電工高級技師論文

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電力變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的新進展

【關(guān)鍵詞】有載調(diào)壓,電力變壓器,分接開關(guān)

【論文摘要】介紹了變壓器有載調(diào)壓系統(tǒng)的現(xiàn)狀與存在的問題，以及變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的新進展，同時對三種典型的調(diào)壓技術(shù)的動作原理和發(fā)展過程進行了分析和比較，并得出了一些有價值的結(jié)論。

在我國，變壓器有載調(diào)壓技術(shù)廣泛用于配電系統(tǒng)，在發(fā)電廠的升壓變壓器中也有應(yīng)用。其基本原理是從變壓器某一側(cè)的線圈中引出若干分接頭，通過有載分接開關(guān)，在不切斷負荷電流的情況下，由一分接頭切換到另一分接頭，以變換有效匝數(shù)，達到調(diào)節(jié)電壓的目的。傳統(tǒng)的有載調(diào)壓變壓器，采用機械式調(diào)壓分接開關(guān)，存在許多問題，如產(chǎn)生電弧，動作速度慢，維護不便，故障率高等。我國目前普遍采用的機械式調(diào)壓分接開關(guān)，對改善調(diào)壓開關(guān)的特性，提高變壓器有載調(diào)壓的可靠性具有重要意義。1傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器

傳統(tǒng)變壓器有載調(diào)壓裝置采用機械式有載分接開關(guān)，其動作原理如圖1所示

(以雙過渡電阻為例)。

圖1中，在選擇好分接頭后，轉(zhuǎn)換開關(guān)從左至右(或從右至左)切換。機械式開關(guān)的動作(包括其驅(qū)動齒輪)容易導致操作性事故，降低了變壓器的可靠性。機械開關(guān)在動作時，會產(chǎn)生一定的電弧，使開關(guān)的觸點逐漸燒蝕，在操作一定次數(shù)后，必須更換觸頭，而且電弧的產(chǎn)生會導致變壓器油質(zhì)下降，造成變壓器繞組的絕緣水平下降，導致匝間短路或相間短路。據(jù)統(tǒng)計，1990年全國110～500kV變壓器事故中，有載調(diào)壓分接開關(guān)的事故和故障分別占變壓器各種總故障的18%和12.5%，500kV變壓器的57次故障中有載分接開關(guān)故障約占25%，事故和故障率高，而且有上升的趨勢。由于機械式開關(guān)的動作時間長，一般為5s，因此，傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器只用于穩(wěn)態(tài)的電壓調(diào)節(jié)。2新型有載調(diào)壓變壓器

針對傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器機械式開關(guān)存在的問題，各國研制出多種新型有載調(diào)壓裝置。按照其調(diào)壓分接頭的組成，新型有載調(diào)壓變壓器分為機械式改進型，輔助線圈型和電力電子開關(guān)型三類。2.1機械式改進型

機械式改進型有載調(diào)壓變壓器是在傳統(tǒng)型的基礎(chǔ)上加一電子開關(guān)電路變換而成。其分接開關(guān)只需1個過渡電阻和少量的晶閘管，通過電子開關(guān)電路和機械開關(guān)的配合，限制其操作過程中產(chǎn)生電弧，圖2為其工作原理圖。圖2中，A和B、C和D、E和F均是機械開關(guān)的觸頭，圖3為電子開關(guān)實現(xiàn)電路。

圖3中，1對反接的晶閘管接在機械開關(guān)的兩端，1和4、2和3分別是2對機械開關(guān)的觸頭。以AB電流從23支路流過，需要斷開該開關(guān)支路為例：當斷開23支路時，觸頭上的電壓觸發(fā)了晶閘管5或6，二極管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14支路流過。由于電流過零時，晶閘管關(guān)斷

，持續(xù)的電流不超過05個周期，同時，不會產(chǎn)生電弧。合上開關(guān)支路時，由于14支路是先合上的，晶閘管支路分得了一部分電流，23支路上的電弧被限制。這種調(diào)壓裝置的優(yōu)點是不需要時間控制回路；晶閘管觸發(fā)靠機械開關(guān)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。缺點是速度慢。

2.2輔助線圈型六劍客職教園（最大的免費職教教學資源網(wǎng)站）早在1979年Arrillage就提出這種方法，圖4為其最初的原理圖。

圖4可見，通過控制晶閘管S1的導通角，可疊加一可調(diào)電壓到T1上。三相變壓器T1和另一升壓變壓器T2相連，T2的一側(cè)與T1的第三繞組通過1對反接的晶閘管開關(guān)S1相連。若晶閘管S1的觸發(fā)無延時，即在過零時觸發(fā)，電壓則同相位地加到負荷上；若晶閘管S1的觸發(fā)有延時，短路開關(guān)S2用來防止升壓變壓器T2開路。

