【技術】配電變壓器有載調壓技術

電力變壓器視界

2021年7月20日 14:29

摘要

配電變壓器有載調壓是實現配電網電壓控制的手段之一，有載調壓開關是配電變壓器實現調壓的關鍵部件，其技術性能的優劣直接影響有載調壓配電變壓器的安全可靠運行。介紹了配電變壓器有載調壓開關技術的實現方法，將其分為機械式、電力電子式、復合式三大類，分析了不同有載調壓方式的技術實現原理與優缺點，明確了配電變壓器有載調壓技術的發展方向，以及需要深入研究與關注的重點。
關鍵詞：配電網分布式電源電壓控制配電變壓器有載調壓

前言

電壓質量是考核電力企業供電服務水平的重要指標之一。中國農村電網線路供電半徑大，分支線多，用電負荷點多面廣，且小而分散，季節性負荷特征顯著，用電時段過于集中，年均負載率偏低，峰谷差較大。低谷負荷期配電變壓器處于輕載運行狀態，對用戶的供電電壓偏高；高峰負荷期配電變壓器處于重載或超載運行狀態，對用戶的供電電壓偏低（簡稱為“低電壓”）。供電電壓偏高將使供用電設備絕緣老化加速、損耗增加，甚至危及電網和設備的安全。供電電壓偏低，即“低電壓”問題將造成供用電設備效率降低，危及電網安全經濟運行，導致部分家用電器無法正常使用，嚴重影響居民的生產生活。

隨著智能電網建設深入推進，清潔能源利用比例逐年增加，分布式電源接入、電動汽車充電樁批量建設導致配電網電壓波動問題更加突出[1]。目前針對高、中壓配電網的電壓控制技術，如有載調壓主變壓器、線路調壓器、變電站自動無功補償、線路自動無功補償等方面，已有文獻研究并提出了免維護或無弧、無沖擊切換的有載調壓方案，但是沒有系統性地分析其優缺點，低壓配電網的有載調壓技術卻較少涉及。因此本文將重點闡述國內外配電變壓器有載調壓技術。

一

配電變壓器調壓技術研究現狀

低壓配電網中占據主流的配電變壓器無載調壓方式已無法滿足配電臺區層級的調壓需求。有載調壓型配電變壓器可在負載條件下改變高低壓側變比，把電壓波動限定在合格范圍內，保障供電的連續性，改善供電質量，并可大幅度降低電能損耗，國內外早已開始研究與探討中低壓配電變壓器的有載調壓技術與應用[1-17]。文獻[3]按照變壓器調壓分接頭的組成，將有載調壓變壓器分為機械式改進型、輔助線圈型和電力電子開關型三類，并對典型調壓技術的動作原理和發展過程進行了分析和比較。文獻[4]研究了一種基于GPS的配電變壓器帶在線濾油功能的有載調壓系統，介紹了系統的組成及特點，以提高配電變壓器有載調壓裝置的免維護性能，提高電壓合格率和供電可靠性。文獻[5]提出了一種電力電子式有載調壓方案，主要思路是取消傳統的機械和電動操作機構，采用二進制編碼調節的方法實現配電變壓器無燃弧式的有載調壓。

有載調壓技術的應用促進了節能型配電變壓器技術性能的升級換代，有助于配電臺區的經濟高效運行和配電自動化功能的延伸與拓展。配電變壓器有載調壓與并聯電容器投切相結合已成為中國目前實現配電網電壓無功綜合自動控制、限定電壓波動在合格范圍內的重要手段，對保障用戶優質電力服務和提升配電網安全、可靠、經濟運行水平具有重要的現實意義。

二

配電變壓器新型調壓技術與實現

配電變壓器有載調壓技術對穩定電壓、提高電壓合格率意義重大，是智能配電臺區實現電壓無功綜合協調控制的基礎條件。配電變壓器新型有載調壓技術大體可分為機械式、電力電子式、復合式三大類。機械式又可分為改進型、帶在線濾油裝置型和真空滅弧型3種。

