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(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電壓控制的手段之一，有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)是配電變壓器實(shí)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(yùn)行。介紹了配電變壓器有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，將其分為機(jī)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(shí)現(xiàn)原理與優(yōu)缺點(diǎn)，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(diǎn)。
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(biāo)之一。中國(guó)農(nóng)村電網(wǎng)線路供電半徑大，分支線多，用電負(fù)荷點(diǎn)多面廣，且小而分散，季節(jié)性負(fù)荷特征顯著，用電時(shí)段過(guò)于集中，年均負(fù)載率偏低，峰谷差較大。低谷負(fù)荷期配電變壓器處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)用戶的供電電壓偏高；高峰負(fù)荷期配電變壓器處于重載或超載運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)用戶的供電電壓偏低（簡(jiǎn)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(wèn)題將造成供用電設(shè)備效率降低，危及電網(wǎng)**經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，導(dǎo)致部分家用電器無(wú)法正常使用，嚴(yán)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(jìn)，清潔能源利用比例逐年增加，分布式電源接入、電動(dòng)汽車充電樁批量建設(shè)導(dǎo)致配電網(wǎng)電壓波動(dòng)問(wèn)題更加突出[1]。目前針對(duì)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(dòng)無(wú)功補(bǔ)償、線路自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)确矫妫延形墨I(xiàn)研究并提出了免維護(hù)或無(wú)弧、無(wú)沖擊切換的有載調(diào)壓方案，但是沒(méi)有系統(tǒng)性地分析其優(yōu)缺點(diǎn)，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(diǎn)闡述國(guó)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(wú)載調(diào)壓方式已無(wú)法滿足配電臺(tái)區(qū)層級(jí)的調(diào)壓需求。有載調(diào)壓型配電變壓器可在負(fù)載條件下改變高低壓側(cè)變比，把電壓波動(dòng)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(guó)內(nèi)外早已開(kāi)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(xiàn)[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(jī)械式改進(jìn)型、輔助線圈型和電力電子開(kāi)關(guān)型三類，并對(duì)典型調(diào)壓技術(shù)的動(dòng)作原理和發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了分析和比較。文獻(xiàn)[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(diǎn)，以提高配電變壓器有載調(diào)壓裝置的免維護(hù)性能，提高電壓合格率和供電可靠性。文獻(xiàn)[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(jī)械和電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，采用二進(jìn)制編碼調(diào)節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)配電變壓器無(wú)燃弧式的有載調(diào)壓。
有載調(diào)壓技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了節(jié)能型配電變壓器技術(shù)性能的升級(jí)換代，有助于配電臺(tái)區(qū)的經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行和配電自動(dòng)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(guó)目前實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電壓無(wú)功綜合自動(dòng)控制、限定電壓波動(dòng)在合格范圍內(nèi)的重要手段，對(duì)保障用戶上等電力服務(wù)和提升配電網(wǎng)**、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2配電變壓器新型調(diào)壓技術(shù)與實(shí)現(xiàn)
配電變壓器有載調(diào)壓技術(shù)對(duì)穩(wěn)定電壓、提高電壓合格率意義重大，是智能配電臺(tái)區(qū)實(shí)現(xiàn)電壓無(wú)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(jī)械式、電力電子式、復(fù)合式三大類。機(jī)械式又可分為改進(jìn)型、帶在線濾油裝置型和真空滅弧型3種。
2.1機(jī)械式有載調(diào)壓技術(shù)
