調容變壓器的工作原理與設計要點

馬振邦

（北京博瑞萊智能科技集團有限公司，北京 100095）

0 引 言

目前，全國變壓器總損耗約占系統發電量的4%[1]，其中配電變壓器損耗占比約為總損耗的70%[2]。因此，降低變壓器的損耗特別是配電變壓器的損耗意義重大。作為配電變壓器之一的調容變壓器（以下簡稱調容變），具有大小兩個容量，可根據負載大小自動調節容量。當調容變壓器處于小容量時，變壓器的空載損耗將極大降低。

1 節能原理

變壓器的總損耗包括負載損耗和空載損耗。降低變壓器的負載損耗，意味著要降低變壓器繞組電磁線的電阻，即在繞組匝數和形狀大致不變的情況下增加電磁線的導電面積，會極大地增加變壓器的成本。以容量為400 kVA的10 kV電壓等級的S11或S13型變壓器為例，若要降低變壓器負載損耗的5%，需要增加1 500～2 000元的成本。

空載損耗是磁通在鐵芯上產生的磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗和渦流損耗與磁通密度的二次方成正比，因此降低空載損耗就要降低磁通密度。

其中，BM為磁通密度最大值，et為匝電壓，f為頻率，s為鐵芯凈面積。可見，改變匝電壓就可以改變流過鐵芯的磁通密度，從而降低空載損耗。

調容變就是采用調容開關調整變壓器高、低壓側繞組抽頭的接線方式。降低變壓器正常工作時的匝電壓而降低磁通密度，可起到節能的效果。以S11-400（125）/10型調容變[3]為例，容量為400 kVA時，空載損耗為570 W[4]；變換為125 kVA時，損耗僅約為190 W，已低于非晶合金變壓器[5]。

2 工作原理

2.1 Y-D轉換有載調容調壓變壓器

圖1為結合有載調壓技術的Y-D轉換型有載調容調壓原理圖。圖1（a）為變壓器的小容量狀態，此時變壓器高壓繞組處于Y接狀態，單個繞組承受的輸入電壓為相電壓，低壓側繞組分為三段串聯。圖1（b）為變壓器的大容量狀態，高壓繞組處于D接狀態，單個繞組承受的輸入電壓為線電壓，低壓側繞組三段中兩段并聯再和第三段串聯。小容量時，繞組承受的相電壓是大容量時的線電壓的1/。因為繞組變換前后匝數不變，所以小容量時匝電壓也是大容量時匝電壓的1/，鐵芯磁通的磁通密度也為小容量時是大容量時的1/。根據鐵芯特性，變壓器空載損耗將約降低為大容量時的1/3。

無論變壓器大、小容量，變壓器的低壓輸出電壓應保持不變。為了并聯的繞組間無環流，用于串并聯的兩段繞組匝數必須相等。因此，低壓側繞組應滿足以下關系：(K2+2K1):(K2+K1)=:1，其中K2為非串并聯段繞組匝數，K1為串并聯段兩繞組的匝數，約分后可得K2:K1=0.27:0.73。

調容變變換為小容量后，高壓繞組由D接變為Y接，在負載不變的情況下，高壓Y接的工作電流是D接時的3倍，但將小容量定義為大容量的1/3，小容量的額定工作電流也變為大容量時的1/3，因此高壓繞組實際流過電流為大容量額定電流的1/。負載損耗是電流平方乘以阻值，因此小容量高壓繞組負載損耗是大容量負載損耗的1/3。低壓側繞組大容量時，匝數K2的繞組流過額定電流，匝數K1的并聯繞組，各繞組分別流過額定電流的1/2。因此，可設置匝數K1的并聯繞組，各繞組導電面積為匝數K2的繞組1/2。由于以上計算的K2和K1匝數比，可計算得小容量電阻是大容量時的3.19倍，小容量時低壓負載損耗為大容量的0.354。另外，考慮到引線的影響和渦流雜散損耗的影響，小容量負載損耗約為大容量的1/3。