之后，加拿大的Krishnamurthy在此基礎(chǔ)上進行了改進，增加了輔助電壓，以保證疊加的電壓和原電壓同相位。

與此同時，SiemensAllis公司的Harlow等提出了另一種基于輔助線圈的有載調(diào)壓變壓器，以實現(xiàn)無弧操作。它主要包括1個可調(diào)0.625%額定電壓的輔助線圈。將該耦合線圈接入，可調(diào)壓0.625%，如圖5示。圖6是其具體的實現(xiàn)電路。

正常工作時(如圖6所示)，負荷電流通過S開關(guān)和B開關(guān)流過。以升高電壓為例，它的動作過程是：(1)A接下觸點，SCR1未導通，因而無電��；(2)導通SCR1，此時有環(huán)流；(3)開斷S，此時SCR2仍保持導通狀態(tài)；(4)開斷SCR2，電流被迫從A、SCR1支路流過；(5)B接下觸點，SCR2未導通，因而無電弧；(6)導通SCR2；(7)合開關(guān)S，無電弧，因SCR2處于導通狀態(tài)。降壓過程與此類似。整個過程均不產(chǎn)生電弧。

Arrillage及其改進方法的優(yōu)點是操作簡單，全由晶閘管實現(xiàn)；缺點是產(chǎn)生諧波，諧波的含量與晶閘管的觸發(fā)角有關(guān)，以副方三次諧波為例，電流可達2.5%，電壓可達4%。

SiemensAllis公司的方法可以實現(xiàn)無弧操作，但過程復雜，可靠性差。由于各開關(guān)按無弧標準設(shè)計，當SCR的觸發(fā)脈沖發(fā)生故障時，開關(guān)將被燒毀。

2.3電力電子開關(guān)型

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管的容量及性能有了提高，使采用微處理器直接控制晶閘管電力電子開關(guān)的切換成為可能，無需利用機械開關(guān)輔助。通過選擇適當觸發(fā)時間，盡量減少晶閘管消耗的功率。目前，此技術(shù)還處于試驗階段。圖7為其原理框圖。圖7電力電子開關(guān)型原理圖

圖7可見，通過測量模塊得到副方的電壓和電流，計算出功角：選擇在電壓電流瞬時值同號時，切換晶

閘管，升高電壓；或在電壓電流瞬時值異號時，降低電壓，以減少晶閘管環(huán)流。微處理器的引入，使調(diào)壓變壓器可根據(jù)系統(tǒng)電壓的實際情況作故障處理，如微處理器檢測到負荷電流突變，或者其他系統(tǒng)故障，選擇限制晶閘管動作或?qū)⑵溟]鎖。缺點是：雷電沖擊對晶閘管的影響很大，極有可能損壞晶閘管；晶閘管本身的故障可能導致短路，以至更多的晶閘管故障。2.4三類新型有載調(diào)壓變壓器的比較見表1。

從表1看出，三類調(diào)壓方法各有優(yōu)缺點。我國目前有關(guān)新型變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的研究不多，如能借鑒國外的研究成果，根據(jù)各地的實際情況將現(xiàn)有的有載調(diào)壓變壓器進行改造，有載調(diào)壓變壓器的性能將得到提高。3結(jié)論

綜上分析和比較，得出如下結(jié)論：

(1)電力電子開關(guān)主回路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)充分考慮晶閘管的耐壓、可靠觸發(fā)、散熱、保護以及成本等問題，確保有載調(diào)壓裝置可靠，成本可接受，以便新型變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的工業(yè)化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。

(2)有載調(diào)壓應(yīng)該根據(jù)電力系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)進行動態(tài)調(diào)節(jié)分接頭，避免故障下調(diào)壓。研究表明，有載調(diào)壓變壓器在系統(tǒng)出現(xiàn)大擾動時動作，會導致系統(tǒng)的負荷過重，從而產(chǎn)生負調(diào)壓效應(yīng)，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，如何及時地診斷系統(tǒng)的故障，保證有載調(diào)壓分接頭能正確動作和閉鎖，也是當前新型有載調(diào)壓變壓器亟待解決的問題。

(3)隨著電力電子技術(shù)特別是晶閘管技術(shù)的發(fā)展，我國廣泛采用的傳統(tǒng)機械式有載調(diào)壓技術(shù)必將被新型的快速響應(yīng)的無弧無沖擊的電力電子調(diào)壓技術(shù)所取代。