（1）機(jī)械式改進(jìn)型。機(jī)械式改進(jìn)型有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)是在傳統(tǒng)機(jī)械式有載分接開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上，附加一電子開(kāi)關(guān)電路，其分接開(kāi)關(guān)由1個(gè)過(guò)渡電阻和少量晶閘管組成，限制分接頭切換過(guò)程的電弧是通過(guò)電子開(kāi)關(guān)電路和機(jī)械開(kāi)關(guān)的配合實(shí)現(xiàn)，分接開(kāi)關(guān)原理和電子開(kāi)關(guān)電路情況具體如圖1所示[3]。機(jī)械式改進(jìn)型有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是無(wú)需配置時(shí)間控制回路，通過(guò)操作機(jī)械開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的觸發(fā)；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作速度慢。
圖1機(jī)械式改進(jìn)型分接開(kāi)關(guān)原理及其電子開(kāi)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(kāi)關(guān)是在傳統(tǒng)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)上附加1臺(tái)在線濾油裝置。在線濾油裝置由控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、濾芯、壓力表、操作面板等組成，其中動(dòng)力系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、油泵構(gòu)成，濾芯分為除水濾芯和除雜濾芯，用來(lái)凈化變壓器油，壓力表用來(lái)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(kāi)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(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)記錄，控制啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵工作，利用壓力將分接開(kāi)關(guān)中的變壓器油通過(guò)連管吸入到濾罐進(jìn)行過(guò)濾，再將過(guò)濾后的油注入到有載分接開(kāi)關(guān)油室中。該有載調(diào)壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)在線自動(dòng)濾油，降低分接切換電弧的影響，減少了維護(hù)成本，適用于傳統(tǒng)配電變壓器的有載調(diào)壓改造；缺點(diǎn)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(hù)工作量（如更換濾芯等）。
（3）真空滅弧型。機(jī)械式真空滅弧型有載調(diào)壓開(kāi)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(wèn)題。機(jī)械式真空滅弧型有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是真空切換開(kāi)關(guān)的選擇與過(guò)渡電路的設(shè)計(jì)，性能水平主要取決于真空觸點(diǎn)的切換參數(shù)，包括額定電流、額定電壓與額定容量。機(jī)械式真空有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)切換電路具體如圖3所示[16]，R為過(guò)渡電阻，V1、V2為真空管。
圖3機(jī)械式真空有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)切換原理
機(jī)械式真空滅弧型有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，動(dòng)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(guò)電壓作用下發(fā)生真空電擊穿情況，導(dǎo)致級(jí)間短路事故。如果增加**防護(hù)后備措施，則需要增加過(guò)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(lái)，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(wú)沖擊無(wú)弧的純電力電子式有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)也一度成為研究重點(diǎn)，主要是采用微處理器直接控制晶閘管電力電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)分接頭的切換。電力電子式有載調(diào)壓開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)原理
電力電子式有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)裝置通過(guò)測(cè)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(jì)算、故障識(shí)別和形成控制指令，適時(shí)切換晶閘管開(kāi)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(shí)際情況進(jìn)行故障識(shí)別，選擇性限制晶閘管動(dòng)作或?qū)⑵溟]鎖。電力電子式有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)主要優(yōu)點(diǎn)是分接頭切換時(shí)無(wú)電弧無(wú)沖擊，無(wú)機(jī)械和電動(dòng)部件，故障率低，維護(hù)工作量小。缺點(diǎn)是對(duì)晶閘管自身性能水平及計(jì)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(jī)械式開(kāi)關(guān)，需要采取措施散熱和降低自身?yè)p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(kāi)關(guān)是綜合利用機(jī)械開(kāi)關(guān)損耗小和電力電子開(kāi)關(guān)切換無(wú)弧無(wú)沖擊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，形成的一種機(jī)械和電力電子混合式調(diào)壓技術(shù)。文獻(xiàn)[10]介紹了一種可控硅輔助換流式有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)，可控硅輔助換流式無(wú)弧調(diào)壓開(kāi)關(guān)原理具體如圖5所示。
圖5可控硅輔助換流式無(wú)弧調(diào)壓開(kāi)關(guān)原理