圖1 Y-D轉換有載調容調壓變壓器原理圖

變壓器的短路阻抗由電抗部分和電阻部分組成。

電抗計算公式為：

其中，Xk%為短路阻抗電抗部分，f為頻率，I1N1為一次側安匝，ΣDr為繞組漏磁面積；ρ為羅氏系數，K為電抗系數；et為匝電壓；hk為電抗高度。式中一次安匝I1N1，由以上內容可知小容量為大容量的基本不變，因此小容量同大容量電抗率基本相等。

電阻部分計算公式為：

其中，RK%為短路阻抗電阻部分，PK為負載損耗，Sn為變壓器容量。當小容量定義為大容量的1/3左右時，由上分析小容量負載損耗約為大容量的1/3，因此小容量同大容量電阻率基本相等。基于以上原因，調容變在調為小容量后，短路阻抗值也同大容量相當。

另外，變壓器空載電流在鐵芯接縫外同磁通密度平方基本成正比，在鐵芯接縫處比磁通密度平方關系更大，根據常規調容變檢驗數據，小容量空載電流約變為大容量時的1/5以下。

綜上所述，將調容變的小容量定義為大容量的1/3，空載損耗及負載損耗均降低為大容量時的1/3，空載電流1/5以下，短路阻抗基本不變。

圖1中，調容開關在大、小容量及轉換過程中及調壓開關在不同檔位間轉換的過程中，均經歷過渡電阻R同開關接點并聯后，主接點才從原狀態轉換為另一狀態的情況。開關轉換過程中，均由過渡電阻保證供電連續性。另外，過渡電阻限制并聯回路的環流。

2.2 串-并聯轉換有載調容調壓變壓器

圖2為串-并聯轉換有載調容調壓變壓器原理圖。高壓繞組和低壓繞組均由兩段繞組組成，小容量時如圖2（a）所示；高、低壓的兩段繞組均串聯，大容量時，圖2（b）兩段繞組均并聯。這樣可以達到的效果為，變壓器小容量的空載損耗和負載損耗將變為大容量的1/4時，短路阻抗不變，空載電流變為大容量的1/8左右，原因分析如2.1，不再贅述。以S11-400（100）/10型調容變為例，變壓器在小容量狀態完全滿足100 kVA變壓器的參數要求。同樣，采用對應有載調容調壓開關可以達到保證供電連續性的目的。

圖2 串-并聯轉換有載調容調壓變壓器原理圖

2.3 兩種調容變的優缺點比較

Y-D轉換的調容變小容量是大容量的1/3，串-并聯轉換的調容變小容量是大容量的1/4，因此Y-D轉換的調容變調到小容量節能的幾率大于串-并聯轉換的調容變。但是，串-并聯轉換的調容變調到小容量時更節能。

Y-D轉換的調容變小容量是Yyn0的接法。這種接法的變壓器零序阻抗偏大，通常可達到50%～60%。因此，一旦低壓負荷三相不平衡會導致三相電壓嚴重偏差。一般規定，這種接法的變壓器單相不平衡負荷引起的中性線電流不得超過低壓繞組額定電流的25%。串-并聯轉換的調容變在調容前后可保持Dyn11接法不變。這種接法的變壓器零序阻抗低，因此即使三相不平衡也可長期運行。另外，因為零序阻抗的不同，Dyn11結線的變壓器配電系統的單相短路電流為Yyn0結線時的3倍以上，有利于單相接地短路故障判斷切除。單從聯結組別講，串-并聯調容變更具優勢。

Y-D轉換的調容變同串并聯轉換的調容變所用調容調壓開關相比，Y-D型調容開關所用觸頭更少，且對應的調壓開關也更簡單。兩種調容變對應的變壓器器身，Y-D型因高壓繞組同普通變壓器一樣，而串并聯型需分段繞制，因此Y-D型高壓繞組更簡單。低壓繞組因串并聯型僅分兩段，因此更簡單。

