能控制器
控制器是整个有载调压变压器的核心部分，它决定有载调压装置自动化,智能化以及调节精度高低。

它主要对馈线电压，电流等参数进行检测，控制有载分接开关的动作，使馈线电压达到预定值。

智能控制器从变压器输出侧采集电压信号，然后将采样值与设定的基准电压进行比较。

如果采集到的电压信号大于基准电压，并且信号电压和基准电压之间的差值达到一定数值（允许范围），经一定延时后，发出控制命令，通过继电器驱动分接开关的电机，降低分接开关档位（降低输出电压）；反之，如果采集到的电压信号小于基准电压，控制器经过延时后发出控制信号，通过继电器驱动分接开关的电机，从而升高分接开关档位（升高输出电压）。

由于自动调压器运行在10KV高压电网中，一旦发生故障所带来的危害和损失是巨大的。

为保护有载分接开关使用寿命，控制器设有欠压、过流保护。

当线路电压低于”欠压”或调压器”过流“时，控制器闭锁，不再发出调压指令。

同时设有上、下限位保护，防止各种可能情况下出现误动作。

为方便各项参数的设定和读取，控制器设置了键盘。

同时配备了完善的RS485通信接口，具有遥控、遥调、遥测、遥信功能。

3.2 自耦变压器的容量分析
三相自耦变压器是由三柱式铁心，三相公共线圈，三相串联线圈（调压线圈）组成，采用分级绝缘，公共线圈在里侧，串联线圈在外侧。

其单相原理接线如图（2）所示,X为自耦变压器中性点,接电源一侧为一次侧（端子A、X）输出电能一侧为二次侧（端子a、X）,A—a 称为串联线圈匝数用表示；a—X 称为公共线圈匝数，用W2表示。

图3 调压器单相原理图
从而可知一次侧与二次侧变比为：
（1）
自耦变压器由一次侧传输到二次侧的全部容量称为通过容量,当忽略变压器损耗时通过容量即为变压器的额定容量（本文以后提到容量为通过容量用S表示）。

（2）
公式(2)中第一项是由电源直接传导到副边的能量叫“传导容量“以表示，式中第二项是由电磁感应传导到副边的能量叫“电磁容量“以表示，则。

可得出电磁容量：
（3）
由上式可知通过容量中有（1-1/k）是由电磁感应作用传递的，1/k部分是由直接电传导作用而传递的。

因为在设计变压器时，变压器的结构、尺寸、重量等主要是由电磁容量决定的所以常把自耦变压器公共绕组的电磁容量叫做“制造容量”、“计算容量”或“结构容量“在一定通过容量下，自耦变压器变比k越接近1直接传导容量所占比重越大，电磁容量和结构尺寸越小，经济效益越明显，对于10KV馈线自动调压器来说，调压范围为0~20%时，最大制造容量为：
（4）
即制造容量为0.167倍的通过容量。

因为制造容量很小，与容量相同的电力变压器进行比较，自耦变压器耗材少、体积小、损耗低、效率高。

4 10KV自动调压器设计
4.1 硬件设计
10KV自动调压器硬件部分包括中央处理单位、信号调理及采样电路、显示模块、键盘扫描模块、驱动电路、时钟电路、存储模块、通信模块等。

系统硬件设计框图如图4所示。

图4 系统硬件框图
（1）中央处理单元
随着电力系统现代自动化水平的提高以及高频开关电源结构的日趋复杂，促使人们采用新的控制手段来迅速反映模块变化，以大幅度提高开关电源模块稳定运行水平。

在整个控制系统中，要求处理采样数据及采用的算法也越来越多。

传统的微处理器如MSC51系列等单片机由于内部集成资源相对少、外围电路复杂、系统抗干扰能力差、不擅长数据处理的缺点以逐渐不能满足高科技水平的需要。

本系统采用的中央处理单元为MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。

一方面将系统电压、电流和分接开关档位信号进行显示；另一方面，将采样信号与设定值进行比较，判断是否符合调压条件，条件符合，然后向驱动电路发出调压命令；否则不发出调压命令。