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電力變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的新進展

【論文摘要】介紹了變壓器有載調(diào)壓系統(tǒng)的現(xiàn)狀與存在的問題，以及變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的新進展，同時對三種典型的調(diào)壓技術(shù)的動作原理和發(fā)展過程進行了分析和比較，并得出了一些有價值的結(jié)論。

在我國，變壓器有載調(diào)壓技術(shù)廣泛用于配電系統(tǒng)，在發(fā)電廠的升壓變壓器中也有應(yīng)用。其基本原理是從變壓器某一側(cè)的線圈中引出若干分接頭，通過有載分接開關(guān)，在不切斷負荷電流的情況下，由一分接頭切換到另一分接頭，以變換有效匝數(shù)，達到調(diào)節(jié)電壓的目的。傳統(tǒng)的有載調(diào)壓變壓器，采用機械式調(diào)壓分接開關(guān)，存在許多問題，如產(chǎn)生電弧，動作速度慢，維護不便，故障率高等。我國目前普遍采用的機械式調(diào)壓分接開關(guān)，對改善調(diào)壓開關(guān)的特性，提高變壓器有載調(diào)壓的可靠性具有重要意義。1傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器

傳統(tǒng)變壓器有載調(diào)壓裝置采用機械式有載分接開關(guān)，其動作原理如圖

1

所示(以雙過渡電阻為例)。

圖1中，在選擇好分接頭后，轉(zhuǎn)換開關(guān)從左至右(或從右至左)切換。機械式開關(guān)的動作(包括其驅(qū)動齒輪)容易導致操作性事故，降低了變壓器的可靠性。機械開關(guān)在動作時，會產(chǎn)生一定的電弧，使開關(guān)的觸點逐漸燒蝕，在操作一定次數(shù)后，必須更換觸頭，而且電弧的產(chǎn)生會導致變壓器油質(zhì)下降，造成變壓器繞組的絕緣水平下降，導致匝間短路或相間短路。據(jù)統(tǒng)計，1990年全國110～500kV變壓器事故中，有載調(diào)壓分接開關(guān)的事故和故障分別占變壓器各種總故障的18%和12.5%，500kV變壓器的57次故障中有載分接開關(guān)故障約占25%，事故和故障率高，而且有上升的趨勢。由于機械式開關(guān)的動作時間長，一般為5s，因此，傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器只用于穩(wěn)態(tài)的電壓調(diào)節(jié)。2新型有載調(diào)壓變壓器

針對傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器機械式開關(guān)存在的問題，各國研制出多種新型有載調(diào)壓裝置。按照其調(diào)壓分接頭的組成，新型有載調(diào)壓變壓器分為機械式改進型，輔助線圈型和電力電子開關(guān)型三類。

2.1機械式改進型

機械式改進型有載調(diào)壓變壓器是在傳統(tǒng)型的基礎(chǔ)上加一電子開關(guān)電路變換而成。其分接開關(guān)只需1個過渡電阻和少量的晶閘管，通過電子開關(guān)電路和機械開關(guān)的配合，限制其操作過程中產(chǎn)生電弧，圖2為其工作原理圖。

圖2中，A和B、C和D、E和F均是機械開關(guān)的觸頭，圖3為電子開關(guān)實現(xiàn)電路。

圖3中，1對反接的晶閘管接在機械開關(guān)的兩端，1和4、2和3分別是2對機械開關(guān)的觸頭。以AB電流從23支路流過，需要斷開該開關(guān)支路為例：當斷開23支路時，觸頭上的電壓觸發(fā)了晶閘管5或6，二極管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14支路流過。由于電流過零時，晶閘管關(guān)斷，持續(xù)的電流不超過05個周期，同時，不會產(chǎn)生電弧。合上開關(guān)支路時，由于14支路是先合上的，晶閘管支路分得了一部分電流，23支路上的電弧被限制。這種調(diào)壓裝置的優(yōu)點是不需要時間控制回路；晶閘管觸發(fā)靠機械開關(guān)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。缺點是速度慢。

2.2輔助線圈型

早在1979年Arrillage就提出這種方法，圖4為其最初的原理圖。

圖4可見，通過控制晶閘管S1的導通角，可疊加一可調(diào)電壓到T1上。三相變壓器T1和另一升壓變壓器T2相連，T2的一側(cè)與T1的第三繞組通過1對反接的晶閘管開關(guān)S1相連。若晶閘管S1的觸發(fā)無延時，即在過零時觸發(fā)，電壓則同相位地加到負荷上；若晶閘管S1的觸發(fā)有延時，短路開關(guān)S2用來防止升壓變壓器T2開路。