2.1機械式有載調壓技術

（1）機械式改進型。機械式改進型有載調壓開關是在傳統機械式有載分接開關的基礎上，附加一電子開關電路，其分接開關由1個過渡電阻和少量晶閘管組成，限制分接頭切換過程的電弧是通過電子開關電路和機械開關的配合實現，分接開關原理和電子開關電路情況具體如圖1所示[3]。機械式改進型有載調壓開關的技術優勢是無需配置時間控制回路，通過操作機械開關實現對晶閘管的觸發；缺點是結構復雜，操作速度慢。

圖1機械式改進型分接開關原理及其電子開關電路

（2）帶在線濾油裝置型。帶在線濾油裝置型有載調壓開關是在傳統有載調壓開關基礎上附加1臺在線濾油裝置。在線濾油裝置由控制系統、動力系統、濾芯、壓力表、操作面板等組成，其中動力系統由電動機、油泵構成，濾芯分為除水濾芯和除雜濾芯，用來凈化變壓器油，壓力表用來監視濾罐內的壓力，濾芯更換提示。有載調壓裝置在線濾油裝置工作原理如圖2所示[2]。

圖2有載調壓開關在線濾油裝置工作原理

控制系統依據有載調壓開關動作次數記錄，控制啟動電動機帶動油泵工作，利用壓力將分接開關中的變壓器油通過連管吸入到濾罐進行過濾，再將過濾后的油注入到有載分接開關油室中。該有載調壓技術的優點是能夠實現在線自動濾油，降低分接切換電弧的影響，減少了維護成本，適用于傳統配電變壓器的有載調壓改造；缺點是額外增加一套在線濾油裝置，增加了投資成本和裝置本身的維護工作量（如更換濾芯等）。

（3）真空滅弧型。機械式真空滅弧型有載調壓開關不同于傳統的絕緣油滅弧，分接頭切換在真空管中完成，不存在切換電弧造成油劣化和污染問題。機械式真空滅弧型有載調壓開關功能實現的關鍵是真空切換開關的選擇與過渡電路的設計，性能水平主要取決于真空觸點的切換參數，包括額定電流、額定電壓與額定容量。機械式真空有載調壓開關切換電路具體如圖3所示[16]，R為過渡電阻，V1、V2為真空管。

圖3機械式真空有載調壓開關切換原理

機械式真空滅弧型有載調壓開關結構形式簡單，動作可靠。但真空管如發生真空泄漏，則可能發生電弧不熄滅或在過電壓作用下發生真空電擊穿情況，導致級間短路事故。如果增加安全防護后備措施，則需要增加過渡電阻和真空管的數量，成本提高[18-20]。

2.2電力電子式有載調壓技術

近年來，電力電子技術得到快速發展，晶閘管系列產品的性能有了較大提高。無沖擊無弧的純電力電子式有載調壓開關也一度成為研究重點，主要是采用微處理器直接控制晶閘管電力電子開關實現分接頭的切換。電力電子式有載調壓開關技術原理具體如圖4所示[1]。

圖4電力電子式有載調壓開關技術原理

電力電子式有載調壓開關裝置通過測量模塊得到變壓器二次側電壓和電流，由微處理器完成功角計算、故障識別和形成控制指令，適時切換晶閘管開斷，完成電壓調節功能。微處理器可根據系統電壓的實際情況進行故障識別，選擇性限制晶閘管動作或將其閉鎖。電力電子式有載調壓開關主要優點是分接頭切換時無電弧無沖擊，無機械和電動部件，故障率低，維護工作量小。缺點是對晶閘管自身性能水平及計算、判斷和控制的精確性要求極高，易受雷電沖擊的影響；晶閘管功率消耗高于機械式開關，需要采取措施散熱和降低自身損耗。

2.3復合式有載調壓技術

復合式有載調壓開關是綜合利用機械開關損耗小和電力電子開關切換無弧無沖擊的技術優勢，形成的一種機械和電力電子混合式調壓技術。文獻[10]介紹了一種可控硅輔助換流式有載調壓開關，可控硅輔助換流式無弧調壓開關原理具體如圖5所示。

圖5可控硅輔助換流式無弧調壓開關原理

可控硅輔助換流式有載調壓開關技術為防止電弧產生，采用可控硅取代了傳統有載調壓開關的過渡電阻，總體結構未有大的變化。可控硅輔助換流式有載調壓開關設計有2組可控硅，對這2組可控硅在電流過零點時關斷的同步性要求很高，不允許出現任一可控硅管提前導通情況，否則就會導致變壓器的部分線圈短路，同樣如其中一個可控硅管出現延時導通的情況，則會造成負載電流中斷，因此所產生的高恢復電壓將會損壞可控硅。

