摘要：配電變壓器有載調壓是實(shí)現配電網(wǎng)電壓控制的手段之一，有載調壓開(kāi)關(guān)是配電變壓器實(shí)現調壓的關(guān)鍵部件，其技術(shù)性能的優(yōu)劣直接影響有載調壓配電變壓器的安全可靠運行。介紹了配電變壓器有載調壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的實(shí)現方法，將其分為機械式、電力電子式、復合式三大類(lèi)，分析了不同有載調壓方式的技術(shù)實(shí)現原理與優(yōu)缺點(diǎn)，明確了配電變壓器有載調壓技術(shù)的發(fā)展方向，以及需要深入研究與關(guān)注的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng) 分布式電源 電壓控制 配電變壓器 有載調壓

引言

電壓質(zhì)量是考核電力企業(yè)供電服務(wù)水平的重要指標之一。中國農村電網(wǎng)線(xiàn)路供電半徑大，分支線(xiàn)多，用電負荷點(diǎn)多面廣，且小而分散，季節性負荷特征顯著(zhù)，用電時(shí)段過(guò)于集中，年均負載率偏低，峰谷差較大。低谷負荷期配電變壓器處于輕載運行狀態(tài)，對用戶(hù)的供電電壓偏高；高峰負荷期配電變壓器處于重載或超載運行狀態(tài)，對用戶(hù)的供電電壓偏低（簡(jiǎn)稱(chēng)為“低電壓”）。供電電壓偏高將使供用電設備絕緣老化加速、損耗增加，甚至危及電網(wǎng)和設備的安全。供電電壓偏低，即“低電壓”問(wèn)題將造成供用電設備效率降低，危及電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行，導致部分家用電器無(wú)法正常使用，嚴重影響居民的生產(chǎn)生活。

隨著(zhù)智能電網(wǎng)建設深入推進(jìn)，清潔能源利用比例逐年增加，分布式電源接入、電動(dòng)汽車(chē)充電樁批量建設導致配電網(wǎng)電壓波動(dòng)問(wèn)題更加突出[1]。目前針對高、中壓配電網(wǎng)的電壓控制技術(shù)，如有載調壓主變壓器、線(xiàn)路調壓器、變電站自動(dòng)無(wú)功補償、線(xiàn)路自動(dòng)無(wú)功補償等方面，已有文獻研究并提出了免維護或無(wú)弧、無(wú)沖擊切換的有載調壓方案，但是沒(méi)有系統性地分析其優(yōu)缺點(diǎn)，低壓配電網(wǎng)的有載調壓技術(shù)卻較少涉及。因此本文將重點(diǎn)闡述國內外配電變壓器有載調壓技術(shù)。

1配電變壓器調壓技術(shù)研究現狀

低壓配電網(wǎng)中占據主流的配電變壓器無(wú)載調壓方式已無(wú)法滿(mǎn)足配電臺區層級的調壓需求。有載調壓型配電變壓器可在負載條件下改變高低壓側變比，把電壓波動(dòng)限定在合格范圍內，保障供電的連續性，改善供電質(zhì)量，并可大幅度降低電能損耗，國內外早已開(kāi)始研究與探討中低壓配電變壓器的有載調壓技術(shù)與應用[1-17]。文獻[3]按照變壓器調壓分接頭的組成，將有載調壓變壓器分為機械式改進(jìn)型、輔助線(xiàn)圈型和電力電子開(kāi)關(guān)型三類(lèi)，并對典型調壓技術(shù)的動(dòng)作原理和發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了分析和比較。文獻[4]研究了一種基于GPS的配電變壓器帶在線(xiàn)濾油功能的有載調壓系統，介紹了系統的組成及特點(diǎn)，以提高配電變壓器有載調壓裝置的免維護性能，提高電壓合格率和供電可靠性。文獻[5]提出了一種電力電子式有載調壓方案，主要思路是取消傳統的機械和電動(dòng)操作機構，采用二進(jìn)制編碼調節的方法實(shí)現配電變壓器無(wú)燃弧式的有載調壓。

