配电变压器有载调压分接开关综述

配电变压器有载调压分接开关综述

颜瑾倪超

东南大学电气工程学院江苏南京210000

摘要：对目前有载调压变压器的有载分接开关进行了综述。首先，介绍了传统机械式有载分接开关，对电抗式有载分接开关和电阻式有载分接开关进行了工作原理的简述；其次，阐述了新型有载分接开关，简介了机械改进型有载分接开关和全电力电子式有载分接开关；最后，指出无触点式有载分接开关具有良好的应用前景，并详叙了反并联晶闸管分接模块和双向功率开关分接模块。

关键词：有载调压；分接开关；反并联晶闸管；双向功率开关；

引言：配电变压器的有载调压可不断电操作且调压范围广，能有效提高电能质量和电力系统运行的稳定性。其主要是通过装设有载分接开关，实现在运行状态下利用开关逐级动作来变换线圈匝数，改变变压器变比，调整电压。有载分接开关是有载调压变压器的核心器件，其拓扑结构、工作模式、开关质量以及维护检修方式等都对有载调压变压器的工作可靠性有着重要影响。目前，配电变压器的有载分接开关主要分为传统机械式有载分接开关和新型有载分接开关两大类，而由于传统机械式有载分接开关具有运行可靠性低、维护繁琐等固有缺陷，新型有载分接开关成为当前有载变压器的研究热点。

1传统机械式有载分接开关

1.1电抗式有载分接开关

电抗式有载分接开关的经典结构如图1所示，其包括切换开关和两个独立的选择开关，两者在机械上进行连锁。操作顺序以分接位置1-11变换到分接位置1-12为例说明：将切换开关从a处打开，再讲选择开关1的分接头从11切换到12，最后再将切换开关闭合到a处。电抗式有载分接开关切断的电流往往比较大，既增大了开关体积，也增多了变压器用油量，且寿命短。根据真空便于息弧原理，对电抗绕组进行设计改进，提出基于真空开关的电抗式有载分接开关。但由于真空的工作条件限制等原因，该方案并没有被广泛使用。

图1典型的电抗式有载分接开关

1.2电阻式有载分接开关

电阻式有载分接开关的结构与电抗式有载分接开关结构类似，不同之处在于将电抗器换成了电阻。提出一种四电阻过渡形式来提高切换开关容量。但四电阻开关结构复杂、体积大、成本高且电能损耗大。

2新型有载分接开关

大部分传统变压器装的是机械式有载调压装置，虽然其调压范围大，但在切换期间会产生电弧，烧毁触头，有碍绕组绝缘，并且开关动作速度慢、响应时间长、故障多、维护复杂，调压时刻控制不准。针对传统机械式开关的固有缺陷，国内外研究者经过多方面的研究，提出了多种新型的有载调压装置。根据这些装置的分接头的特点，可以主要分为两类：机械式改进型和全电力电子开关型。

2.1机械改进型有载分接开关

目前研究最多，应用最广的机械改进型有载分接开关为晶闸管辅助机械开关式有载调压装置。经典的晶闸管辅助装置如图2所示。

图2典型的晶闸管辅助装置

国内外诸多学者对这种晶闸管辅助式机械开关做了研究和探讨，并取得了一些成果。提出了一种基于传统机械式分接开关的晶闸管辅助分流有载调压装置，通过单独的过渡电阻和晶闸管来抑制电弧。文献主要从灭弧特性和可行性两方面对比了几种机械改进型的有载调压方案，确认最优方案为由控制开关触发受电弧影响小的晶闸管并维持开关动作器件导通状态。提出了一种用于10KV干式变压器的机械改进型式固体有载分接开关，并基本实现了无弧调压。依据“主动分流”的思想，采用开关模式为低压大电流的放大器让输出电流转移，实现快速无弧调压。机械改进式有载调压装置结构上变动不大，都保留机械触头，加入晶间管来抑制切换时产生的电弧，基本可实现无弧操作，触发简单，对晶闸管的容量要求低，增加了可靠性、延长了使用寿命，但其结构复杂、调压速度慢、成本高，有待进一步研究改进。

2.2全电力电子式有载分接开关

随着电力电子技术的发展，从上世纪九十年代开始，许多学者便开始从电路结构和器件类型等方面，致力于全电力电子式有载分接开关的研究，并且已有显著成果，提高了有载调压的响应速度。从拓扑结构出发，设计出一种新型电子分接开关作为基本单元，并研究其扩展和串联。釆用双向晶闸管作为开关器件，通过微控制器进行触发控制，制作样机，试验验证该开关动作迅速，响应快。在此基础上，基于大功率电力电子开关的无弧有载调压方案，以大功率固态继电器为过渡辅助开关，试验验证了该方案的有效性。给出了一个完整的全电力电子式分接开关装置的设计，但未研究特殊条件下的运行情况。分析了一种动态模型，发现电压过零是最佳无冲击触发时刻，然而，这种动态模型和求解方法缺乏普遍性。由于电力电子式的无触点开关通断迅速，因而调压响应速度快，并且采用电力电子器件可以实现无弧、平滑的有载调压。