文獻[12]介紹了一種組合式分接開關，主要由TADS型切換開關和選擇器組成，切換開關的觸頭系統由晶閘管和機械觸頭組成，晶閘管作為切換開關的開關元件承擔電弧觸頭功能，負責開斷切換過程中的電流。TADS型切換開關原理如圖6所示，其中ST為變壓器高壓繞組線圈，CR1為過渡電阻回路選擇器，R為過渡電阻，CT1為晶閘管回路選擇器，TH為晶閘管，SR為固態繼電器，M1與M2為機械觸點。

圖6TADS切換開關原理

組合式分接開關的每一相切換開關采用一個晶閘管，機械觸點M1與M2為主通觸頭，在非切換狀態下電流流通M1或M2。在開關切換的整個過程中，由于機械觸頭都是在不帶電流情況下分開，因此不會造成觸頭燒損和油污染問題，相對傳統的機械式有載分接開關，壽命期內無需更換觸頭，維護檢修的工作量將大大減少。該組合式分接開關是一種典型的機械電子混合式結構，由機械觸頭與晶閘管結合而成，可實現無電弧切換，但該類型組合式開關的操作與控制較為復雜。

文獻[17]介紹了一種電力電子開關雙向晶閘管與大功率固態繼電器相結合的復合式有載調壓技術，主要以大功率固態繼電器組代替傳統的分接選擇器。該復合式有載調壓開關無弧切換原理如圖7所示。

圖7復合式有載調壓開關無弧切換原理

圖7中的X1和X2為有載調壓型配電變壓器的高壓繞組的2個抽頭；SCR1和SCR2為無觸點電力電子開關雙向晶閘管，SSR1和SSR2R為固態繼電器，R是起限流作用的過渡電阻。假定最初有載調壓型配電變壓器運行在繞組分接頭X2位置，雙向晶閘管SCR2則處于全導通狀態，電流通路為X2-SCR2，SSR1、SSR2、SCR1均處于斷開狀態。當需要將分接頭由X2調整到X1時，調整過程具體包括：先觸發導通固態繼電器SSR1，然后關斷SCR2，電流通路變為X1-SSR1-R，再觸發導通SCR1，電流通路變為X1-SCR1，這樣就完成了一次分接的轉換。與傳統機械式有載調壓開關相比，不存在任何的運動部件和電動操作機構，真正消除了原有的故障隱患，完全由軟件控制實現分接的選擇和快速切換。該方案還處于研究與完善階段。

三

結語

本文分析了國內外配電變壓器有載調壓技術研究現狀，對已有配電變壓器調壓技術進行了歸納和總結。現有的機械式有載調壓技術包含機械改進型、帶在線濾油裝置型、真空滅弧型3類，機械改進型結構較為復雜，控制速度慢；帶在線濾油裝置型需要額外一套濾油裝置，不定期更換濾芯，成本和維護工作量增加；真空滅弧型實現了免維護，但切換時有沖擊，價格高；電力電子式和復合式有載調壓技術具有無弧、無沖擊切換優勢，目前還處于研究與探索階段，主要受限于電力電子開關技術性能水平，調壓裝置體積偏大，其實用性還需要進一步實踐驗證。

分布式電源接入低壓配電網比例增長快速，光伏發電、風力發電等分布式電源具有突出的隨機性、波動性和間歇性特點，與實際低壓配電網日負荷曲線難以吻合。隨著分布式電源大量接入、電動汽車和儲能等多元化負荷的增加，將對配電網電壓控制與管理帶來更加嚴峻的挑戰。免維護、無沖擊、性價比高的配電變壓器有載調壓技術及其產品研制將成為該技術領域的發展方向和需要深入研究與關注的重點，以支撐智能配電網建設及其電壓無功綜合控制功能的實現，滿足現代配電網經濟運行和供電電壓質量新需求。

來源：中國電力雜志

作者：王金麗，馬釗, 潘旭中國電力科學研究院，北京100192; 王利配電變壓器節能技術北京市重點試驗室，北京

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