2.4 小容量時過載能力分析

Y-D轉換的調容變，由上分析可知小容量時實際流過高壓繞組的額定電流僅為大容量時設計值的/3，因此過載至倍才達到設計電流。而流過低壓繞組的額定電流僅為大容量時設計值的2/3，過載至1.5倍才達到設計電流。串并聯型調容變，流過高、低壓繞組的電流為大容量的1/2，過載至2倍才達到設計電流。同時，因為繞組的散熱面積、油箱的散熱面積均是按大容量設計的，所以小容量時實際可過載能力更大。因此，調容變在小容量時臨時的過負荷并不會影響變壓器的安全運行，調容開關不需要頻繁轉換。

3 臨界轉換點

調容變盡管在小容量下空載損耗變小，但繞組阻值實際變大。因此，同樣負載下，變壓器的實際負載損耗變大。以S11-400（125）/10型調容變為例，并非當負荷小于125 kVA變壓器就應運行在小容量，而是存在一個臨界轉換點，在這個轉換點上仍應運行在大容量。

轉換處，有：

解得：

其中：

KP、KQ分別為有功經濟當量和無功經濟當量，指的是變壓器損耗有功和無功的每增加或減少1個單位，受電網所產生有功損耗的增加或減少量。對于配電變壓器取KP=0.2、KQ=0.1，其他符號定義以Y-D轉換S11-400（125）/10型調容變為例見表1。

表1中，小容量時空載損耗和負載損耗值是大容量按國標設計生產，根據調容變特性推導并在實際生產中驗證得出的。如果小容量空載損耗和負載損耗值按同型號非調容變值計算，臨界負載為72.61 kVA。若不考慮有功和無功當量，此值僅為61.6 kVA。

串并聯轉換S11-400（100）/10型調容變，如表2所示。

表1 S11-400（125）/10型調容變的綜合臨界負載

表2 S11-400（100）/10型調容變的綜合臨界負載

大容量同為400 kVA的Y-D轉換型和串并聯轉換型調容變，臨界轉換點按上推導為48.13 kVA，即當負載小于此值時，串并聯轉換型調容變更節能。

合理設置調容轉換點，才能達到降損節能的目的。為了避免調容開關頻繁動作，調容點需設置回差。例如，對于Y-D轉換S11-400（125）/10型調容變來說，大容量調到小容量點設置為60 kVA，而小容量調容到大容量點設置為90 kVA。

4 設計要點

4.1 聯結組別

Y-D轉換型大容量時聯結組別應設計為Dyn11，小容量時為Yyn0。串并聯型大、小容量可設置為Dyn11。當然，上述Dyn11也可設計為Dyn1，但不是常見聯結組別。

4.2 匝數調整

Y-D轉換型調容變的低壓繞組應分為三段，其中兩段用于串并聯段的繞組匝數均為大容量總匝數的73%，第三段匝數為大容量總匝數的27%。此處應注意，因變壓器的低壓匝較少，按此比例分大部分為小數。四舍五入后，大容量變比設計為0%，小容量下變比誤差許多無法滿足國標要求：小于0.5%或實際短路阻抗的1/10。因此，根據設計經驗需要調整高壓匝數。例如，可以使大容量誤差為正偏差而小容量為負偏差，以有效增加變比誤差裕度。此外，匝數仍需選擇：10～30匝間僅 11、15、18、19、22、23、25、26、27、29、30 可選擇，30匝以上32、39、43需規避。串并聯轉換型調容變不存在這個問題，變壓器的低壓可以為任意匝數。

4.3 繞組抽頭與引線結構

調容變繞組抽頭的方式主要是低壓抽頭方式，這同所選用調容開關的接頭位置關系密切。如果選用調容開關安裝在變壓器器身側面，變壓器抽頭一般選在線圈的上端及下端兩處。Y-D轉換型變壓器低壓繞組分為三層，串并聯轉換型調容變分為兩層。每段一層，繞組繞向可根據調容開關轉換要求設置。這樣設置的優點是段間絕緣靠層絕緣保障，工藝好控制，缺點是串、并聯段間存在漏磁感應電壓不同而引起環流問題，且內部段電阻小，外部段電阻大，兩支路電阻不平衡。另外，調容開關在側面低壓引線過長，引線成本較高，存在三相電阻不平衡的問題[6]。

