電力變壓器與工業變壓器分接開關的性能差異研究

邱德權

（福建森源電力設備有限公司，福建 福州 350000）

引言

電力變壓器與工業變壓器都是變壓器種類中的一種，在性能及運行方式方面均存在一定的差異[1]。電力變壓器作為電力行業中的重要電氣設備，對電力系統與配電網的運行具有較大影響[2]。工業變壓器的用途相對特殊，種類也較多，主要包括電爐與電解變壓器兩類，廣泛應用于工業生產活動的各項領域[3]。電力變壓器與工業變壓器的外觀、結構、工作原理均具有較強的相似性[4]。現階段，我國在變壓器方面的研究逐漸成熟，然而，對于電力變壓器與工業變壓器的性能差異研究仍然存在不足。基于此，本研究開展了兩種變壓器分接開關性能差異的研究。

1 電壓調節差異分析

電力變壓器與工業變壓器在電壓調節方式方面存在一定的差異，本研究對兩種變壓器電壓調節差異進行了具體分析，具體如下。

電力變壓器在運行過程中，當出現異常情況時，其電壓調節需要在一次繞組的基礎上布設變壓器電壓調節分接頭，增設壓力調節繞組，實現電壓調節的目標[5]。電力變壓器的電壓調節，主要受到內部繞組匝數的變化影響，通過增加或減少變壓器內部一次繞組的匝數，保持電壓的恒定，控制電網內部電壓的波動情況[6]。

在調節電壓過程中，電力變壓器內部的鐵心磁通保持恒定不變，控制電力變壓器各個分接位置的電流與電壓變化，根據變壓器輸出功率與輸入功率的變化情況，不斷調節變壓器各個分接級的電壓[7]。電力變壓器的電壓調節主要包括三種不同的方式：線性電壓調節、粗細電壓調節以及正反電壓調節，不同的電壓調節方式具有不同的負載特性[8]。其中，電力變壓器的電壓調節方式以線性電壓調節為主，通過布設電壓中性點、自耦調壓電路，在三相調壓電路中實現電壓調節的目標。在調節電力變壓器電壓過程中，其主支路的觸頭恢復電壓會發生一定的變化，觸頭恢復電壓的計算公式為：

其中，URM表示電力變壓器主支路觸頭恢復電壓；IL表示電力變壓器電壓調節中的負載電流；R 表示電力變壓器電壓調節中的電阻過渡值。通過計算，獲取電壓調節中，電力變壓器主支路的觸頭恢復電壓，得出恢復電壓的變化狀況與規律。工業變壓器支路的觸頭恢復電壓為：

其中，URT表示工業變壓器支路的觸頭恢復電壓；IS表示工業變壓器的真空觸頭負載電流；R0表示工業變壓器的過渡電阻阻值。根據兩種變壓器觸頭恢復電壓的計算結果，對比電壓調節中，變壓器觸頭恢復電壓的差異。

在電壓調節中，電力變壓器與工業變壓器的運行方式基本相同，差異性在于電網高壓下降的趨勢不同，在變壓層次、變壓器設備數量以及電壓調節運行的可靠性方面也存在較小的差異。兩種變壓器在電壓調節中，電壓信號的能量變化存在一定的差異，信號能量計算公式為：

其中，Ei表示電壓調節中原信號的分量能量；E 表示電壓信號能量；Er表示電壓調節余量信號能量；xi2表示變壓器振動信號能量參數；x2表示變壓器振幅參數；d 表示信號能量比值；t 表示電壓調節時間。

基于間調式電壓調節方面分析，電力變壓器主要通過將主、串變低壓的繞組進行串聯，控制分接開關的串變高壓供電，將繞組的電壓進行變磁通調節，實現電壓調節的目標。工業變壓器通過降低變壓器設備運行所需的低壓，將分接開關設置在變壓器第三繞組中，提高變壓器的功率因數，進而達到電壓調節的目標。電力變壓器與工業變壓器在間調式電壓調節中，電壓調節的原理接線圖分別見圖1、圖2。

圖1 電力變壓器電壓調節原理接線圖

圖2 工業變壓器電壓調節原理接線圖

見圖1、圖2 的電壓調節原理接線圖，兩種變壓器的間調式電壓調節原理存在一定的差異。電力變壓器的接線結構較復雜，在負荷分接時，負載損耗較大；工業變壓器的阻抗電壓增值較明顯，其接線結構與接線方式適用于各類大中容量的工業生產活動。

基于多級線性調試分析，電力變壓器在電壓調節中多數采用M 型分接開關，電壓調節等級較高，能夠達到35 級以上，變壓器中涵蓋多個位置的選擇器，適用于電力系統與配電網的運行需求。工業變壓器在電壓調節中對級數的要求較高，通常采用多級粗細調，進行分接繞組操作，將粗分接與粗分接連接，結合變壓器分接開關變換的原理，不斷調節細調繞組的電流波動幅度。設置變壓器分解繞組的最大級數用n 表示，最大級數的計算公式為：

