DQZHAN技術(shù)訊：配電變壓器有載調(diào)壓技術(shù)

摘要：配電變壓器有載調(diào)壓是實現(xiàn)配電網(wǎng)電壓控制的手段之一，有載調(diào)壓開關(guān)是配電變壓器實現(xiàn)調(diào)壓的關(guān)鍵部件，其技術(shù)性能的優(yōu)劣直接影響有載調(diào)壓配電變壓器的**可靠運行。介紹了配電變壓器有載調(diào)壓開關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)方法，將其分為機械式、電力電子式、復(fù)合式三大類，分析了不同有載調(diào)壓方式的技術(shù)實現(xiàn)原理與優(yōu)缺點，明確了配電變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的發(fā)展方向，以及需要深入研究與關(guān)注的重點。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 分布式電源 電壓控制 配電變壓器 有載調(diào)壓

引言

電壓質(zhì)量是考核電力企業(yè)供電服務(wù)水平的重要指標之一。中國農(nóng)村電網(wǎng)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(jié)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(tài)，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(tài)，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(shè)備絕緣老化加速、損耗增加，甚至危及電網(wǎng)和設(shè)備的**。供電電壓偏低，即“低電壓”問題將造成供用電設(shè)備效率降低，危及電網(wǎng)**經(jīng)濟運行，導(dǎo)致部分家用電器無法正常使用，嚴重影響居民的生產(chǎn)生活。

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)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(shè)導(dǎo)致配電網(wǎng)電壓波動問題更加突出[1]。目前針對高、中壓配電網(wǎng)的電壓控制技術(shù)，如有載調(diào)壓主變壓器、線路調(diào)壓器、變電站自動無功補償、線路自動無功補償?shù)确矫?，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(diào)壓方案，但是沒有系統(tǒng)性地分析其優(yōu)缺點，低壓配電網(wǎng)的有載調(diào)壓技術(shù)卻較少涉及。因此本文將重點闡述國內(nèi)外配電變壓器有載調(diào)壓技術(shù)。

1配電變壓器調(diào)壓技術(shù)研究現(xiàn)狀

低壓配電網(wǎng)中占據(jù)主流的配電變壓器無載調(diào)壓方式已無法滿足配電臺區(qū)層級的調(diào)壓需求。有載調(diào)壓型配電變壓器可在負載條件下改變高低壓側(cè)變比，把電壓波動限定在合格范圍內(nèi)，保障供電的連續(xù)性，改善供電質(zhì)量，并可大幅度降低電能損耗，國內(nèi)外早已開始研究與探討中低壓配電變壓器的有載調(diào)壓技術(shù)與應(yīng)用[1-17]。文獻[3]按照變壓器調(diào)壓分接頭的組成，將有載調(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，并對典型調(diào)壓技術(shù)的動作原理和發(fā)展過程進行了分析和比較。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(diào)壓系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成及特點，以提高配電變壓器有載調(diào)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(diào)壓方案，主要思路是取消傳統(tǒng)的機械和電動操作機構(gòu)，采用二進制編碼調(diào)節(jié)的方法實現(xiàn)配電變壓器無燃弧式的有載調(diào)壓。

有載調(diào)壓技術(shù)的應(yīng)用促進了節(jié)能型配電變壓器技術(shù)性能的升級換代，有助于配電臺區(qū)的經(jīng)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(diào)壓與并聯(lián)電容器投切相結(jié)合已成為中國目前實現(xiàn)配電網(wǎng)電壓無功綜合自動控制、限定電壓波動在合格范圍內(nèi)的重要手段，對保障用戶上等電力服務(wù)和提升配電網(wǎng)**、可靠、經(jīng)濟運行水平具有重要的現(xiàn)實意義。

2配電變壓器新型調(diào)壓技術(shù)與實現(xiàn)

配電變壓器有載調(diào)壓技術(shù)對穩(wěn)定電壓、提高電壓合格率意義重大，是智能配電臺區(qū)實現(xiàn)電壓無功綜合協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)條件。配電變壓器新型有載調(diào)壓技術(shù)大體可分為機械式、電力電子式、復(fù)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(diào)壓技術(shù)

