電力變壓器無弧有載調(diào)壓方案

張 凱 楊少輝

（國網(wǎng)濱州供電公司，山東 濱州 256600）

電力變壓器有載調(diào)壓是電壓調(diào)節(jié)重要手段，目前變壓器有載調(diào)壓技術(shù)在 10kV及以上電網(wǎng)中普遍應(yīng)用[1]。電力變壓器利用有載分接開關(guān)進(jìn)行有載調(diào)壓，目前國內(nèi)應(yīng)用的有載分接開關(guān)為機(jī)械式有載分接開關(guān)，在調(diào)壓過程中存在故障率高、調(diào)壓過程中產(chǎn)生的電弧燒蝕觸頭、需要經(jīng)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(diào)壓方案。

1 研究現(xiàn)狀

針對機(jī)械式有載分接開關(guān)切換過程產(chǎn)生電弧、使用壽命短等弊端，國內(nèi)外學(xué)者提出多種用電力電子器件（SCR或SSR）代替機(jī)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(guān)[5]，開關(guān)省去機(jī)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(guān)具有切換過程無電弧，切換速度大于機(jī)械式有載分接開關(guān)等優(yōu)點，但也存在一些缺陷。

圖1 一種電力電子式有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)

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

2）電力電子器件導(dǎo)通后長期載流，存在導(dǎo)通壓降通常在1V以上，通態(tài)損耗高（可達(dá)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(guān)內(nèi)部將發(fā)生斷線或短路，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。

圖2為一種混合式有載分接開關(guān)[6]，保留了機(jī)械式有載分接開關(guān)的分接選擇器和切換開關(guān)，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(jī)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(jī)械觸頭完成載流。

圖2 一種混合式有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)

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

混合式有載分接開關(guān)與機(jī)械式有載分接開關(guān)和電力電子式有載分接開關(guān)相比，具有明顯優(yōu)勢：

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

2）切換完成后電力電子器件退出載流回路，由機(jī)械觸頭載流，降低了因電力電子器件長期導(dǎo)通引起的損耗，延長有載分接開關(guān)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(quán)利終身，沒收個人全部財產(chǎn)；以玩忽職守罪判處其有期徒刑7年，兩罪并罰，決定執(zhí)行死刑，剝奪政治權(quán)利終身，沒收個人全部財產(chǎn)。 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(zhí)行死刑。

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

2 無弧有載調(diào)壓解決方案

國內(nèi)外學(xué)者提出的無觸點電力電子式有載分接開關(guān)及混合式有載分接開關(guān)等無弧有載調(diào)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(guān)。

2.1 過渡支路

圖3為新型混合式有載分接開關(guān)過渡支路，在調(diào)壓過程中保證負(fù)載電流連續(xù)。如圖3所示，過渡支路是由一組反并聯(lián)晶閘管和一只過渡電阻組成。在混合式有載分接開關(guān)切換支路動作之前，晶閘管觸發(fā)單元先將過渡支路的一組反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，切換支路動作完成后，晶閘管觸發(fā)單元將過渡支路的反并聯(lián)晶閘管關(guān)斷，過渡支路退出載流，由切換支路的機(jī)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(guān)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(lián)晶閘管 SCR2與兩條切換支路 C-D、E-F組成，反并聯(lián)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(guān)不動作的情況下，這8組觸頭中同在一側(cè)的4只為閉合狀態(tài)，另外4只為打開狀態(tài)，切換支路C-D或E-F承擔(dān)負(fù)載電流。

圖4 晶閘管輔助切換支路

2.3 開關(guān)結(jié)構(gòu)與調(diào)壓過程

混合式有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)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(guān)的切換部分，與分接選擇器相連接。當(dāng)負(fù)載電壓超過安全波動范圍時，控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)壓指令，控制晶閘管配合機(jī)械部分動作，完成無弧調(diào)壓。

假定初始狀態(tài)時有載分接開關(guān)接變壓器分接頭1，C-D側(cè)觸頭閉合，E-F側(cè)觸頭打開，SCR1處于關(guān)閉狀態(tài)，由于負(fù)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(guān)結(jié)構(gòu)

1）混合式有載分接開關(guān)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(fù)載電流過零時，晶閘管觸發(fā)單元2發(fā)出觸發(fā)脈沖，導(dǎo)通反并聯(lián)晶閘管SCR2，SCR2導(dǎo)通后打開觸頭2和3，因反并聯(lián)晶閘管SCR2導(dǎo)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(chǎn)生。