有載調壓技術(shù)的應用促進(jìn)了節能型配電變壓器技術(shù)性能的升級換代，有助于配電臺區的經(jīng)濟高效運行和配電自動(dòng)化功能的延伸與拓展。配電變壓器有載調壓與并聯(lián)電容器投切相結合已成為中國目前實(shí)現配電網(wǎng)電壓無(wú)功綜合自動(dòng)控制、限定電壓波動(dòng)在合格范圍內的重要手段，對保障用戶(hù)優(yōu)質(zhì)電力服務(wù)和提升配電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟運行水平具有重要的現實(shí)意義。

2配電變壓器新型調壓技術(shù)與實(shí)現

配電變壓器有載調壓技術(shù)對穩定電壓、提高電壓合格率意義重大，是智能配電臺區實(shí)現電壓無(wú)功綜合協(xié)調控制的基礎條件。配電變壓器新型有載調壓技術(shù)大體可分為機械式、電力電子式、復合式三大類(lèi)。機械式又可分為改進(jìn)型、帶在線(xiàn)濾油裝置型和真空滅弧型3種。

2.1機械式有載調壓技術(shù)

（1）機械式改進(jìn)型。機械式改進(jìn)型有載調壓開(kāi)關(guān)是在傳統機械式有載分接開(kāi)關(guān)的基礎上，附加一電子開(kāi)關(guān)電路，其分接開(kāi)關(guān)由1個(gè)過(guò)渡電阻和少量晶閘管組成，限制分接頭切換過(guò)程的電弧是通過(guò)電子開(kāi)關(guān)電路和機械開(kāi)關(guān)的配合實(shí)現，分接開(kāi)關(guān)原理和電子開(kāi)關(guān)電路情況具體如圖1所示[3]。機械式改進(jìn)型有載調壓開(kāi)關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢是無(wú)需配置時(shí)間控制回路，通過(guò)操作機械開(kāi)關(guān)實(shí)現對晶閘管的觸發(fā)；缺點(diǎn)是結構復雜，操作速度慢。

圖1機械式改進(jìn)型分接開(kāi)關(guān)原理及其電子開(kāi)關(guān)電路

（2）帶在線(xiàn)濾油裝置型。帶在線(xiàn)濾油裝置型有載調壓開(kāi)關(guān)是在傳統有載調壓開(kāi)關(guān)基礎上附加1臺在線(xiàn)濾油裝置。在線(xiàn)濾油裝置由控制系統、動(dòng)力系統、濾芯、壓力表、操作面板等組成，其中動(dòng)力系統由電動(dòng)機、油泵構成，濾芯分為除水濾芯和除雜濾芯，用來(lái)凈化變壓器油，壓力表用來(lái)監視濾罐內的壓力，濾芯更換提示。有載調壓裝置在線(xiàn)濾油裝置工作原理如圖2所示[2]。

圖2有載調壓開(kāi)關(guān)在線(xiàn)濾油裝置工作原理

控制系統依據有載調壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數記錄，控制啟動(dòng)電動(dòng)機帶動(dòng)油泵工作，利用壓力將分接開(kāi)關(guān)中的變壓器油通過(guò)連管吸入到濾罐進(jìn)行過(guò)濾，再將過(guò)濾后的油注入到有載分接開(kāi)關(guān)油室中。該有載調壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠實(shí)現在線(xiàn)自動(dòng)濾油，降低分接切換電弧的影響，減少了維護成本，適用于傳統配電變壓器的有載調壓改造；缺點(diǎn)是額外增加一套在線(xiàn)濾油裝置，增加了投資成本和裝置本身的維護工作量（如更換濾芯等）。

（3）真空滅弧型。機械式真空滅弧型有載調壓開(kāi)關(guān)不同于傳統的絕緣油滅弧，分接頭切換在真空管中完成，不存在切換電弧造成油劣化和污染問(wèn)題。機械式真空滅弧型有載調壓開(kāi)關(guān)功能實(shí)現的關(guān)鍵是真空切換開(kāi)關(guān)的選擇與過(guò)渡電路的設計，性能水平主要取決于真空觸點(diǎn)的切換參數，包括額定電流、額定電壓與額定容量。機械式真空有載調壓開(kāi)關(guān)切換電路具體如圖3所示[16]，R為過(guò)渡電阻，V1、V2為真空管。

