電力變壓器無弧有載調壓方案

張 凱 楊少輝

（國網濱州供電公司，山東 濱州 256600）

電力變壓器有載調壓是電壓調節重要手段，目前變壓器有載調壓技術在 10kV及以上電網中普遍應用[1]。電力變壓器利用有載分接開關進行有載調壓，目前國內應用的有載分接開關為機械式有載分接開關，在調壓過程中存在故障率高、調壓過程中產生的電弧燒蝕觸頭、需要經常更換絕緣油等諸多缺陷[2]，迫切需要一種新型無弧有載調壓方案。

1 研究現狀

針對機械式有載分接開關切換過程產生電弧、使用壽命短等弊端，國內外學者提出多種用電力電子器件（SCR或SSR）代替機械觸頭的解決方案[3-4]。圖 1為一種無觸點的電力電子有載分接開關[5]，開關省去機械觸頭，將SSR直接連接在變壓器分接頭上，通過控制SSR的通斷選擇變壓器分接頭。這種電力電子式有載分接開關具有切換過程無電弧，切換速度大于機械式有載分接開關等優點，但也存在一些缺陷。

圖1 一種電力電子式有載分接開關結構

1）使用電力電子器件數量多，每個分接頭都要連接一組電力電子器件，過多調壓級數會使開關成本增高、體積龐大。

2）電力電子器件導通后長期載流，存在導通壓降通常在1V以上，通態損耗高（可達kW級）。

3）可靠性受電力電子器件制約，可靠性較差，如電力電子器件損壞，開關內部將發生斷線或短路，不利于電網穩定。

圖2為一種混合式有載分接開關[6]，保留了機械式有載分接開關的分接選擇器和切換開關，過渡電路增加了電力電子器件，通過開斷電力電子器件來輔助機械觸頭完成切換，切換完成后電力電子器件退出載流回路，由機械觸頭完成載流。

圖2 一種混合式有載分接開關結構

圖中A為變壓器調壓繞組，1、2為變壓器調壓繞組分接頭，SCR1、SCR2、SCR3分別為三組反并聯晶閘管，R1、R2為限流電阻，黑色條形方塊為切換開關動觸頭，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為切換開關靜觸頭。開關通過開斷SCR來輔助機械觸頭切換進行調壓。

混合式有載分接開關與機械式有載分接開關和電力電子式有載分接開關相比，具有明顯優勢：

1）電力電子器件輔助機械觸頭切換，切換過程無電弧產生，可以減少濾油和換油的次數。

2）切換完成后電力電子器件退出載流回路，由機械觸頭載流，降低了因電力電子器件長期導通引起的損耗，延長有載分接開關使用壽命。

2007年5月29日，北京市第一中級人民法院對鄭筱萸案作出一審判決，以受賄罪判處鄭筱萸死刑，剝奪政治權利終身，沒收個人全部財產；以玩忽職守罪判處其有期徒刑7年，兩罪并罰，決定執行死刑，剝奪政治權利終身，沒收個人全部財產。 6月22日作出二審裁定，駁回上訴，維持原判。7月10日，鄭筱萸被執行死刑。

但這種混合式有載分接開關存在缺陷，每一相須使用3組反并聯晶閘管，開關成本高；如果一組晶閘管被擊穿或損壞，有載分接開關將無法正常使用，開關可靠性低。

2 無弧有載調壓解決方案

國內外學者提出的無觸點電力電子式有載分接開關及混合式有載分接開關等無弧有載調壓解決方案都存在不可避免的缺陷，可靠性不高。為解決上述解決方案的缺陷，本文提出一種新型混合式有載分接開關。

2.1 過渡支路

圖3為新型混合式有載分接開關過渡支路，在調壓過程中保證負載電流連續。如圖3所示，過渡支路是由一組反并聯晶閘管和一只過渡電阻組成。在混合式有載分接開關切換支路動作之前，晶閘管觸發單元先將過渡支路的一組反并聯晶閘管觸發導通，切換支路動作完成后，晶閘管觸發單元將過渡支路的反并聯晶閘管關斷，過渡支路退出載流，由切換支路的機械部分載流。

圖3 過渡支路

2.2 晶閘管輔助切換支路

晶閘管輔助切換支路是混合式有載分接開關的切換部分。如圖4所示，晶閘管輔助切換支路由一組反并聯晶閘管 SCR2與兩條切換支路 C-D、E-F組成，反并聯晶閘管連接在兩條切換支路C-D、E-F之間，配合兩條支路之間的無弧切換。1-8為切換支路的8組觸頭，分別由動觸頭和靜觸頭組成，在混合式有載分接開關不動作的情況下，這8組觸頭中同在一側的4只為閉合狀態，另外4只為打開狀態，切換支路C-D或E-F承擔負載電流。

圖4 晶閘管輔助切換支路

2.3 開關結構與調壓過程

混合式有載分接開關結構如圖5所示，過渡支路與晶閘管輔助切換支路組成混合式有載分接開關的切換部分，與分接選擇器相連接。當負載電壓超過安全波動范圍時，控制系統發出調壓指令，控制晶閘管配合機械部分動作，完成無弧調壓。

假定初始狀態時有載分接開關接變壓器分接頭1，C-D側觸頭閉合，E-F側觸頭打開，SCR1處于關閉狀態，由于負載電壓變動要從分接頭1切換到2分接頭，一次切換過程如下。