（2）信号调理及采样电路
电压、电流检测电路提供的信号数值和输入范围与A/D转换芯片,不匹配需要进行调整和变换。

信号调理电路，就是把检测到的电压、电流、双极性信号变为单极性0~5V信号。

再进行A/D转换。

根据整个系统要求选用8位的A/D转换芯片,转换精度1/256 ,将调理后的模拟信号,转换成单片机可以处理的数字信号。

（3）显示模块
显示子程序功能组要完成系统定值、实时值显示以及工作状态显示，系统每秒钟调用一次显示模块显示系统实时数据。

（4）键盘扫描模块
键盘扫描采用查询方式,每20ms扫描一次。

键盘采用软件去抖动的方法来消除由于按键抖动带来影响，软件每次检测到有键按下时执行一段10～20ms延时程序再确认该键电平是否有效。

（5）驱动电路
当单片机发出上升指令时，产生一组高、低电平信号,导致一组光耦导通，经过电流放大，驱动继电器动作，产生正相电压，分接开关向上调压；当单片机发出下降指令时，产生一组高、低电平信号，导致另一组光耦导通,经过电流放大，驱动继电器动作产生反相电压，分接开关向下调压.
其它电路如档位采样及编码电路、显示电路、时钟电路、通信电路等都是常
用电路这里就不一一详述了。

4.2 控制软件设计
软件系统采用C语言编写而成，C具有良好的可读性、可移植性。

软件系统主要包括五大模块：主程序模块、显示模块、A/D转换模块、数字滤波模块、键盘扫描模块。

其中主程序的主要作用首先使整个控制系统初始化，包括主程序初始化、串口初始化、定时器中断初始化、看门狗初始化以及A/D转换初始化，初始化完成后，进入正常数据采集。

然后对采集到数据进行显示、处理，通过控制算法，发出控制指令，在此过程中主程序始终响应其它控制子程序的中断请求，如果有中断请求，按照中断优先级高低，转入相应处理程序。

主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图
5 实例分析
以某地区变电所10千伏线路为例，首先选择线路上电压降低的临界点（电压降低超出合格范围的点），根据临界点负荷侧的最大负荷，选择10千伏馈线调压器的容量。

再根据电压降低的程度，选择调压器的电压调整范围，最后选择安装地点（便于运行维护）。

经过计算证明，10千伏馈线自动调压器是提高农村电压质量最有效最经济的一种方法。

计算方法如下：
（1）线路参数：长度20千米；导线型号LGJ—50；电阻率R0＝0.65/km；电抗率X0＝0.4/km；配电变压器容量S＝2000KV A；功率因数COSφ＝0.8，额定电压Ue=10KV。

假设调压前后功率因数不变有：
线路电阻R＝R0L=0.65×20＝13Ω
线路电抗X＝X0L=0.4×20＝8Ω
有功功率P＝SCOSφ＝2000×0.8＝1600KW
无功功率Q＝SSINφ＝2000×0.6＝1200Kvar
计算线路末端电压降△U＝（PR＋QX）/U＝（1600×13＋1200×8）/10＝3.04KV
（2）选择在线路10千米处装设馈线调压器（电压降低临界点），经过实测有：
电压9.019KV
负荷P＝1200KW；COSφ＝0.8；S＝1200/0.8＝1500KV A。

因此选择2000KA馈线自动调压器。

调压范围。

调压器进线电压U1=9KV，如将调压器输出电压为U2＝10.5KV，选择调压范围为0～+20%。

（3）降损计算：
安装10KV馈线自动调压器后，后一段线路长度L1=20-10=10公里
功率损耗
（4）实际降低功率损耗:
如果减去馈线调压器自身损耗 4.4KW（最大损耗），实际降低功率损耗63.9-4.4=59.5KW。

（5）实际节约资金：
高峰负荷累计时间4个月，按每千瓦时0.33元（购电成本）计算，实际节约资金约为6万元（其它时间馈线调压器工作在“直通”档，损耗很小可忽略不计）。

经测算，电压质量合格后年增加电量约为450000千瓦时，供电企业年增加收入8万元，当年即可收回馈线调压器的购置成本。

6 结束语
10KV馈线自动调压器既能解决高峰负荷时配电线路的卡脖子现象，又能有效改善电网的电压质量，而且能够降低系统网损，提高电网的经济效益。

10KV 馈线自动调压器以其高度的安全性、可靠性、经济性、实用性在农村电网中应用越来越广泛，是解决农村电网电压偏差问题不可或缺设备之一。

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