（1）機械式改進型。機械式改進型有載調(diào)壓開關(guān)是在傳統(tǒng)機械式有載分接開關(guān)的基礎(chǔ)上，附加一電子開關(guān)電路，其分接開關(guān)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(guān)電路和機械開關(guān)的配合實現(xiàn)，分接開關(guān)原理和電子開關(guān)電路情況具體如圖1所示[3]。機械式改進型有載調(diào)壓開關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢是無需配置時間控制回路，通過操作機械開關(guān)實現(xiàn)對晶閘管的觸發(fā)；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作速度慢。

圖1機械式改進型分接開關(guān)原理及其電子開關(guān)電路

（2）帶在線濾油裝置型。帶在線濾油裝置型有載調(diào)壓開關(guān)是在傳統(tǒng)有載調(diào)壓開關(guān)基礎(chǔ)上附加1臺在線濾油裝置。在線濾油裝置由控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、濾芯、壓力表、操作面板等組成，其中動力系統(tǒng)由電動機、油泵構(gòu)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(jiān)視濾罐內(nèi)的壓力，濾芯更換提示。有載調(diào)壓裝置在線濾油裝置工作原理如圖2所示[2]。

圖2有載調(diào)壓開關(guān)在線濾油裝置工作原理

控制系統(tǒng)依據(jù)有載調(diào)壓開關(guān)動作次數(shù)記錄，控制啟動電動機帶動油泵工作，利用壓力將分接開關(guān)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(guān)油室中。該有載調(diào)壓技術(shù)的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)配電變壓器的有載調(diào)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(diào)壓開關(guān)不同于傳統(tǒng)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(diào)壓開關(guān)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵是真空切換開關(guān)的選擇與過渡電路的設(shè)計，性能水平主要取決于真空觸點的切換參數(shù)，包括額定電流、額定電壓與額定容量。機械式真空有載調(diào)壓開關(guān)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(diào)壓開關(guān)切換原理

機械式真空滅弧型有載調(diào)壓開關(guān)結(jié)構(gòu)形式簡單，動作可靠。但真空管如發(fā)生真空泄漏，則可能發(fā)生電弧不熄滅或在過電壓作用下發(fā)生真空電擊穿情況，導(dǎo)致級間短路事故。如果增加**防護后備措施，則需要增加過渡電阻和真空管的數(shù)量，成本提高[18-20]。

2.2電力電子式有載調(diào)壓技術(shù)

近年來，電力電子技術(shù)得到快速發(fā)展，晶閘管系列產(chǎn)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(diào)壓開關(guān)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(guān)實現(xiàn)分接頭的切換。電力電子式有載調(diào)壓開關(guān)技術(shù)原理具體如圖4所示[1]。

圖4電力電子式有載調(diào)壓開關(guān)技術(shù)原理

電力電子式有載調(diào)壓開關(guān)裝置通過測量模塊得到變壓器二次側(cè)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(diào)節(jié)功能。微處理器可根據(jù)系統(tǒng)電壓的實際情況進行故障識別，選擇性限制晶閘管動作或?qū)⑵溟]鎖。電力電子式有載調(diào)壓開關(guān)主要優(yōu)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**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(guān)，需要采取措施散熱和降低自身損耗。

2.3復(fù)合式有載調(diào)壓技術(shù)

復(fù)合式有載調(diào)壓開關(guān)是綜合利用機械開關(guān)損耗小和電力電子開關(guān)切換無弧無沖擊的技術(shù)優(yōu)勢，形成的一種機械和電力電子混合式調(diào)壓技術(shù)。文獻[10]介紹了一種可控硅輔助換流式有載調(diào)壓開關(guān)，可控硅輔助換流式無弧調(diào)壓開關(guān)原理具體如圖5所示。

圖5可控硅輔助換流式無弧調(diào)壓開關(guān)原理

可控硅輔助換流式有載調(diào)壓開關(guān)技術(shù)為防止電弧產(chǎn)生，采用可控硅取代了傳統(tǒng)有載調(diào)壓開關(guān)的過渡電阻，總體結(jié)構(gòu)未有大的變化。可控硅輔助換流式有載調(diào)壓開關(guān)設(shè)計有2組可控硅，對這2組可控硅在電流過零點時關(guān)斷的同步性要求很高，不允許出現(xiàn)任一可控硅管提前導(dǎo)通情況，否則就會導(dǎo)致變壓器的部分線圈短路，同樣如其中一個可控硅管出現(xiàn)延時導(dǎo)通的情況，則會造成負載電流中斷，因此所產(chǎn)生的高恢復(fù)電壓將會損壞可控硅。