4）晶閘管觸發(fā)單元2停止發(fā)出觸發(fā)脈沖，電流過零時，反并聯(lián)晶閘管 SCR2自然關(guān)斷，此時負(fù)載電流流經(jīng)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(fù)載電流過零時，晶閘管觸發(fā)單元2發(fā)出觸發(fā)脈沖，導(dǎo)通反并聯(lián)晶閘管SCR2，SCR2導(dǎo)通后閉合觸頭6、7，因晶閘管SCR2導(dǎo)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(chǎn)生，此時電流經(jīng)過A-B支路與E-F支路。

圖6 新型混合式有載分接開關(guān)仿真模型

7）晶閘管觸發(fā)單元2停止發(fā)出觸發(fā)脈沖，電流過零時，反并聯(lián)晶閘管 SCR2自然關(guān)斷，此時負(fù)載電流流經(jīng)A-B支路、E-F支路的機(jī)械觸頭。

8）晶閘管觸發(fā)單元1停止發(fā)出觸發(fā)脈沖，負(fù)載電流過零時，反并聯(lián)晶閘管 SCR2自然關(guān)斷，負(fù)載電流流經(jīng)E-F支路，一次調(diào)壓完成。

3 設(shè)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(guān)調(diào)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(cè)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(xiàn)出切換的具體過程，故采用三個單相變壓器串聯(lián)并通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置組成有載調(diào)壓變壓器T2，并且設(shè)置變壓器T2的一次側(cè)為調(diào)壓側(cè)，T2的一、二次側(cè)額定電壓分別為35kV，10kV；BRK1、BRK2為混合式有載分接開關(guān)的切換開關(guān)機(jī)械觸頭，同兩條反并聯(lián)晶閘管支路SCR1、SCR2輔助切換，BRK1、BRK2動作之前，先控制SCR1、SCR2導(dǎo)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(guān)的過渡支路，輔助機(jī)械開關(guān)的切換；BRK3、BRK4、BRK5作為有載分接開關(guān)的分接選擇器，來選擇變壓器T2的分接頭，因有載分接開關(guān)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(fù)載側(cè)電壓，將三個繞組串聯(lián)，設(shè)定系統(tǒng)正常運行時負(fù)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(fù)載電壓的波動。

3.2 調(diào)壓過程

設(shè)定 9.5～10.5kV為電壓安全波動范圍，當(dāng)負(fù)載電壓超過安全波動范圍后有混合式有載分接開關(guān)動作。一次調(diào)壓過程如下：

假定初始時刻BRK7閉合負(fù)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(fù)荷電壓降低，混合式有載分接開關(guān)需要做升壓調(diào)節(jié)。首先BRK3閉合選擇變壓器分接頭，0.12s時刻觸發(fā)導(dǎo)通SCR3，過渡支路通電，0.14s時刻觸發(fā)導(dǎo)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(guān)斷SCR2，此時電流從SCR3的過渡支路流過，0.20s 觸發(fā)導(dǎo)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(guān)斷SCR1，0.26s關(guān)斷SCR3，然后BRK4關(guān)斷，一次調(diào)壓完成。

調(diào)壓過程中各反并聯(lián)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(cè)電壓電流波形如圖8所示。

圖8 變壓器二次側(cè)電壓電流波形

負(fù)載電壓波形如圖9所示。

在整個調(diào)壓過程中，反并聯(lián)晶閘管與斷路器配合，負(fù)載電流平滑連續(xù)，變壓器二次側(cè)電壓、電流平滑連續(xù)，負(fù)載電壓波動較小。

圖9 負(fù)載電壓波形

4 結(jié)論

本文在對現(xiàn)有技術(shù)的總結(jié)和分析的基礎(chǔ)上提出了利用混合式有載分接開關(guān)進(jìn)行電力變壓器無弧調(diào)壓方案，混合式有載分接開關(guān)即繼承了傳統(tǒng)機(jī)械式有載分接開關(guān)機(jī)械觸頭載流可靠性高的優(yōu)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(yōu)點：

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

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

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

[2] 張德明. 有載分接開關(guān)國內(nèi)現(xiàn)狀及其發(fā)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(guān)的研究[J]. 高電壓技術(shù), 2004, 30(4): 49-51.

[4] Faiz J, Siahkolah B. New Solid-State on-Load Tap-Changer topology for distribution transformers[J].Power Engineering Review, IEEE, 2002, 22(8): 71-71.

[5] 張品秀. 基于晶閘管的有載自動調(diào)壓分接開關(guān)的研究[D]. 哈爾濱: 東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2009.

[6] 蘇澤光, 李勁松, 徐祖華. 基于電力電子技術(shù)新型分接開關(guān)的發(fā)展[J]. 電氣應(yīng)用, 2005, 24(4): 43-46.