之后，加拿大的Krishnamurthy在此基礎(chǔ)上進行了改進，增加了輔助電壓，以保證疊加的電壓和原電壓同相位。

與此同時，SiemensAllis公司的Harlow等提出了另一種基于輔助線圈的有載調(diào)壓變壓器，以實現(xiàn)無弧操作。它主要包括1個可調(diào)0.625%額定電壓的輔助線圈。將該耦合線圈接入，可調(diào)壓0.625%，如圖5示。圖6是其具體的實現(xiàn)電路。

正常工作時(如圖6所示)，負荷電流通過S開關(guān)和B開關(guān)流過。以升高電壓為例，它的動作過程是：(1)A接下觸點，SCR1未導通，因而無電弧；(2)導通SCR1，此時有環(huán)流；(3)開斷S，此時SCR2仍保持導通狀態(tài)；(4)開斷SCR2，電流被迫從A、SCR1支路流過；(5)B接下觸點，SCR2未導通，因而無電弧；(6)導通SCR2；(7)合開關(guān)S，無電弧，因SCR2處于導通狀態(tài)。降壓過程與此類似。整個過程均不產(chǎn)生電弧。

Arrillage及其改進方法的優(yōu)點是操作簡單，全由晶閘管實現(xiàn)；缺點是產(chǎn)生諧波，諧波的含量與晶閘管的觸發(fā)角有關(guān)，以副方三次諧波為例，電流可達2.5%，電壓可達4%。

SiemensAllis公司的方法可以實現(xiàn)無弧操作，但過程復雜，可靠性差。由于各開關(guān)按無弧標準設(shè)計，當SCR的觸發(fā)脈沖發(fā)生故障時，開關(guān)將被燒毀。2.3電力電子開關(guān)型

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管的容量及性能有了提高，使采用微處理器直接控制晶閘管電力電子開關(guān)的切換成為可能，無需利用機械開關(guān)輔助。通過選擇適當觸發(fā)時間，盡量減少晶閘管消耗的功率。目前，此技術(shù)還處于試驗階段。

圖7可見，通過測量模塊得到副方的電壓和電流，計算出功角：選擇在電壓電流瞬時值同號時，切換晶

閘管，升高電壓；或在電壓電流瞬時值異號時，降低電壓，以減少晶閘管環(huán)流。微處理器的引入，使調(diào)壓變壓器可根據(jù)系統(tǒng)電壓的實際情況作故障處理，如微處理器檢測到負荷電流突變，或者其他系統(tǒng)故障，選擇限制晶閘管動作或?qū)⑵溟]鎖。缺點是：雷電沖擊對晶閘管的影響很大，極有可能損壞晶閘管；晶閘管本身的故障可能導致短路，以至更多的晶閘管故障。2.4三類新型有載調(diào)壓變壓器的比較見表1。

從表1看出，三類調(diào)壓方法各有優(yōu)缺點。我國目前有關(guān)新型變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的研究不多，如能借鑒國外的研究成果，根據(jù)各地的實際情況將現(xiàn)有的有載調(diào)壓變壓器進行改造，有載調(diào)壓變壓器的性能將得到提高。3結(jié)論

綜上分析和比較，得出如下結(jié)論：

(1)電力電子開關(guān)主回路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)充分考慮晶閘管的耐壓、可靠觸發(fā)、散熱、保護以及成本等問題，確保有載調(diào)壓裝置

可靠，成本可接受，以便新型變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的工業(yè)化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。

(2)有載調(diào)壓應(yīng)該根據(jù)電力系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)進行動態(tài)調(diào)節(jié)分接頭，避免故障下調(diào)壓。研究表明，有載調(diào)壓變壓器在系統(tǒng)出現(xiàn)大擾動時動作，會導致系統(tǒng)的負荷過重，從而產(chǎn)生負調(diào)壓效應(yīng)，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，如何及時地診斷系統(tǒng)的故障，保證有載調(diào)壓分接頭能正確動作和閉鎖，也是當前新型有載調(diào)壓變壓器亟待解決的問題。

(3)隨著電力電子技術(shù)特別是晶閘管技術(shù)的發(fā)展，我國廣泛采用的傳統(tǒng)機械式有載調(diào)壓技術(shù)必將被新型的快速響應(yīng)的無弧無沖擊的電力電子調(diào)壓技術(shù)所取代。

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