引言
電壓質量是考核電力企業(yè)供電服務水平的重要指标之一。中(zhōng)國農村(cūn)電網線路(lù)供電半徑大，分支線多，用電負荷點多面廣，且小而分散，季節性負荷特征顯著，用電時段過于集中(zhōng)，年均負載率偏低，峰谷差較大。低谷負荷期配電變壓器(qì)處于輕載運行狀态，對用戶的供電電壓偏高；高峰負荷期配電變壓器(qì)處于重載或超載運行狀态，對用戶的供電電壓偏低（簡稱為“低電壓”）。供電電壓偏高将使供用電設備絕緣老化加速、損耗增加，甚至危及電網和(hé)設備的安全。供電電壓偏低，即“低電壓”問(wèn)題将造成供用電設備效率降低，危及電網安全經濟運行，導緻部分家用電器(qì)無法正常使用，嚴重影響居民的生産生活。
随着智能電網建設深入推進，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)充電樁批量建設導緻配電網電壓波動(dòng)問(wèn)題更加突出[1]。目前針對高、中(zhōng)壓配電網的電壓控制技術(shù)，如(rú)有載調壓主變壓器(qì)、線路(lù)調壓器(qì)、變電站(zhàn)自動(dòng)無功補償、線路(lù)自動(dòng)無功補償等方面，已有文(wén)獻研究并提出了免維護或無弧、無沖擊切換的有載調壓方案，但是沒有系統性地分析其優缺點，低壓配電網的有載調壓技術(shù)卻較少(shǎo)涉及。因此本文(wén)将重點闡述國内外配電變壓器(qì)有載調壓技術(shù)。
1配電變壓器(qì)調壓技術(shù)研究現狀
低壓配電網中(zhōng)占據主流的配電變壓器(qì)無載調壓方式已無法滿足配電台區層級的調壓需求。有載調壓型配電變壓器(qì)可(kě)在負載條件下(xià)改變高低壓側變比，把電壓波動(dòng)限定在合格範圍内，保障供電的連續性，改善供電質量，并可(kě)大幅度降低電能損耗，國内外早已開始研究與探讨中(zhōng)低壓配電變壓器(qì)的有載調壓技術(shù)與應用[1-17]。文(wén)獻[3]按照變壓器(qì)調壓分接頭的組成，将有載調壓變壓器(qì)分為機械式改進型、輔助線圈型和(hé)電力電子(zǐ)開關(guān)型三類，并對典型調壓技術(shù)的動(dòng)作原理和(hé)發展過程進行了分析和(hé)比較。文(wén)獻[4]研究了一種基于GPS的配電變壓器(qì)帶在線濾油功能的有載調壓系統，介紹了系統的組成及特點，以提高配電變壓器(qì)有載調壓裝置的免維護性能，提高電壓合格率和(hé)供電可(kě)靠性。文(wén)獻[5]提出了一種電力電子(zǐ)式有載調壓方案，主要思路(lù)是取消傳統的機械和(hé)電動(dòng)操作機構，采用二進制編碼調節的方法實現配電變壓器(qì)無燃弧式的有載調壓。
有載調壓技術(shù)的應用促進了節能型配電變壓器(qì)技術(shù)性能的升級換代，有助于配電台區的經濟高效運行和(hé)配電自動(dòng)化功能的延伸與拓展。配電變壓器(qì)有載調壓與并聯電容器(qì)投切相結合已成為中(zhōng)國目前實現配電網電壓無功綜合自動(dòng)控制、限定電壓波動(dòng)在合格範圍内的重要手段，對保障用戶優質電力服務和(hé)提升配電網安全、可(kě)靠、經濟運行水平具有重要的現實意義。
2配電變壓器(qì)新型調壓技術(shù)與實現
配電變壓器(qì)有載調壓技術(shù)對穩定電壓、提高電壓合格率意義重大，是智能配電台區實現電壓無功綜合協調控制的基礎條件。配電變壓器(qì)新型有載調壓技術(shù)大體可(kě)分為機械式、電力電子(zǐ)式、複合式三大類。機械式又可(kě)分為改進型、帶在線濾油裝置型和(hé)真空滅弧型3種。
2.1機械式有載調壓技術(shù)
（1）機械式改進型。機械式改進型有載調壓開關(guān)是在傳統機械式有載分接開關(guān)的基礎上，附加一電子(zǐ)開關(guān)電路(lù)，其分接開關(guān)由1個(gè)過渡電阻和(hé)少(shǎo)量晶閘管組成，限制分接頭切換過程的電弧是通(tōng)過電子(zǐ)開關(guān)電路(lù)和(hé)機械開關(guān)的配合實現，分接開關(guān)原理和(hé)電子(zǐ)開關(guān)電路(lù)情況具體如(rú)圖1所示[3]。機械式改進型有載調壓開關(guān)的技術(shù)優勢是無需配置時間控制回路(lù)，通(tōng)過操作機械開關(guān)實現對晶閘管的觸發；缺點是結構複雜，操作速度慢。 （2）帶在線濾油裝置型。