電力變壓器有載調壓技術的新進展
【關鍵詞】有載調壓,電力變壓器,分接開關
【論文摘要】介紹了變壓器有載調壓系統的現狀與存在的問題，以及變壓器有載調壓技術的新進展，同時對三種典型的調壓技術的動作原理和發展過程進行了分析和比較，並得出了一些有價值的結論。
在我國，變壓器有載調壓技術廣泛用於配電系統，在發電廠的升壓變壓器中也有應用。其基本原理是從變壓器某一側的線圈中引出若干分接頭，通過有載分接開關，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，達到調節電壓的目的。傳統的有載調壓變壓器，採用機械式調壓分接開關，存在許多問題，如產生電弧，動作速度慢，維護不便，故障率高等。我國目前普遍採用的機械式調壓分接開關，對改善調壓開關的特性，提高變壓器有載調壓的可靠性具有重要意義。
1傳統有載調壓變壓器
傳統變壓器有載調壓裝置採用機械式有載分接開關，其動作原理如圖1所示(以雙過渡電阻爲例)。
圖1中，在選擇好分接頭後，轉換開關從左至右(或從右至左)切換。機械式開關的動作(包括其驅動齒輪)容易導致操作性事故，降低了變壓器的可靠性。機械開關在動作時，會產生一定的電弧，使開關的觸點逐漸燒蝕，在操作一定次數後，必須更換觸頭，而且電弧的產生會導致變壓器油質下降，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。據統計，1990年全國110～500kV變壓器事故中，有載調壓分接開關的事故和故障分別佔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故障約佔25%，事故和故障率高，而且有上升的趨勢。由於機械式開關的動作時間長，一般爲5s，因此，傳統有載調壓變壓器只用於穩態的電壓調節。
2新型有載調壓變壓器
針對傳統有載調壓變壓器機械式開關存在的問題，各國研製出多種新型有載調壓裝置。按照其調壓分接頭的組成，新型有載調壓變壓器分爲機械式改進型，輔助線圈型和電力電子開關型三類。
2.1機械式改進型
機械式改進型有載調壓變壓器是在傳統型的基礎上加一電子開關電路變換而成。其分接開關只需1個過渡電阻和少量的晶閘管，通過電子開關電路和機械開關的配合，限制其操作過程中產生電弧，圖2爲其工作原理圖。
圖2中，A和B、C和D、E和F均是機械開關的觸頭，圖3爲電子開關實現電路。
圖3中，1對反接的晶閘管接在機械開關的兩端，1和4、2和3分別是2對機械開關的觸頭。以A—B電流從2—3支路流過，需要斷開該開關支路爲例：當斷開2—3支路時，觸頭上的電壓觸發了晶閘管5或6，二極管D2提供門極電流，二級管D1用於防止反向門極電壓，電流立即從1—4支路流過。由於電流過零時，晶閘管關斷，持續的電流不超過05個週期，同時，不會產生電弧。合上開關支路時，由於1—4支路是先合上的，晶閘管支路分得了一部分電流，2—3支路上的電弧被限制。這種調壓裝置的優點是不需要時間控制迴路；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。缺點是速度慢。
2.2輔助線
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早在1979年Arrillage就提出這種方法，圖4爲其最初的原理圖。
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的一側與T1的第三繞組通過1對反接的晶閘管開關S1相連。若晶閘管S1的觸發無延時，即在過零時觸發，電壓則同相位地加到負荷上；若晶閘管S1的觸發有延時，短路開關S2用來防止升壓變壓器T2開路。
之後，加拿大的Krishnamurthy在此基礎上進行了改進，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，Siemens—Allis公司的Harlow等提出了另一種基於輔助線圈的有載調壓變壓器，以實現無弧操作。它主要包括1個可調0.625%額定電壓的輔助線圈。將該耦合線圈接入，可調壓0.625%，如圖5示。圖6是其具體的實現電路。
正常工作時(如圖6所示)，負荷電流通過S開關和B開關流過。以升高電壓爲例，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，此時有環流；(3)開斷S，此時SCR2仍保持導通狀態；(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S，無電弧，因SCR2處於導通狀態。降壓過程與此類似。整個過程均不產生電弧。
Arrillage及其改進方法的優點是操作簡單，全由晶閘管實現；缺點是產生諧波，諧波的含量與晶閘管的觸發角有關，以副方三次諧波爲例，電流可達2.5%，電壓可達4%。
Siemens—Allis公司的方法可以實現無弧操作，但過程複雜，可靠性差。由於各開關按無弧標準設計，當SCR的觸發脈衝發生故障時，開關將被燒燬。
2.3電力電子開關型
隨着電力電子技術的發展，晶閘管的容量及性能有了提高，使採用微處理器直接控制晶閘管電力電子開關的切換成爲可能，無需利用機械開關輔助。通過選擇適當觸發時間，儘量減少晶閘管消耗的功率。目前，此技術還處於試驗階段。圖7爲其原理框圖。
圖7電力電子開關型原理圖
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，以減少晶閘管環流。微處理器的引入，使調壓變壓器可根據系統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，或者其他系統故障，選擇限制晶閘管動作或將其閉鎖。缺點是：雷電衝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壓變壓器的比較
見表1。
從表1看出，三類調壓方法各有優缺點。我國目前有關新型變壓器有載調壓技術的研究不多，如能借鑑國外的研究成果，根據各地的實際情況將現有的有載調壓變壓器進行改造，有載調壓變壓器的性能將得到提高。
3結論
綜上分析和比較，得出如下結論：
(1)電力電子開關主迴路結構的設計，應充分考慮晶閘管的耐壓、可靠觸發、散熱、保護以及成本等問題，確保有載調壓裝置可靠，成本可接受，以便新型變壓器有載調壓技術的工業化生產和推廣應用。
(2)有載調壓應該根據電力系統的實際運行狀態進行動態調節分接頭，避免故障下調壓。研究表明，有載調壓變壓器在系統出現大擾動時動作，會導致系統的負荷過重，從而產生負調壓效應，降低系統的穩定性。因此，如何及時地診斷系統的故障，保證有載調壓分接頭能正確動作和閉鎖，也是當前新型有載調壓變壓器亟待解決的問題。
(3)隨着電力電子技術特別是晶閘管技術的發展，我國廣泛採用的傳統機械式有載調壓技術必將被新型的快速響應的無弧無衝擊的電力電子調壓技術所取代。
