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电力变压器有载调压技术的新进展
【论文摘要】介绍了变压器有载调压系统的现状与存在的问题，以及变压器有载调压技术的新进展，同时对三种典型的调压技术的动作原理和发展过程进行了分析和比较，并得出了一些有价值的结论。
在我国，变压器有载调压技术广泛用于配电系统，在发电厂的升压变压器中也有应用。其基本原理是从变压器某一侧的线圈中引出若干分接头，通过有载分接开关，在不切断负荷电流的情况下，由一分接头切换到另一分接头，以变换有效匝数，达到调节电压的目的。传统的有载调压变压器，采用机械式调压分接开关，存在许多问题，如产生电弧，动作速度慢，维护不便，故障率高等。我国目前普遍采用的机械式调压分接开关，对改善调压开关的特性，提高变压器有载调压的可靠性具有重要意义。
1 传统有载调压变压器
传统变压器有载调压装置采用机械式有载分接开关，其动作原理如图1所示(以双过渡电阻为例)。
图1中，在选择好分接头后，转换开关从左至右(或从右至左)切换。机械式开关的动作(包括其驱动齿轮 )容易导致操作性事故，降低了变压器的可靠性。机械开关在动作时，会产生一定的电弧，使开关的触点逐渐烧蚀，在操作一定次数后，必须更换触头，而且电弧的产生会导致变压器油质下降，造成变压器绕组的绝缘水平下降，导致匝间短路或相间短路。据统计，1990年全国110～500 kV变压器事故中，有载调压分接开关的事故和故障分别占变压器各种总故障的18%和12.5%，500 kV变压器的57次故障中有载分接开关故障约占25%，事故和故障率高，而且有上升的趋势。由于机械式开关的动作时间长，一般为5 s，因此，传统有载调压变压器只用于稳态的电压调节。
2 新型有载调压变压器
针对传统有载调压变压器机械式开关存在的问题，各国研制出多种新型有载调压装置。按照其调压分接头的组成，新型有载调压变压器分为机械式改进型，辅助线圈型和电力电子开关型三类。
2.1 机械式改进型
机械式改进型有载调压变压器是在传统型的基础上加一电子开关电路变换而成。其分接开关只需1个过渡电阻和少量的晶闸管，通过电子开关电路和机械开关的配合，限制其操作过程中产生电弧，图2为其工作原理图。
图2中，A和B、C和D、E和F均是机械开关的触头，图3为电子开关实现电路。
图3中，1对反接的晶闸管接在机械开关的两端，1和4、2和3分别是2对机械开关的触头。以A—B电流从2—3支路流过，需要断开该开关支路为例：当断开2—3支路时，触头上的电压触发了晶闸管5或6，二极管D2提供门极电流，二级管D1用于防止反向门极电压，电流立即从1—4支路流过。由于电流过零时，晶闸管关断，持续的电流不超过05个周期，同时，不会产生电弧。合上开关支路时，由于1—4支路是先合上的，晶闸管支路分得了一部分电流，2—3支路上的电弧被限制。这种调压装置的优点是不需要时间控制回路；晶闸管触发靠机械开关的操作完成；晶闸管的额定容量要求不高；晶闸管的失控不会损坏分接头和变压器。缺点是速度慢。
2.2 辅助线圈型
早在1979年Arrillage就提出这种方法，图4为其最初的原理图。
图4可见，通过控制晶闸管S1的导通角，可叠加一可调电压到T1上。三相变压器T1和另一升压变压器T2相连，T2的一侧与T1的第三绕组通过1对反接的晶闸管开关S1相连。若晶闸管S1的触发无延时，即在过零时触发，电压则同相位地加到负荷上；若晶闸管S1的触发有延时，短路开关S2用来防止升压变压器T2开路。
之后，加拿大的Krishnamurthy在此基础上进行了改进，增加了辅助电压，以保证叠加的电压和原电压同相位。
与此同时，Siemens—Allis公司的Harlow等提出了另一种基于辅助线圈的有载调压变压器，以实现无弧操作。它主要包括1个可调0.625%额定电压的辅助线圈。将该耦合线圈接入，可调压0.625%，如图5示。图6是其具体的实现电路。
正常工作时(如图6所示)，负荷电流通过S开关和B开关流过。以升高电压为例，它的动作过程是：(1)A接下触点，SCR1未导通，因而无电弧；(2)导通SCR1，此时有环流；(3)开断S，此时SCR2仍保持导通状态；(4)开断SCR2，电流被迫从A、SCR1支路流过；(5)B接下触点，SCR2未导通，因而无电弧；(6)导通SCR2；(7)合开关S，无电弧，因SCR2处于导通状态。降压过程与此类似。整个过程均不产生电弧。
Arrillage及其改进方法的优点是操作简单，全由晶闸管实现；缺点是产生谐波，谐波的含量与晶闸管的触发角有关，以副方三次谐波为例，电流可达2.5%，电压可达4%。
Siemens—Allis公司的方法可以实现无弧操作，但过程复杂，可靠性差。由于各开关按无弧标准设计，当SCR的触发脉冲发生故障时，开关将被烧毁。
2.3 电力电子开关型
随着电力电子技术的发展，晶闸管的容量及性能有了提高，使采用微处理器直接控制晶闸管电力电子开关的切换成为可能，无需利用机械开关辅助。通过选择适当触发时间，尽量减少晶闸管消耗的功率。目前，此技术还处于试验阶段。
图7可见，通过测量模块得到副方的电压和电流，计算出功角：选择在电压电流瞬时值同号时，切换晶
闸管，升高电压；或在电压电流瞬时值异号时，降低电压，以减少晶闸管环流。微处理器的引入，使调压变压器可根据系统电压的实际情况作故障处理，如微处理器检测到负荷电流突变，或者其他系统故障，选择限制晶闸管动作或将其闭锁。缺点是：雷电冲击对晶闸管的影响很大，极有可能损坏晶闸管；晶闸管本身的故障可能导致短路，以至更多的晶闸管故障。
2.4 三类新型有载调压变压器的比较
见表1。
从表1看出，三类调压方法各有优缺点。我国目前有关新型变压器有载调压技术的研究不多，如能借鉴国外的研究成果，根据各地的实际情况将现有的有载调压变压器进行改造，有载调压变压器的性能将得到提高。
3 结论
综上分析和比较，得出如下结论：
(1) 电力电子开关主回路结构的设计，应充分考虑晶闸管的耐压、可靠触发、散热、保护以及成本等问题，确保有载调压装置可靠，成本可接受，以便新型变压器有载调压技术的工业化生产和推广应用。
(2) 有载调压应该根据电力系统的实际运行状态进行动态调节分接头，避免故障下调压。研究表明，有载调压变压器在系统出现大扰动时动作，会导致系统的负荷过重，从而产生负调压效应，降低系统的稳定性 。因此，如何及时地诊断系统的故障，保证有载调压分接头能正确动作和闭锁，也是当前新型有载调压变压器亟待解决的问题。
(3) 随着电力电子技术特别是晶闸管技术的发展，我国广泛采用的传统机械式有载调压技术必将被新型的快速响应的无弧无冲击的电力电子调压技术所取代。