圖3機械式真空有載調壓開(kāi)關(guān)切換原理

機械式真空滅弧型有載調壓開(kāi)關(guān)結構形式簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠。但真空管如發(fā)生真空泄漏，則可能發(fā)生電弧不熄滅或在過(guò)電壓作用下發(fā)生真空電擊穿情況，導致級間短路事故。如果增加安全防護后備措施，則需要增加過(guò)渡電阻和真空管的數量，成本提高[18-20]。

2.2電力電子式有載調壓技術(shù)

近年來(lái)，電力電子技術(shù)得到快速發(fā)展，晶閘管系列產(chǎn)品的性能有了較大提高。無(wú)沖擊無(wú)弧的純電力電子式有載調壓開(kāi)關(guān)也一度成為研究重點(diǎn)，主要是采用微處理器直接控制晶閘管電力電子開(kāi)關(guān)實(shí)現分接頭的切換。電力電子式有載調壓開(kāi)關(guān)技術(shù)原理具體如圖4所示[1]。

圖4電力電子式有載調壓開(kāi)關(guān)技術(shù)原理

電力電子式有載調壓開(kāi)關(guān)裝置通過(guò)測量模塊得到變壓器二次側電壓和電流，由微處理器完成功角計算、故障識別和形成控制指令，適時(shí)切換晶閘管開(kāi)斷，完成電壓調節功能。微處理器可根據系統電壓的實(shí)際情況進(jìn)行故障識別，選擇性限制晶閘管動(dòng)作或將其閉鎖。電力電子式有載調壓開(kāi)關(guān)主要優(yōu)點(diǎn)是分接頭切換時(shí)無(wú)電弧無(wú)沖擊，無(wú)機械和電動(dòng)部件，故障率低，維護工作量小。缺點(diǎn)是對晶閘管自身性能水平及計算、判斷和控制的精確性要求極高，易受雷電沖擊的影響；晶閘管功率消耗高于機械式開(kāi)關(guān)，需要采取措施散熱和降低自身?yè)p耗。

2.3復合式有載調壓技術(shù)

復合式有載調壓開(kāi)關(guān)是綜合利用機械開(kāi)關(guān)損耗小和電力電子開(kāi)關(guān)切換無(wú)弧無(wú)沖擊的技術(shù)優(yōu)勢，形成的一種機械和電力電子混合式調壓技術(shù)。文獻[10]介紹了一種可控硅輔助換流式有載調壓開(kāi)關(guān)，可控硅輔助換流式無(wú)弧調壓開(kāi)關(guān)原理具體如圖5所示。

圖5可控硅輔助換流式無(wú)弧調壓開(kāi)關(guān)原理

可控硅輔助換流式有載調壓開(kāi)關(guān)技術(shù)為防止電弧產(chǎn)生，采用可控硅取代了傳統有載調壓開(kāi)關(guān)的過(guò)渡電阻，總體結構未有大的變化?？煽毓栎o助換流式有載調壓開(kāi)關(guān)設計有2組可控硅，對這2組可控硅在電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)關(guān)斷的同步性要求很高，不允許出現任一可控硅管提前導通情況，否則就會(huì )導致變壓器的部分線(xiàn)圈短路，同樣如其中一個(gè)可控硅管出現延時(shí)導通的情況，則會(huì )造成負載電流中斷，因此所產(chǎn)生的高恢復電壓將會(huì )損壞可控硅。

文獻[12]介紹了一種組合式分接開(kāi)關(guān)，主要由TADS型切換開(kāi)關(guān)和選擇器組成，切換開(kāi)關(guān)的觸頭系統由晶閘管和機械觸頭組成，晶閘管作為切換開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)元件承擔電弧觸頭功能，負責開(kāi)斷切換過(guò)程中的電流。TADS型切換開(kāi)關(guān)原理如圖6所示，其中ST為變壓器高壓繞組線(xiàn)圈，CR1為過(guò)渡電阻回路選擇器，R為過(guò)渡電阻，CT1為晶閘管回路選擇器，TH為晶閘管，SR為固態(tài)繼電器，M1與M2為機械觸點(diǎn)。

