「新技術分享」晶閘管輔助熄弧混合式變壓器有載分接開關

電氣分享社區

2022年8月15日 15:01

新能源的大量接入導致電網電壓波動更加頻繁，動態調節變壓器變比是維持區域電網電壓穩定的重要手段，而有載分接開關（OLTC）則是在不停電情況下調節變壓器變比的關鍵設備。目前國內110kV及以上電壓等級大容量變壓器采用的OLTC按熄弧介質可分為油中熄弧和真空熄弧兩種。

油中熄弧式OLTC由于熄弧過程通過銅鎢觸頭對在絕緣油中拉弧完成，多次切換后觸頭會發生嚴重燒蝕，絕緣油在電弧的作用下分解會產生可燃性氣體，還會產生微量金屬顆粒，因此需要定期對絕緣油和電極表面進行維護；真空熄弧式OLTC熄弧時的截流會造成電壓過沖，嚴重時會造成變壓器分接繞組絕緣損傷，此外真空滅弧室中的觸頭開距要明顯小于油中的開距，一旦發生真空失效便易發生短路事故，因此對工藝控制的要求極高。

針對上述問題，中國電力科學研究院有限公司和山東泰開電力設備有限公司聯合研制了晶閘管輔助熄弧混合式OLTC，它采用電力電子器件作為滅弧器件，持續通流由金屬觸頭來完成，兼顧了低通態損耗與無弧切換。此外還通過特殊的機械結構與動作時序設計實現了晶閘管的無源觸發（觸發過程無需二次電源與控制回路），并建立了晶閘管模塊在切換完成后的退出機制，實現了產品的免維護與長壽命。

（視頻展示）

基本原理

項目組提出了一種結合現有KM型分接開關和混合式有載分接開關切換原理的改進型晶閘管輔助熄弧混合式有載分接開關切換原理，具體包括：

（一）串聯雙斷口改進型KM開關原理

項目組結合現有KM型有載分接開關結構的特點，通過將KM型開關的并聯雙斷口改進為串聯雙斷口，利用伸縮觸頭技術控制晶閘管門極與陰陽極之間接通的時間差，為晶閘管模塊的無源觸發創造了條件。KM型并聯雙斷口改進為串聯雙斷口的示意圖如圖2-1和圖2-2所示。

圖2-1

KM型開關切換原理圖

（并聯雙斷口）

圖2-2

改進型KM開關原理圖

（串聯雙斷口）

（二）晶閘管模塊無源觸發原理

圖2-3 晶閘管無源觸發原理圖

圖2-3所示為晶閘管模塊無源觸發的原理圖，10和13、11和12分別是2對機械開關的觸頭。以A—B電流從11—12支路流過，需要斷開該開關支路為例：當斷開11—12支路時，觸頭上的電壓觸發了晶閘管T（反接的一對），二極管D2提供門極電流，二級管D1用于防止反向門極電壓，電流立即從10—13支路流過。導通半個周波后因失去觸發電平而隨電流過零自然關斷，持續的電流不超過0.5個周期（設計時按照0.5個周期時間考慮并考慮機械誤差，控制在12毫秒左右），隨后10、13無弧分斷。合上開關支路時，由于10—13支路是先合上的，晶閘管無觸發不導通，此時不產生電弧，接著11—12閉合，觸頭接觸瞬間產生的小電弧電壓觸發晶閘管T導通，電弧熄滅，11—12完全閉合后旁路晶閘管回路強迫關斷晶閘管電壓，由機械觸頭載流。這種調壓裝置的優點是不需要時間控制回路；晶閘管觸發靠機械開關的操作完成；晶閘管的額定容量要求不高；晶閘管的失控不會損壞分接頭和變壓器，該機構的簡化電路如圖2-4所示。

圖2-4 晶閘管無源觸發機構簡電路

圖2-5 混合式開關結構示意圖

最終形成的混合式有載分接開關結構如圖2-5所示，其切換過程為：由CD—EF切換過程，AB支路閉合—CD支路斷開—MN支路閉合—AB支路斷開—EF支路閉合—MN 支路斷開，至此CD—EF切換完成；由EF—CD切換過程，MN 支路閉合，EF支路斷開，AB支路閉合，MN支路斷開，CD支路閉合，AB支路斷開，至此EF—CD切換完成。

（三）混合式OLTC切換過程

晶閘管輔助熄弧混合式OLTC由機械開關與晶閘管熄弧回路組成，通過機械開關的一系列動作按照特定時序將晶閘管模塊接入并觸發，由晶閘管電流過零自然關斷完成熄弧，最后將晶閘管模塊退出。

