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電力變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的新進(jìn)展
【關(guān)鍵詞】有載調(diào)壓,電力變壓器,分接開關(guān)
【論文摘要】介紹了變壓器有載調(diào)壓系統(tǒng)的現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題，以及變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的新進(jìn)展，同時(shí)對(duì)三種典型的調(diào)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，并得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。
在我國(guó)，變壓器有載調(diào)壓技術(shù)廣泛用于配電系統(tǒng)，在發(fā)電廠的升壓變壓器中也有應(yīng)用。其基本原理是從變壓器某一側(cè)的線圈中引出若干分接頭，通過(guò)有載分接開關(guān)，在不切斷負(fù)荷電流的情況下，由一分接頭切換到另一分接頭，以變換有效匝數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。傳統(tǒng)的有載調(diào)壓變壓器，采用機(jī)械式調(diào)壓分接開關(guān)，存在許多問(wèn)題，如產(chǎn)生電弧，動(dòng)作速度慢，維護(hù)不便，故障率高等。我國(guó)目前普遍采用的機(jī)械式調(diào)壓分接開關(guān)，對(duì)改善調(diào)壓開關(guān)的特性，提高變壓器有載調(diào)壓的可靠性具有重要意義。
1傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器
傳統(tǒng)變壓器有載調(diào)壓裝置采用機(jī)械式有載分接開關(guān)，其動(dòng)作原理如圖1所示(以雙過(guò)渡電阻為例)。
圖1中，在選擇好分接頭后，轉(zhuǎn)換開關(guān)從左至右(或從右至左)切換。機(jī)械式開關(guān)的動(dòng)作(包括其驅(qū)動(dòng)齒輪)容易導(dǎo)致操作性事故，降低了變壓器的可靠性。機(jī)械開關(guān)在動(dòng)作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的電弧，使開關(guān)的觸點(diǎn)逐漸燒蝕，在操作一定次數(shù)后，必須更換觸頭，而且電弧的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致變壓器油質(zhì)下降，造成變壓器繞組的絕緣水平下降，導(dǎo)致匝間短路或相間短路。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990年全國(guó)110～500kV變壓器事故中，有載調(diào)壓分接開關(guān)的事故和故障分別占變壓器各種總故障的18%和12.5%，500kV變壓器的57次故障中有載分接開關(guān)故障約占25%，事故和故障率高，而且有上升的趨勢(shì)。由于機(jī)械式開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，一般為5s，因此，傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器只用于穩(wěn)態(tài)的電壓調(diào)節(jié)。
2新型有載調(diào)壓變壓器
針對(duì)傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器機(jī)械式開關(guān)存在的問(wèn)題，各國(guó)研制出多種新型有載調(diào)壓裝置。按照其調(diào)壓分接頭的組成，新型有載調(diào)壓變壓器分為機(jī)械式改進(jìn)型，輔助線圈型和電力電子開關(guān)型三類。
2.1機(jī)械式改進(jìn)型
機(jī)械式改進(jìn)型有載調(diào)壓變壓器是在傳統(tǒng)型的基礎(chǔ)上加一電子開關(guān)電路變換而成。其分接開關(guān)只需1個(gè)過(guò)渡電阻和少量的晶閘管，通過(guò)電子開關(guān)電路和機(jī)械開關(guān)的配合，限制其操作過(guò)程中產(chǎn)生電弧，圖2為其工作原理圖。
圖2中，A和B、C和D、E和F均是機(jī)械開關(guān)的觸頭，圖3為電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)電路。
圖3中，1對(duì)反接的晶閘管接在機(jī)械開關(guān)的兩端，1和4、2和3分別是2對(duì)機(jī)械開關(guān)的觸頭。以A—B電流從2—3支路流過(guò)，需要斷開該開關(guān)支路為例：當(dāng)斷開2—3支路時(shí)，觸頭上的電壓觸發(fā)了晶閘管5或6，二極管D2提供門極電流，二級(jí)管D1用于防止反向門極電壓，電流立即從1—4支路流過(guò)。由于電流過(guò)零時(shí)，晶閘管關(guān)斷，持續(xù)的電流不超過(guò)05個(gè)周期，同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生電弧。合上開關(guān)支路時(shí)，由于1—4支路是先合上的，晶閘管支路分得了一部分電流，2—3支路上的電弧被限制。這種調(diào)壓裝置的優(yōu)點(diǎn)是不需要時(shí)間控制回路；晶閘管觸發(fā)靠機(jī)械開關(guān)的操作完成；晶閘管的額定容量要求不高；晶閘管的失控不會(huì)損壞分接頭和變壓器。缺點(diǎn)是速度慢。
2.2輔助線
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早在1979年Arrillage就提出這種方法，圖4為其最初的原理圖。
圖4可見，通過(guò)控制晶閘管S1的導(dǎo)通角，可疊加一可調(diào)電壓到T1上。三相變壓器T1和另一升壓變壓器T2相連，T2的一側(cè)與T1的第三繞組通過(guò)1對(duì)反接的晶閘管開關(guān)S1相連。若晶閘管S1的觸發(fā)無(wú)延時(shí)，即在過(guò)零時(shí)觸發(fā)，電壓則同相位地加到負(fù)荷上；若晶閘管S1的'觸發(fā)有延時(shí)，短路開關(guān)S2用來(lái)防止升壓變壓器T2開路。