圖6TADS切換開(kāi)關(guān)原理

組合式分接開(kāi)關(guān)的每一相切換開(kāi)關(guān)采用一個(gè)晶閘管，機械觸點(diǎn)M1與M2為主通觸頭，在非切換狀態(tài)下電流流通M1或M2。在開(kāi)關(guān)切換的整個(gè)過(guò)程中，由于機械觸頭都是在不帶電流情況下分開(kāi)，因此不會(huì )造成觸頭燒損和油污染問(wèn)題，相對傳統的機械式有載分接開(kāi)關(guān)，壽命期內無(wú)需更換觸頭，維護檢修的工作量將大大減少。該組合式分接開(kāi)關(guān)是一種典型的機械電子混合式結構，由機械觸頭與晶閘管結合而成，可實(shí)現無(wú)電弧切換，但該類(lèi)型組合式開(kāi)關(guān)的操作與控制較為復雜。

文獻[17]介紹了一種電力電子開(kāi)關(guān)雙向晶閘管與大功率固態(tài)繼電器相結合的復合式有載調壓技術(shù)，主要以大功率固態(tài)繼電器組代替傳統的分接選擇器。該復合式有載調壓開(kāi)關(guān)無(wú)弧切換原理如圖7所示。

圖7復合式有載調壓開(kāi)關(guān)無(wú)弧切換原理

圖7中的X1和X2為有載調壓型配電變壓器的高壓繞組的2個(gè)抽頭；SCR1和SCR2為無(wú)觸點(diǎn)電力電子開(kāi)關(guān)雙向晶閘管，SSR1和SSR2R為固態(tài)繼電器，R是起限流作用的過(guò)渡電阻。假定最初有載調壓型配電變壓器運行在繞組分接頭X2位置，雙向晶閘管SCR2則處于全導通狀態(tài)，電流通路為X2-SCR2，SSR1、SSR2、SCR1均處于斷開(kāi)狀態(tài)。當需要將分接頭由X2調整到X1時(shí)，調整過(guò)程具體包括：先觸發(fā)導通固態(tài)繼電器SSR1，然后關(guān)斷SCR2，電流通路變?yōu)閄1-SSR1-R，再觸發(fā)導通SCR1，電流通路變?yōu)閄1-SCR1，這樣就完成了一次分接的轉換。與傳統機械式有載調壓開(kāi)關(guān)相比，不存在任何的運動(dòng)部件和電動(dòng)操作機構，真正消除了原有的故障隱患，完全由軟件控制實(shí)現分接的選擇和快速切換。該方案還處于研究與完善階段。

3結語(yǔ)

本文分析了國內外配電變壓器有載調壓技術(shù)研究現狀，對已有配電變壓器調壓技術(shù)進(jìn)行了歸納和總結?，F有的機械式有載調壓技術(shù)包含機械改進(jìn)型、帶在線(xiàn)濾油裝置型、真空滅弧型3類(lèi)，機械改進(jìn)型結構較為復雜，控制速度慢；帶在線(xiàn)濾油裝置型需要額外一套濾油裝置，不定期更換濾芯，成本和維護工作量增加；真空滅弧型實(shí)現了免維護，但切換時(shí)有沖擊，價(jià)格高；電力電子式和復合式有載調壓技術(shù)具有無(wú)弧、無(wú)沖擊切換優(yōu)勢，目前還處于研究與探索階段，主要受限于電力電子開(kāi)關(guān)技術(shù)性能水平，調壓裝置體積偏大，其實(shí)用性還需要進(jìn)一步實(shí)踐驗證。

分布式電源接入低壓配電網(wǎng)比例增長(cháng)快速，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式電源具有突出的隨機性、波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)，與實(shí)際低壓配電網(wǎng)日負荷曲線(xiàn)難以吻合。隨著(zhù)分布式電源大量接入、電動(dòng)汽車(chē)和儲能等多元化負荷的增加，將對配電網(wǎng)電壓控制與管理帶來(lái)更加嚴峻的挑戰。免維護、無(wú)沖擊、性?xún)r(jià)比高的配電變壓器有載調壓技術(shù)及其產(chǎn)品研制將成為該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向和需要深入研究與關(guān)注的重點(diǎn)，以支撐智能配電網(wǎng)建設及其電壓無(wú)功綜合控制功能的實(shí)現，滿(mǎn)足現代配電網(wǎng)經(jīng)濟運行和供電電壓質(zhì)量新需求。（王金麗，馬釗, 潘旭 中國電力科學(xué)研究院，北京100192; 王利  配電變壓器節能技術(shù)北京市重點(diǎn)試驗室，北京）

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