3无触点式有载分接开关分析

全电力电子式有载分接开关，又称作无触点式有载分接开关，没有机械切换部分，是一种无触头开关，其主电路结构如图3所示。该分接开关的工作原理主要是在一次侧不断电的情况下，根据二次侧的电压控制一次侧电子开关的通断，自动改变一次侧绕组匝数，变换变压器的变比，进而实现无触点自动有载调压。

3.1吸收电路

RC阻容吸收支路是常用的缓冲电路，通过电阻的限流作用以及电容两端的电压无法突变的特性，可避免分接开关两端瞬间过电压的出现，如图4所示，将RC缓冲电路并联在电力电子开关的两端可保证分接开关安全工作。

RC缓冲电路中电阻R的功率需不小于（为电源频率），另外，R和C的值还与变压器容量和电子式开关型号有关。

图3全电力电子式有载分接开关

图4RC缓冲支路

3.2过渡支路

图3中的K4支路作为过渡支路，用来抑制全电力电子式分接开关在切换过程中产生的环流，其具体电路如图5所示。过渡支路的开关采用双向晶闸管，相应的触发电路由电阻RG和中间继电器KJ组成。在调压过程中，若出现环流，则KJ闭合，双向晶闸管导通，过渡支路抑制环流；若无需接入过渡支路，则控制KJ常闭点断开，双向晶闸管关断，完成调压。

图5过渡支路

3.3分接开关

传统的机械式分接开关采用金属触点，寿命短，多次运行后易被烧毁且会发生粘结现象。另外，机械式有载调压装置还存在结构复杂、占地面积大、稳定性差等问题。而电力电子式有载调压不仅能很好地实现无触点无弧调压，同时还不具备传统调压装置带来的问题。现阶段，全电力电子式分接开关模块，即图3中的电力电子开关K1、K2和K3，主要有两种结构模式：反并联晶闸管模块和双向功率开关模块。

3.3.1反并联晶闸管

图6反并联晶闸管

反并联晶闸管模块的拓补结构如图6所示，采用两个晶闸管反向并联构成分接开关模块。晶闸管虽然是半控型器件，缺乏自关断能力，但其耐压能力强，能承受大电流，而且反并联结构能够使该模块利用交流电流本身的过零点完成自行关断。在原自取能触发电路的基础上增加了两个光电耦合器，避免了晶闸管的门极获取触发信号，并且提出了光纤触发方案，解决了电气隔离问题，提高了运行可靠性。

3.3.2双向功率开关

IGBT作为全控型器件，其具有驱动功率小、开关损耗低、耐冲击电流能力强等优点。图8为双向功率开关模块，其以IGBT为基础，配合四个二极管，触发时无需考虑电流相位，触发可靠性高，可实现对交流电路的关断控制。分析图7可知，电流的正向导通路径为D1→IGBT→D3，反向导通路径为D2→IGBT→D4。便提出了基于双向功率开关的电力电子式配电变压器无触点有载调压方式，同时进行实验确认了该方案的可行性。

图7双向功率开关

3.3.3两种分接开关对比分析

反并联晶闸管结构和双向功率开关结构各有优劣，本文将主要从触发、损耗和过流保护三方面进行对比分析。触发上，反并联晶闸管结构需要在电流过零时触发，双向功率开关结构没有这种限制，甚至无需过零检测电路，触发可靠性较高；损耗上，反并联晶闸管结构的导通损耗要小于双向功率开关结构，截止损耗则相反；过流保护上，反并联晶闸管结构往往选择接入熔断器来保障电路的安全运行，双向功率开关结构则可以利用驱动模块来实现过电流保护，并且响应迅速。

结语

配电变压器的有载调压开关主要分为两大类：一类是传统的机械式有载分接开关，另一类是结合电力电子器件的新型有载分接开关。虽然，传统的机械触头式开关在目前应用最广，但无论是电阻式还是电抗式开关都具有绝缘差、故障多、切换时有电弧等缺陷，而新型分接开关可以很好地避免这些问题。在新型分接开关中，由于全电力电子式分接开关无触点、响应快、结构简单，是当前无弧有载调压的研究热点，本文主要介绍了其电路拓扑、缓冲支路、过渡支路以及分接开关结构，并对两种分接开关模式进行了对比分析，两者都具有较高的应用价值。尽管现阶段电力电子式有载调压的可靠性已经有所提高，但仍需进一步研究彻底解决绝缘、击穿检测等问题。

参考文献：

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