之后，加拿大的Krishnamurthy在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了輔助電壓，以保證疊加的電壓和原電壓同相位。
與此同時(shí)，Siemens—Allis公司的Harlow等提出了另一種基于輔助線圈的有載調(diào)壓變壓器，以實(shí)現(xiàn)無(wú)弧操作。它主要包括1個(gè)可調(diào)0.625%額定電壓的輔助線圈。將該耦合線圈接入，可調(diào)壓0.625%，如圖5示。圖6是其具體的實(shí)現(xiàn)電路。
正常工作時(shí)(如圖6所示)，負(fù)荷電流通過(guò)S開關(guān)和B開關(guān)流過(guò)。以升高電壓為例，它的動(dòng)作過(guò)程是：(1)A接下觸點(diǎn)，SCR1未導(dǎo)通，因而無(wú)電弧；(2)導(dǎo)通SCR1，此時(shí)有環(huán)流；(3)開斷S，此時(shí)SCR2仍保持導(dǎo)通狀態(tài)；(4)開斷SCR2，電流被迫從A、SCR1支路流過(guò)；(5)B接下觸點(diǎn)，SCR2未導(dǎo)通，因而無(wú)電弧；(6)導(dǎo)通SCR2；(7)合開關(guān)S，無(wú)電弧，因SCR2處于導(dǎo)通狀態(tài)。降壓過(guò)程與此類似。整個(gè)過(guò)程均不產(chǎn)生電弧。
Arrillage及其改進(jìn)方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，全由晶閘管實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是產(chǎn)生諧波，諧波的含量與晶閘管的觸發(fā)角有關(guān)，以副方三次諧波為例，電流可達(dá)2.5%，電壓可達(dá)4%。
Siemens—Allis公司的方法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)弧操作，但過(guò)程復(fù)雜，可靠性差。由于各開關(guān)按無(wú)弧標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，當(dāng)SCR的觸發(fā)脈沖發(fā)生故障時(shí)，開關(guān)將被燒毀。
2.3電力電子開關(guān)型
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管的容量及性能有了提高，使采用微處理器直接控制晶閘管電力電子開關(guān)的切換成為可能，無(wú)需利用機(jī)械開關(guān)輔助。通過(guò)選擇適當(dāng)觸發(fā)時(shí)間，盡量減少晶閘管消耗的功率。目前，此技術(shù)還處于試驗(yàn)階段。圖7為其原理框圖。
圖7電力電子開關(guān)型原理圖
圖7可見，通過(guò)測(cè)量模塊得到副方的電壓和電流，計(jì)算出功角：選擇在電壓電流瞬時(shí)值同號(hào)時(shí)，切換晶
閘管，升高電壓；或在電壓電流瞬時(shí)值異號(hào)時(shí)，降低電壓，以減少晶閘管環(huán)流。微處理器的引入，使調(diào)壓變壓器可根據(jù)系統(tǒng)電壓的實(shí)際情況作故障處理，如微處理器檢測(cè)到負(fù)荷電流突變，或者其他系統(tǒng)故障，選擇限制晶閘管動(dòng)作或?qū)⑵溟]鎖。缺點(diǎn)是：雷電沖擊對(duì)晶閘管的影響很大，極有可能損壞晶閘管；晶閘管本身的故障可能導(dǎo)致短路，以至更多的晶閘管故障。
2.4三類新型有載調(diào)壓變壓器的比較
見表1。
從表1看出，三類調(diào)壓方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。我國(guó)目前有關(guān)新型變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的研究不多，如能借鑒國(guó)外的研究成果，根據(jù)各地的實(shí)際情況將現(xiàn)有的有載調(diào)壓變壓器進(jìn)行改造，有載調(diào)壓變壓器的性能將得到提高。
3結(jié)論
綜上分析和比較，得出如下結(jié)論：
(1)電力電子開關(guān)主回路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮晶閘管的耐壓、可靠觸發(fā)、散熱、保護(hù)以及成本等問(wèn)題，確保有載調(diào)壓裝置可靠，成本可接受，以便新型變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的工業(yè)化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。
(2)有載調(diào)壓應(yīng)該根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)分接頭，避免故障下調(diào)壓。研究表明，有載調(diào)壓變壓器在系統(tǒng)出現(xiàn)大擾動(dòng)時(shí)動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的負(fù)荷過(guò)重，從而產(chǎn)生負(fù)調(diào)壓效應(yīng)，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，如何及時(shí)地診斷系統(tǒng)的故障，保證有載調(diào)壓分接頭能正確動(dòng)作和閉鎖，也是當(dāng)前新型有載調(diào)壓變壓器亟待解決的問(wèn)題。
(3)隨著電力電子技術(shù)特別是晶閘管技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)廣泛采用的傳統(tǒng)機(jī)械式有載調(diào)壓技術(shù)必將被新型的快速響應(yīng)的無(wú)弧無(wú)沖擊的電力電子調(diào)壓技術(shù)所取代。
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