其中，n1表示變壓器細調分接繞組的級數；n2表示變壓器粗調分接繞組的級數，通過計算變壓器分接繞組的最大級數，獲取兩種變壓器在不同調壓級數下對應的分接繞組級數，進而判斷兩種變壓器電壓調節方面的性能差異。

2 負載特性差異分析

電力變壓器與工業變壓器在運行過程中，其內部的負載特性變化存在一定的不同。電力變壓器的負載特性在電壓調節過程中會根據分接繞組的匝數變化而發生改變，其變壓器的輸出功率為恒定功率，分接位置的電壓與電流會產生較大的變化。在電力變壓器的電壓調節級數方面，以10 kV、35 kV、110～220 kV三種電壓為主，10 kV 的線性電壓調節的級數為9級；35 kV 的線性電壓調節的級數為7 級；110～220 kV 的正反電壓調節的級數為17 級左右。工業變壓器的負載特性變化示意圖，見圖3。

圖3 工業變壓器負載特性示意圖

根據圖3 可知，工業變壓器的負載特性具有波動性，在一定周期內，工業變壓器的電流方均根值會發生相應的變化，波動范圍與波動幅度較平穩。工業變壓器的二次側調壓深度較電力變壓器相比較大，二次電壓的最高值調壓范圍在25%～50%之間。通常情況下，工業變壓器使用標準線性調壓，當分接開關數目不夠時，采用正反調的方式，共同調節電壓級數，使工業變壓器分接開關的V 型開關達到14 級，M 型開關達到17 級，結合轉換選擇器，將變壓器電壓級差控制在2%～4%范圍內，與電力變壓器存在較大的差異。

3 分接開關選用差異分析

電力變壓器與工業變壓器對應的分接開關，在選用方面也存在一定的差異，在選用分接開關時，需要綜合考慮變壓器運行的負載特性需求，根據相關的分解開關規范，選用標準型式的分接開關。電力變壓器分接開關對切換參數的要求較高，其對應的額定特性能力要求也較高。在選取分接開關前，首先，應當計算分接開關的額定通過電流值，公式為：

其中，K 表示電力變壓器分接開關的過載系數；Inm表示電力變壓器分接開關的最大額定通過電流，通過計算，獲取變壓器分接開關的額定通過電流值，在此基礎上，計算分接開關的額定級電壓，公式為：

其中，Un表示分接開關額定電流通過時允許的最大級電壓；X%表示分接開關額定級電壓調節精度；m表示額定級電壓調壓級數。根據額定通過電流值于額定級電壓的具體計算結果，選用電力變壓器符合對應要求的分接開關。采用恒磁通調壓的方式，在變壓器中布設調壓中性點，調節分接開關的額定級電壓與基準級電壓。根據變壓器的運行特性，適當切換分接開關的額定容量與諧波電流，保證分接開關的使用性能符合相關標準規范。兩種變壓器分接開關內部繞組的連接方式不同，變壓器對應的調壓部位、范圍與方式均存在差異。電力變壓器主絕緣的耐受電壓逐漸呈標準化發展，工業變壓器主絕緣的耐受電壓波動幅度較大，兩種變壓器主絕緣設備電壓變化情況與耐受電壓波動幅度存在一定的關聯。電力變壓器的分接開關通常選擇1 類絕緣水平的分接開關，開關內部的中性點采用不接地方式；工業變壓器的分接開關，通常采用兩類絕緣水平的分接開關，結合單相分接開關，共同組合，生成滿足分接開關繞組絕緣需求的分接開關。

4 過渡電阻匹配差異分析

過渡電阻在兩種變壓器中的運行與轉換原理不同，對于變壓器分接開關電路轉換與調壓的方式也存在一定的差異。電力變壓器的過渡電阻主要負責變壓器內觸頭的切換操作，通過過渡電阻的高效匹配，提升電力變壓器運行的可靠性與使用壽命。工業變壓器的過渡電阻負責提高電壓器在生產活動中的電氣壽命，根據相關的過渡電阻匹配方案，獲取最適用于變壓器運行的最佳匹配值。電力變壓器的電阻過渡電路通常采用M 型分接開關，工業變壓器的電阻過渡電路采用V 型分接開關，兩種變壓器過渡觸頭的切換容量與最佳匹配系數均不同。變壓器過渡電阻的匹配表達式為：

如圖4 所示，兩種變壓器過渡電阻匹配值的大小不同，其對應的觸頭任務切換容量也不同。過渡電阻匹配差異與變壓器觸頭任務之間存在較大的關聯，變壓器電壓與電流匹配適應度較差，直接影響變壓器運行的安全性與可靠性，不利于電氣工程及工業生產活動的可持續發展。

圖4 兩種變壓器分接開關觸頭任務與電阻匹配關系

5 結論

分接開關作為變壓器內部組成的重要部件，其使用性能與運行方式對于變壓器設備具有較大影響。基于此，本研究針對變壓器的兩種不同類型，開展了其分接開關在各個方面性能差異的研究。在本研究分析的基礎上，獲取了變壓器電壓與電流匹配適應度、對應的性能特征及電壓調節特性，為變壓器安全、可靠地運行提供了一定的保障。