帶在線濾油裝置型有載調壓開關(guān)是在傳統有載調壓開關(guān)基礎上附加1台在線濾油裝置。在線濾油裝置由控制系統、動(dòng)力系統、濾芯、壓力表、操作面闆等組成，其中(zhōng)動(dòng)力系統由電動(dòng)機、油泵構成，濾芯分為除水濾芯和(hé)除雜濾芯，用來淨化變壓器(qì)油，壓力表用來監視濾罐内的壓力，濾芯更換提示。有載調壓裝置在線濾油裝置工作原理如(rú)圖2所示[2]。 控制系統依據有載調壓開關(guān)動(dòng)作次數記錄，控制啟動(dòng)電動(dòng)機帶動(dòng)油泵工作，利用壓力将分接開關(guān)中(zhōng)的變壓器(qì)油通(tōng)過連管吸入到濾罐進行過濾，再将過濾後的油注入到有載分接開關(guān)油室中(zhōng)。該有載調壓技術(shù)的優點是能夠實現在線自動(dòng)濾油，降低分接切換電弧的影響，減少(shǎo)了維護成本，适用于傳統配電變壓器(qì)的有載調壓改造；缺點是額外增加一套在線濾油裝置，增加了投資(zī)成本和(hé)裝置本身的維護工作量（如(rú)更換濾芯等）。
（3）真空滅弧型。機械式真空滅弧型有載調壓開關(guān)不同于傳統的絕緣油滅弧，分接頭切換在真空管中(zhōng)完成，不存在切換電弧造成油劣化和(hé)污染問(wèn)題。機械式真空滅弧型有載調壓開關(guān)功能實現的關(guān)鍵是真空切換開關(guān)的選擇與過渡電路(lù)的設計，性能水平主要取決于真空觸點的切換參數，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關(guān)切換電路(lù)具體如(rú)圖3所示[16]，R為過渡電阻，V1、V2為真空管。 機械式真空滅弧型有載調壓開關(guān)結構形式簡單，動(dòng)作可(kě)靠。但真空管如(rú)發生真空洩漏，則可(kě)能發生電弧不熄滅或在過電壓作用下(xià)發生真空電擊穿情況，導緻級間短(duǎn)路(lù)事故。如(rú)果增加安全防護後備措施，則需要增加過渡電阻和(hé)真空管的數量，成本提高[18-20]。
2.2電力電子(zǐ)式有載調壓技術(shù)
近年來，電力電子(zǐ)技術(shù)得到快速發展，晶閘管系列産品的性能有了較大提高。無沖擊無弧的純電力電子(zǐ)式有載調壓開關(guān)也一度成為研究重點，主要是采用微處理器(qì)直接控制晶閘管電力電子(zǐ)開關(guān)實現分接頭的切換。電力電子(zǐ)式有載調壓開關(guān)技術(shù)原理具體如(rú)圖4所示[1]。 電力電子(zǐ)式有載調壓開關(guān)裝置通(tōng)過測量模塊得到變壓器(qì)二次側電壓和(hé)電流，由微處理器(qì)完成功角計算、故障識别和(hé)形成控制指令，适時切換晶閘管開斷，完成電壓調節功能。微處理器(qì)可(kě)根據系統電壓的實際情況進行故障識别，選擇性限制晶閘管動(dòng)作或将其閉鎖。電力電子(zǐ)式有載調壓開關(guān)主要優點是分接頭切換時無電弧無沖擊，無機械和(hé)電動(dòng)部件，故障率低，維護工作量小。缺點是對晶閘管自身性能水平及計算、判斷和(hé)控制的精确性要求極高，易受雷電沖擊的影響；晶閘管功率消耗高于機械式開關(guān)，需要采取措施散熱和(hé)降低自身損耗。
2.3複合式有載調壓技術(shù)
複合式有載調壓開關(guān)是綜合利用機械開關(guān)損耗小和(hé)電力電子(zǐ)開關(guān)切換無弧無沖擊的技術(shù)優勢，形成的一種機械和(hé)電力電子(zǐ)混合式調壓技術(shù)。文(wén)獻[10]介紹了一種可(kě)控矽輔助換流式有載調壓開關(guān)，可(kě)控矽輔助換流式無弧調壓開關(guān)原理具體如(rú)圖5所示。 可(kě)控矽輔助換流式有載調壓開關(guān)技術(shù)為防止電弧産生，采用可(kě)控矽取代了傳統有載調壓開關(guān)的過渡電阻，總體結構未有大的變化。可(kě)控矽輔助換流式有載調壓開關(guān)設計有2組可(kě)控矽，對這2組可(kě)控矽在電流過零點時關(guān)斷的同步性要求很高，不允許出現任一可(kě)控矽管提前導通(tōng)情況，否則就會導緻變壓器(qì)的部分線圈短(duǎn)路(lù)，同樣如(rú)其中(zhōng)一個(gè)可(kě)控矽管出現延時導通(tōng)的情況，則會造成負載電流中(zhōng)斷，因此所産生的高恢複電壓将會損壞可(kě)控矽。