現以從1分接切換到2分接為例，切換過程中負荷電流的轉向過程如表2-1所示。

表2-1 晶閘管輔助熄弧混合式有載分接開關在切換過程中的負荷電流轉向過程

序號	切換開關的動作狀態	負荷電流的流動途徑（紅色標注線條所示）
1	開關處于1分接，CD支路閉合
2	C’’D’’主觸頭打開，AB觸頭閉合，A’B’觸頭閉合
3	C’D’懸浮觸頭打開，觸發對應晶閘管模塊
4	晶閘管模塊過零熄弧，CD觸頭打開，負荷轉移至已經閉合的AB支路
5	MN觸頭閉合，M’N’觸頭閉合，形成雙電阻橋接
6	A’B’懸浮觸頭打開，觸發對應晶閘管模塊
7	晶閘管模塊過零熄弧，AB觸頭打開，橋接斷開，負荷經過渡電阻MN支路轉移至及2分接
8	E’F’懸浮觸頭打開，觸發對應晶閘管模塊
9	晶閘管模塊過零熄弧，EF觸頭打開，E’’F’’主觸頭閉合，負荷經EF支路轉移至及2分接

技術優勢

晶閘管輔助熄弧混合式OLTC采用電力電子器件作為滅弧器件，持續通流由金屬觸頭來完成，兼顧了低通態損耗與無弧切換。此外還通過特殊的機械結構與動作時序設計實現了晶閘管的無源觸發（觸發過程無需二次電源與控制回路），并建立了晶閘管模塊在切換完成后的退出機制，實現了產品的免維護與長壽命。

（1）根本解決切換過程電弧使絕緣油劣化的問題

油中熄弧式OLTC雖然結構相對簡單，通態損耗低，但其在切換過程中產生電弧，導致機械觸頭燒損和絕緣油污染。真空熄弧式OLTC較好的改善了絕緣油污染問題，很大程度上提高了OLTC機械壽命和觸頭電氣壽命，減少了維護量。但其切換過程中仍然會有電弧產生，熄弧時的截流還會造成電壓過沖，而且其真空滅弧室對工藝控制的要求極高。

混合式OLTC采用基于串聯雙斷口回路的晶閘管無源可靠觸發方案，利用電流過零自然熄弧，根本解決了切換過程中的電弧使變壓器油劣化的問題。

（2）機械結構上完全可替代傳統OLTC，且不存在電力電子器件通態損耗問題

混合式OLTC在油中熄弧式變壓器OLTC的基礎上，改進切換開關觸頭結構，實現晶閘管模塊的接入，并保證機械結構上與油中熄弧式有載分接開關的可替代性。

通過重新設計機械斷口，實現晶閘管模塊動作的時序控制，確保切換過程中由晶閘管模塊續流，而長期載流由機械觸頭實現；提出了利用伸縮觸頭機構運動方向上的高度差進行時序控制的方法，切換完成后晶閘管回路退出，由機械觸頭長期載流根本解決了混合式OLTC的通態損耗問題。

（3）晶閘管模塊無二次觸發電路，結合退出機制，保證晶閘管模塊動作可靠

晶閘管模塊的觸發不依靠外接觸發電路，不加裝二次控制電路，確保晶閘管模塊的可靠動作；無源觸發原理的成功應用使得晶閘管模塊徹底擺脫了電磁干擾對觸發可靠性的影響，晶閘管退出機制的建立也使其壽命大大延長，基本解決了晶閘管模塊的可靠性問題。

晶閘管模塊與機械切換回路并聯，電子電路與機械相互獨立；晶閘管只在切換時起到轉移電弧的作用，不切換時沒有電流通過，不承受耐壓，電流靠主觸頭通過，電壓靠機械斷口承受。

晶閘管模塊與機械切換回路并聯，電子電路與主回路相互獨立；晶閘管采用無源觸發，無二次系統，抗干擾能力強，簡單可靠；晶閘管只在切換時起到瞬間（10毫秒以內）轉移電弧作用，正常載流靠主觸頭通電，晶閘管處于被旁路狀態，晶閘管中無電流流過，不會發熱，電磁兼容性強，并且不會產生誤動作。

現階段取得的成果

已完成35kV、110kV和220kV混合式OLTC的樣機研制，依據現行標準通過了型式試驗，成為目前唯一成功按照現行OLTC標準通過型式試驗的混合式OLTC。產品在喀麥隆、巴基斯坦等國家的水電站升壓變壓器中應用，在國內湖北電力、西藏電力、中廣核風電有限公司等30多臺變壓器中應用，產品的現場運行情況良好。

2015年3月通過中國電機工程學會組織的新技術鑒定，鑒定委員會一致認為“項目研究成果創新了有載分接開關切換技術，達到國際領先水平”。

2016年混合式OLTC寫入了國家電網公司新技術目錄（2016版）。

2017年11月獲得中國電力企業聯合會2017年全國各電力職工技術成果獎一等獎，“110kV電力變壓器用晶閘管輔助熄弧混合式有載分接開關的研制與應用”。

2018年獲國家電網有限公司職工技術創新“雙越之星”優秀成果獎銀獎，“晶閘管輔助熄弧混合式變壓器有載分接開關”。

2019年在修訂版的國標《GB/T 10230.1-2019 分接開關第1部分：性能要求和試驗方法》中，將無弧OLTC 作為真空型OLTC和非真空型OLTC之外的第三種OLTC型式，同時將混合式OLTC定義為無弧OLTC的主要型式。

2019年獲中國電力科學研究院有限公司專利獎。

2021年獲國家電網有限公司專利獎二等獎。