可控硅輔助換流式有載調(diào)壓開(kāi)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(kāi)關(guān)的過(guò)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(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)有2組可控硅，對(duì)這2組可控硅在電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)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(huì)導(dǎo)致變壓器的部分線圈短路，同樣如其中一個(gè)可控硅管出現(xiàn)延時(shí)導(dǎo)通的情況，則會(huì)造成負(fù)載電流中斷，因此所產(chǎn)生的高恢復(fù)電壓將會(huì)損壞可控硅。
文獻(xiàn)[12]介紹了一種組合式分接開(kāi)關(guān)，主要由TADS型切換開(kāi)關(guān)和選擇器組成，切換開(kāi)關(guān)的觸頭系統(tǒng)由晶閘管和機(jī)械觸頭組成，晶閘管作為切換開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)元件承擔(dān)電弧觸頭功能，負(fù)責(zé)開(kāi)斷切換過(guò)程中的電流。TADS型切換開(kāi)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(guò)渡電阻回路選擇器，R為過(guò)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(jī)械觸點(diǎn)。
圖6TADS切換開(kāi)關(guān)原理
組合式分接開(kāi)關(guān)的每一相切換開(kāi)關(guān)采用一個(gè)晶閘管，機(jī)械觸點(diǎn)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(kāi)關(guān)切換的整個(gè)過(guò)程中，由于機(jī)械觸頭都是在不帶電流情況下分開(kāi)，因此不會(huì)造成觸頭燒損和油污染問(wèn)題，相對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式有載分接開(kāi)關(guān)，壽命期內(nèi)無(wú)需更換觸頭，維護(hù)檢修的工作量將大大減少。該組合式分接開(kāi)關(guān)是一種典型的機(jī)械電子混合式結(jié)構(gòu)，由機(jī)械觸頭與晶閘管結(jié)合而成，可實(shí)現(xiàn)無(wú)電弧切換，但該類型組合式開(kāi)關(guān)的操作與控制較為復(fù)雜。
文獻(xiàn)[17]介紹了一種電力電子開(kāi)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(kāi)關(guān)無(wú)弧切換原理如圖7所示。
圖7復(fù)合式有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)無(wú)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(gè)抽頭；SCR1和SCR2為無(wú)觸點(diǎn)電力電子開(kāi)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(guò)渡電阻。假定*初有載調(diào)壓型配電變壓器運(yùn)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(kāi)狀態(tài)。當(dāng)需要將分接頭由X2調(diào)整到X1時(shí)，調(diào)整過(guò)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(jī)械式有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)相比，不存在任何的運(yùn)動(dòng)部件和電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，真正消除了原有的故障隱患，完全由軟件控制實(shí)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(yǔ)
本文分析了國(guó)內(nèi)外配電變壓器有載調(diào)壓技術(shù)研究現(xiàn)狀，對(duì)已有配電變壓器調(diào)壓技術(shù)進(jìn)行了歸納和總結(jié)?，F(xiàn)有的機(jī)械式有載調(diào)壓技術(shù)包含機(jī)械改進(jìn)型、帶在線濾油裝置型、真空滅弧型3類，機(jī)械改進(jìn)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(hù)工作量增加；真空滅弧型實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)，但切換時(shí)有沖擊，價(jià)格高；電力電子式和復(fù)合式有載調(diào)壓技術(shù)具有無(wú)弧、無(wú)沖擊切換優(yōu)勢(shì)，目前還處于研究與探索階段，主要受限于電力電子開(kāi)關(guān)技術(shù)性能水平，調(diào)壓裝置體積偏大，其實(shí)用性還需要進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。
分布式電源接入低壓配電網(wǎng)比例增長(zhǎng)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(jī)性、波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)，與實(shí)際低壓配電網(wǎng)日負(fù)荷曲線難以吻合。隨著分布式電源大量接入、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能等多元化負(fù)荷的增加，將對(duì)配電網(wǎng)電壓控制與管理帶來(lái)更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。免維護(hù)、無(wú)沖擊、性價(jià)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(diǎn)，以支撐智能配電網(wǎng)建設(shè)及其電壓無(wú)功綜合控制功能的實(shí)現(xiàn)，滿足現(xiàn)代配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和供電電壓質(zhì)量新需求。（王金麗，馬釗, 潘旭 中國(guó)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(diǎn)試驗(yàn)室，北京）
