10 kV機械式自動調壓調容開關結構分析

潘新華

（北京博瑞萊智能科技周口有限公司，河南 周口 466700）

0 引 言

現階段，調容調壓變壓器已有越來越多的使用場合。由于它應對負荷變化而對應在大小容量的調整比對普通變壓器的優勢明顯，調容調壓開關呈現出多樣的發展[1]。它主要分為電子式和機械式兩大類。但是，電子式以晶閘管為開斷轉換元件，受本身特性限制，成本的性價比和可靠性不高，在10 kV領域應用不廣泛。機械式調容調壓開關沿襲高電壓等級設計，之前由于經濟性原因只在局部使用，隨著開關技術的發展和成本控制，使得調容調壓開關在10 kV領域的優勢逐步體現，現階段有著廣泛應用。

1 調壓調容開關實現原理和動作分析

1.1 調壓原理及開關動作分析

電力變壓器的電壓調節通常是在一次繞組上設置調壓分接頭或著設置單獨的調壓繞組，都是通過調節一次繞組的匝數來適應電網電壓的波動，以維持二次輸出電壓的穩定。對應調壓開關需具備調檔切換功能，使得開關和變壓器高壓線圈抽頭連接后，通過開關的觸頭轉換，調節變壓器線圈的繞組匝數，已達到二次電壓穩定輸出[2]。

圖1為調壓開關，調壓動作配合分析（如圖2所示）如下：t1時間由控制系統發出動作命令，開關的機構做出相對反應帶動觸點開合。主滅弧開關6K1和過渡電阻投入開關6K2同時動作，6K1投入過渡電阻，保證調壓選擇開關5K動作，同時保持電壓連續穩定，動作時間為t2～t9；6K2開斷主回路，用以保證調壓選擇開關5K無弧切換，動作時間同樣t2～t9；調壓選擇開關5K2先開斷，動作時間為t4，選擇升壓或降壓抽頭投入5K4，動作時間為t5。配合時間要求需滿足交集不等式（單位ms）：

圖1 調容調壓開關原理圖

1.2 調容開關原理及開關動作分析

電力變壓器的容量調節通常是通過高低壓線圈串并聯或者高壓Δ-Y轉換、低壓串并聯轉換來實現。對應調容開關具備高壓轉換的同時，低壓進行切換。高壓開關具備10 kV轉換和正常負荷切換功能，低壓開關具備大電流導通能力和正常負載切換功能。如圖2所示，調容動作配合分析：t1時間發出動作命令，開關機構做出相對反應帶動觸點開合；過渡電阻投入開關6K1和主滅弧開關6K2同時動作，6K1投入過渡電阻，保證調容開關動作過程中高壓保持連續不斷電，動作時間為t2～t9；6K2開斷主回路，保證調容高壓開關1K無弧或微弧切換；動作時間同樣t2～t9；調容高壓開關1K外接變壓器高壓繞組抽頭，完成高壓繞組的串并聯或Δ-Y轉換，動作時間為t3～t8；在高壓開關動作同時，低壓開關2K完成低壓轉換，使得外接變壓器低壓繞組抽頭實現串聯及并聯的轉換，動作時間為t6～t7。配合時間要求需滿足交集不等式（單位ms）：

圖2 調容調壓開關時序配合

2 兩類機械式調容調壓開關簡介

目前，市場上主要有兩大類調容調壓開關。

第一類調容調壓開關，如圖3所示。調容開關和調壓開關共箱設計，主要由高壓定觸頭6、高壓動觸頭7、低壓定觸頭10、低壓動觸頭11、操動機構1、15、快速機構2、16、撥盤8、撥件9和絕緣筒4等構成。構成獨立開關油室5，通過主軸3傳動調容。觸頭開合均為轉動模式，此類調容調壓開關沿襲高電壓等級設計，在10 kV調容變的早期使用中處于主導位置。

隨著調容調壓開關的發展，第二類調容調壓開關開始興起，并逐步占據市場的主導位置。如圖4所示，調容開關和調壓開關同樣為共箱設計，主要由高壓定觸頭6、高壓動觸頭7、低壓定觸頭10、低壓動觸頭11、調容操動永磁機構1和2、調壓操作永磁機構15和16、調容傳動件8和9、調壓傳動件12和13、高壓絕緣封板4和低壓絕緣封板20等構成。構成獨立開關油室5，通過傳動軸3傳動調容。高壓觸頭為撞擊式，低壓觸片為夾合式，均為直線傳動。由于本類型調容調壓開關采用了永磁機構配合蓄能彈簧，使得其換擋和連續動作時間減少，動作迅速，觸頭斷開瞬間速度可達到1.2 m/s，可瞬間熄弧。加之真空管的運動為直線往復動作，和此類型開關的直線傳動完全符合，對后期實現真空滅弧、無污染、免維護預留了良好的空間。綜合以上特點，此類型開關在10 kV調容變中運用越加廣泛，有取代第一類調容調壓開關的趨勢。