當調容開關安裝在變壓器器身頂部時，三相繞組的出線均同開關的三相引線對應，引向調容開關的繞組抽頭全部選在線圈的上端，這樣引線成本大幅降低，引線損耗降低。另外，開關安裝位置同原無勵磁調壓開關和高低壓瓷瓶出線位置重疊，可以有效利用空間，變壓器油箱較小，用油成本較少。如果調容開關的接線位置分布在頂部的高壓側和低壓側，繞組出頭還可以調整為在線圈頂部，高壓出線側和低壓出線側均出頭。繞組繞制時，兩段串并聯繞組可采用平行并繞或疊繞進行換位。兩段繞組同時占用兩層，第三段占用一層，可有效使兩串并聯支路的電阻平衡，并且避免漏磁感應電壓不同而引起環流問題。但應注意導線間絕緣的問題，特別是容易相對移動的引線抽頭處和換位S彎部位，一旦破損，小容量時出現匝間短路的幾率遠大于普通變壓器。在這些危險部位用厚度為0.5 mm絕緣防護，另包熱縮帶加強，可以有效預防。

還需指出，Y-D型調容變的串并聯段分布在線圈的最內部還是靠近高、低壓間主空道，會影響調容變小容量時的短路阻抗。

在計算變壓器短路阻抗時，需計算變壓器的漏磁面積。變壓器低壓側匝數分布均勻時，漏磁面積如圖3（a）所示。串并聯段在線圈最內側時，漏磁面積如圖3（b）所示；串并聯段靠近主空道時，漏磁面積如圖3（c）所示。顯然，串并聯段在線圈最內側時，因大容量時73%匝數變為小容量時匝數會變為2倍，因此線圈從內向外沿徑向單位尺寸分布匝數明顯為內多外少。因此，漏磁面積會增大，而靠近主空道時會減小。這對調容變小容量時的阻抗影響具有重要意義。調容變技術要求大、小容量下短路阻抗一致，偏差允許±10%，但調容變的小容量并非完全是大容量的1/3，如S11-400（125）/10調容變。根據前面短路阻抗分析，理論上當小容量為133.3 kVA時，其短路阻抗才接近同大容量400 kVA阻抗一致。125 kVA的額定阻抗比133.3 kVA的更大，因此忽略了漏磁面積變化影響小容量短路阻抗比值。將串并聯段分布在靠近主空道時，漏磁面積變小。由短路阻抗計算公式可知，短路阻抗也將變小，從而會加大小容量下短路阻抗的差別。減小實際生產時短路阻抗合格裕度，而將串并聯段分布在最內側，可以減小小容量時的短路阻抗，從而增加生產時的合格裕度。串并轉換型調容變，調容前后匝數分布均勻，小容量完全為大容量1/4，因此不存在這一問題。

4.4 調容開關的選擇

調容開關選擇安裝在變壓器器身頂部。引線距離最短的調容開關，除了方便三相電阻平衡，減小引線損耗，還可有效節省成本。不同容量的變壓器可節約成本1 000～2 000元。另外,因調容開關在調容過程中產生的電弧會使變壓器油氧化變質，因此要求調容開關油室同變壓器器身油室獨立。最好采用真空滅弧的調容開關，但因調容開關觸點均采用真空滅弧成本較高，性價比不高，因此根據使用場所，建議主要切換部分至少采用真空滅弧的開關。同時，建議開關采用目前公認的高可靠永磁操作機構，以減少返修幾率。綜上所述，調容開關應選擇引線成本最低、免維護或少維護的調容開關。

5 結 論

調容變因依靠其小容量時空載損耗的顯著降低，常用在季節性負載變化幅度較大的農村電網或晝夜負載變化幅度較大的城市商業區、開發區、工業區環境。近年來，調容變已大量應用在北京及河北地區的煤改電工程。本文結合Y-D轉換型調容變和串并聯轉換型變壓器，詳細分析了調容變的工作原理和設計注意事項，以期提供借鑒。