圖5 新型混合式有載分接開關結構

1）混合式有載分接開關的分接選擇器在不帶電的情況下將分接頭位置切換到分接頭 2，此時分接頭1正常接通。

3）下次負載電流過零時，晶閘管觸發單元2發出觸發脈沖，導通反并聯晶閘管SCR2，SCR2導通后打開觸頭2和3，因反并聯晶閘管SCR2導通后將觸頭2、3兩端的電壓拉低到起弧電壓以下，打開觸頭2、3時無電弧產生。

4）晶閘管觸發單元2停止發出觸發脈沖，電流過零時，反并聯晶閘管 SCR2自然關斷，此時負載電流流經A-B過渡支路。

5）打開觸頭1和觸頭4，同時觸頭5和觸頭8閉合。

6）負載電流過零時，晶閘管觸發單元2發出觸發脈沖，導通反并聯晶閘管SCR2，SCR2導通后閉合觸頭6、7，因晶閘管SCR2導通將觸頭6、7兩端電壓拉低到起弧電壓以下，在閉合觸頭6、7時無電弧產生，此時電流經過A-B支路與E-F支路。

圖6 新型混合式有載分接開關仿真模型

7）晶閘管觸發單元2停止發出觸發脈沖，電流過零時，反并聯晶閘管 SCR2自然關斷，此時負載電流流經A-B支路、E-F支路的機械觸頭。

8）晶閘管觸發單元1停止發出觸發脈沖，負載電流過零時，反并聯晶閘管 SCR2自然關斷，負載電流流經E-F支路，一次調壓完成。

3 設計方案的仿真分析

3.1 仿真模型建立

建立了混合式有載分接開關調壓模型。在模型中，單相變壓器T1為理想升壓變壓器，一、二次側電壓分別分10.5kV、35kV，由10.5kV理想電源G供電；因 PSCAD元件庫中變壓器模型的分接頭無法體現出切換的具體過程，故采用三個單相變壓器串聯并通過適當的參數設置組成有載調壓變壓器T2，并且設置變壓器T2的一次側為調壓側，T2的一、二次側額定電壓分別為35kV，10kV；BRK1、BRK2為混合式有載分接開關的切換開關機械觸頭，同兩條反并聯晶閘管支路SCR1、SCR2輔助切換，BRK1、BRK2動作之前，先控制SCR1、SCR2導通，將BRK1、BRK2兩端的電壓拉低到起弧電壓以下；SCR3與過渡電阻組成混合式有載分接開關的過渡支路，輔助機械開關的切換；BRK3、BRK4、BRK5作為有載分接開關的分接選擇器，來選擇變壓器T2的分接頭，因有載分接開關的分接選擇器切換是在不帶電的情況下切換，BRK3、BRK4、BRK5的動作條件是本支路無電流通過；采用一個單相四繞組的變壓器T3來控制負載側電壓，將三個繞組串聯，設定系統正常運行時負載電壓為10kV，通過斷路器BRK6、BRK7、BRK8的開閉控制接入不同繞組來模擬負載電壓的波動。

3.2 調壓過程

設定 9.5～10.5kV為電壓安全波動范圍，當負載電壓超過安全波動范圍后有混合式有載分接開關動作。一次調壓過程如下：

假定初始時刻BRK7閉合負荷電壓為10kV，此時 BRK4、BRK2閉合，在 0.1s時刻，BRK7打開BRK6閉合，引起負荷電壓降低，混合式有載分接開關需要做升壓調節。首先BRK3閉合選擇變壓器分接頭，0.12s時刻觸發導通SCR3，過渡支路通電，0.14s時刻觸發導通SCR2將BRK2兩端電壓拉低到起弧電壓以下，0.16s BRK2打開，0.18s關斷SCR2，此時電流從SCR3的過渡支路流過，0.20s 觸發導通SCR2，將 BRK1兩端電壓拉低到起弧電壓以下，0.22s BRK1閉合，0.24s關斷SCR1，0.26s關斷SCR3，然后BRK4關斷，一次調壓完成。

調壓過程中各反并聯晶閘管與斷路器電流切換過程通過的電流如圖7所示。

圖7 切換電流波形

變壓器T2二次側電壓電流波形如圖8所示。

圖8 變壓器二次側電壓電流波形

負載電壓波形如圖9所示。

在整個調壓過程中，反并聯晶閘管與斷路器配合，負載電流平滑連續，變壓器二次側電壓、電流平滑連續，負載電壓波動較小。

圖9 負載電壓波形

4 結論

本文在對現有技術的總結和分析的基礎上提出了利用混合式有載分接開關進行電力變壓器無弧調壓方案，混合式有載分接開關即繼承了傳統機械式有載分接開關機械觸頭載流可靠性高的優點，又克服了其切換過程中存在電弧、過渡損耗高的缺陷，有以下優點：

1）切換過程無電弧產生，不會使變壓器絕緣油極化，減少濾油和換油的次數，增加了開關使用壽命。

2）切換完成后電力電子器件退出載流回路，由機械觸頭載流，降低了因電力電子器件長期導通引起的損耗，延長了有載分接開關使用壽命。

[1] 王福興. 新型無弧有載分接開關研制的可能性[J].電網技術, 1997, 21(7): 54-57.

[2] 張德明. 有載分接開關國內現狀及其發展動向[J].變壓器, 2000, 37(1): 36-39.

[3] 趙剛, 施圍. 無弧有載分接開關的研究[J]. 高電壓技術, 2004, 30(4): 49-51.

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[5] 張品秀. 基于晶閘管的有載自動調壓分接開關的研究[D]. 哈爾濱: 東北農業大學, 2009.

[6] 蘇澤光, 李勁松, 徐祖華. 基于電力電子技術新型分接開關的發展[J]. 電氣應用, 2005, 24(4): 43-46.