圖3 側裝調容調壓開關結構示意圖

圖4 頂裝調容調壓開關結構示意圖

3 兩類開關外接與變壓器器身連接簡介

3.1 側裝式開關連接簡介

這一類調容調壓開關與變壓器器身相連接時，安裝在變壓器器身的一側，如圖5所示。開關6通過外接端子3和連接紙包銅線1同變壓器器身5的接線端子2相連，開關的不同相及檔位對應繞組抽頭的外接端子連接。該種結構連接線往往需要通過木夾件4來固定，對接時往往需要在固定工裝或一體頂蓋上進行火焊或冷壓對接，效率較低，且相對本體器身需要外擴尺寸偏大，用變壓器油量增多，銅引線過長，導致整體成本增高。

圖5 側裝開關一次連接示意圖

3.2 置頂安裝式開關簡介

這一類調容調壓開關與變壓器器身相連時，開關位于變壓器器身的上方，頂蓋以下（如圖6所示）。開關6通過外接端子3和連接紙包銅線1同變壓器器身5的接線端子2相連，其開關抽頭和變壓器器身外接端子各相之間上下一一對應，簡化了連接銅引線。對比普通變壓器，只加高了一部分油箱尺寸；相對使用變壓器油量和連接銅引線的數量，較上一方案有大幅減少，整體成本顯著降低。

圖6 頂裝開關一次連線示意圖

4 調容調壓開關的發展趨勢

4.1 快速響應，免維護、智能綜合型方向發展

通過永磁驅動提高調容調壓開關的反應速度引入真空滅弧，使得觸頭無弧無燒蝕，獨立開關油室，變壓器油無碳化、免維護。控制器通過Wi-Fi熱點與手機連接，可近、可遠查看變壓器運行狀況和無線操作，實現四遙等功能集成，是近來調容調壓開關的發展方向[3-5]。

4.2 可靠性方向發展

調容調壓變壓器在早期手動調節時，由于每次都要斷電調節，不僅程序復雜，也影響供電的連續性。隨著開關技術的發展和市場需求的增加，自動調容調壓變壓器應運而生。相比手動調節，自動調容調壓變壓器不需要臨時斷電，可在帶有負載的情況下進行轉換。雖有約100 ms的極短時斷電情況，但相比手動調節已有了巨大進步。調容調壓技術在10 kV網絡開始小范圍推廣，但由于開關轉換過程中不可避免會出現拉弧，雖然有獨立的開關油箱，但開關油箱內的變壓器油仍然會污染碳化。此類開關需要配置在線濾油系統，無形中提高了整體成本。隨著開關技術的發展，調容調壓開關引入過渡電阻和真空滅弧室，使得自動調容調壓轉變為有載調容調壓。在開關轉換的過程中并聯過渡電阻，使得變壓器在大小容量轉換或高低電壓轉換過程中不再斷電。此外，真空泡的引入使得開關轉換過程的滅弧在真空管中完成，這樣對變壓器油就沒有了碳化情況，即提高了運行的可靠性，提高了供電質量。因此，真空有載調容調壓開關的出現，使得真空有載變壓器得以廣泛推廣。可見，更加經濟地實現供電的連續性和可靠性，仍是調容調壓開關發展的方向。

4.3 低成本高性能方向發展

我國變壓器的總損耗約占系統發電量的10%，其中配電變壓器損耗占比約為總損耗的70%。所以，降低配電變壓器的損耗特別是空載損耗具有十分重要的意義。根據統計數據，一臺S11型大、小容量分別為200 kVA與63 kVA的調容變壓器，較同型號普通變壓器每年可節約電能4 725 kW·h；一臺S11型大、小容量分別為315 kVA與100kVA的有載調容變壓器，年節省費用5 756.9元。所以，將調容調壓開關的成本控制在8 000元左右，在普通變壓器的基礎上增加的成本，基本在一年半的時間可以收回，才能滿足新時代的需求。開關的設計方面要更加經濟化，選擇體積偏小的調容調壓組合開關來取代傳統成本高、體積大的開關。同時，這些調容調壓開關在使用過程中不需要在擁有一定動作數量后進行濾油，更適合應用于電網建構，能夠給電網系統的構建帶來一定的經濟效益。

5 結 論

城市規劃中，10 kV配電網的建設較為普遍。在負荷使用越來越大、時間段越來越集中的前提下，人們對調容調壓開關技術提出了越來越高的要求。為了使其在日后運行中更加穩定、安全和高效，針對10 kV自動調容調壓配電器，它的廣泛運用不但對整個電力行業至關重要，還能更好地為人們提供優質的服務。