文獻[12]介紹了一種組合式分接開關(guān)，主要由TADS型切換開關(guān)和選擇器組成，切換開關(guān)的觸頭系統(tǒng)由晶閘管和機械觸頭組成，晶閘管作為切換開關(guān)的開關(guān)元件承擔(dān)電弧觸頭功能，負責(zé)開斷切換過程中的電流。TADS型切換開關(guān)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(tài)繼電器，M1與M2為機械觸點。

圖6TADS切換開關(guān)原理

組合式分接開關(guān)的每一相切換開關(guān)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(tài)下電流流通M1或M2。在開關(guān)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(tǒng)的機械式有載分接開關(guān)，壽命期內(nèi)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(guān)是一種典型的機械電子混合式結(jié)構(gòu)，由機械觸頭與晶閘管結(jié)合而成，可實現(xiàn)無電弧切換，但該類型組合式開關(guān)的操作與控制較為復(fù)雜。

文獻[17]介紹了一種電力電子開關(guān)雙向晶閘管與大功率固態(tài)繼電器相結(jié)合的復(fù)合式有載調(diào)壓技術(shù)，主要以大功率固態(tài)繼電器組代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分接選擇器。該復(fù)合式有載調(diào)壓開關(guān)無弧切換原理如圖7所示。

圖7復(fù)合式有載調(diào)壓開關(guān)無弧切換原理

圖7中的X1和X2為有載調(diào)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(guān)雙向晶閘管，SSR1和SSR2R為固態(tài)繼電器，R是起限流作用的過渡電阻。假定*初有載調(diào)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(dǎo)通狀態(tài)，電流通路為X2-SCR2，SSR1、SSR2、SCR1均處于斷開狀態(tài)。當需要將分接頭由X2調(diào)整到X1時，調(diào)整過程具體包括：先觸發(fā)導(dǎo)通固態(tài)繼電器SSR1，然后關(guān)斷SCR2，電流通路變?yōu)閄1-SSR1-R，再觸發(fā)導(dǎo)通SCR1，電流通路變?yōu)閄1-SCR1，這樣就完成了一次分接的轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)機械式有載調(diào)壓開關(guān)相比，不存在任何的運動部件和電動操作機構(gòu)，真正消除了原有的故障隱患，完全由軟件控制實現(xiàn)分接的選擇和快速切換。該方案還處于研究與完善階段。

3結(jié)語

本文分析了國內(nèi)外配電變壓器有載調(diào)壓技術(shù)研究現(xiàn)狀，對已有配電變壓器調(diào)壓技術(shù)進行了歸納和總結(jié)。現(xiàn)有的機械式有載調(diào)壓技術(shù)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(jié)構(gòu)較為復(fù)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(xiàn)了免維護，但切換時有沖擊，價格高；電力電子式和復(fù)合式有載調(diào)壓技術(shù)具有無弧、無沖擊切換優(yōu)勢，目前還處于研究與探索階段，主要受限于電力電子開關(guān)技術(shù)性能水平，調(diào)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(wǎng)比例增長快速，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)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(wǎng)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(wǎng)電壓控制與管理帶來更加嚴峻的挑戰(zhàn)。免維護、無沖擊、性價比高的配電變壓器有載調(diào)壓技術(shù)及其產(chǎn)品研制將成為該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向和需要深入研究與關(guān)注的重點，以支撐智能配電網(wǎng)建設(shè)及其電壓無功綜合控制功能的實現(xiàn)，滿足現(xiàn)代配電網(wǎng)經(jīng)濟運行和供電電壓質(zhì)量新需求。（王金麗，馬釗, 潘旭 中國電力科學(xué)研究院，北京100192; 王利  配電變壓器節(jié)能技術(shù)北京市重點試驗室，北京）