文(wén)獻[12]介紹了一種組合式分接開關(guān)，主要由TADS型切換開關(guān)和(hé)選擇器(qì)組成，切換開關(guān)的觸頭系統由晶閘管和(hé)機械觸頭組成，晶閘管作為切換開關(guān)的開關(guān)元件承擔電弧觸頭功能，負責開斷切換過程中(zhōng)的電流。TADS型切換開關(guān)原理如(rú)圖6所示，其中(zhōng)ST為變壓器(qì)高壓繞組線圈，CR1為過渡電阻回路(lù)選擇器(qì)，R為過渡電阻，CT1為晶閘管回路(lù)選擇器(qì)，TH為晶閘管，SR為固态繼電器(qì)，M1與M2為機械觸點。 組合式分接開關(guān)的每一相切換開關(guān)采用一個(gè)晶閘管，機械觸點M1與M2為主通(tōng)觸頭，在非切換狀态下(xià)電流流通(tōng)M1或M2。在開關(guān)切換的整個(gè)過程中(zhōng)，由于機械觸頭都是在不帶電流情況下(xià)分開，因此不會造成觸頭燒損和(hé)油污染問(wèn)題，相對傳統的機械式有載分接開關(guān)，壽命期内無需更換觸頭，維護檢修的工作量将大大減少(shǎo)。該組合式分接開關(guān)是一種典型的機械電子(zǐ)混合式結構，由機械觸頭與晶閘管結合而成，可(kě)實現無電弧切換，但該類型組合式開關(guān)的操作與控制較為複雜。
文(wén)獻[17]介紹了一種電力電子(zǐ)開關(guān)雙向晶閘管與大功率固态繼電器(qì)相結合的複合式有載調壓技術(shù)，主要以大功率固态繼電器(qì)組代替傳統的分接選擇器(qì)。該複合式有載調壓開關(guān)無弧切換原理如(rú)圖7所示。 圖7中(zhōng)的X1和(hé)X2為有載調壓型配電變壓器(qì)的高壓繞組的2個(gè)抽頭；SCR1和(hé)SCR2為無觸點電力電子(zǐ)開關(guān)雙向晶閘管，SSR1和(hé)SSR2R為固态繼電器(qì)，R是起限流作用的過渡電阻。假定最初有載調壓型配電變壓器(qì)運行在繞組分接頭X2位置，雙向晶閘管SCR2則處于全導通(tōng)狀态，電流通(tōng)路(lù)為X2-SCR2，SSR1、SSR2、SCR1均處于斷開狀态。當需要将分接頭由X2調整到X1時，調整過程具體包括：先觸發導通(tōng)固态繼電器(qì)SSR1，然後關(guān)斷SCR2，電流通(tōng)路(lù)變為X1-SSR1-R，再觸發導通(tōng)SCR1，電流通(tōng)路(lù)變為X1-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關(guān)相比，不存在任何的運動(dòng)部件和(hé)電動(dòng)操作機構，真正消除了原有的故障隐患，完全由軟件控制實現分接的選擇和(hé)快速切換。該方案還處于研究與完善階段。
3結語
本文(wén)分析了國内外配電變壓器(qì)有載調壓技術(shù)研究現狀，對已有配電變壓器(qì)調壓技術(shù)進行了歸納和(hé)總結。現有的機械式有載調壓技術(shù)包含機械改進型、帶在線濾油裝置型、真空滅弧型3類，機械改進型結構較為複雜，控制速度慢；帶在線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(hé)維護工作量增加；真空滅弧型實現了免維護，但切換時有沖擊，價格高；電力電子(zǐ)式和(hé)複合式有載調壓技術(shù)具有無弧、無沖擊切換優勢，目前還處于研究與探索階段，主要受限于電力電子(zǐ)開關(guān)技術(shù)性能水平，調壓裝置體積偏大，其實用性還需要進一步實踐驗證。
分布式電源接入低壓配電網比例增長快速，光伏發電、風力發電等分布式電源具有突出的随機性、波動(dòng)性和(hé)間歇性特點，與實際低壓配電網日負荷曲線難以吻合。随着分布式電源大量接入、電動(dòng)汽車(chē)和(hé)儲能等多元化負荷的增加，将對配電網電壓控制與管理帶來更加嚴峻的挑戰。免維護、無沖擊、性價比高的配電變壓器(qì)有載調壓技術(shù)及其産品研制将成為該技術(shù)領域的發展方向和(hé)需要深入研究與關(guān)注的重點，以支撐智能配電網建設及其電壓無功綜合控制功能的實現，滿足現代配電網經濟運行和(hé)供電電壓質量新需求。（王金麗(lì)，馬钊, 潘旭 中(zhōng)國電力科學研究院，北京100192; 王利 配電變壓器(qì)節能技術(shù)北京市重點試驗室，北京）
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原标題:配電變壓器(qì)有載調壓技術(shù)