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配电变压器有载调压技术

发表时间:2018/6/17 20:11:32  浏览次数:507  
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引言

电压质量是考核电力企业供电服务水平的重要指标之一。中国农村电网线路供电半径大,分支线多,用电负荷点多面广,且小而分散,季节性负荷特征显著,用电时段过于集中,年均负载率偏低,峰谷差较大。低谷负荷期配电变压器处于轻载运行状态,对用户的供电电压偏高;高峰负荷期配电变压器处于重载或超载运行状态,对用户的供电电压偏低(简称为“低电压”)。供电电压偏高将使供用电设备绝缘老化加速、损耗增加,甚至危及电网和设备的安全。供电电压偏低,即“低电压”问题将造成供用电设备效率降低,危及电网安全经济运行,导致部分家用电器无法正常使用,严重影响居民的生产生活。

随着智能电网建设深入推进,清洁能源利用比例逐年增加,分布式电源接入、电动汽车充电桩批量建设导致配电网电压波动问题更加突出[1]。目前针对高、中压配电网的电压控制技术,如有载调压主变压器、线路调压器、变电站自动无功补偿、线路自动无功补偿等方面,已有文献研究并提出了免维护或无弧、无冲击切换的有载调压方案,但是没有系统性地分析其优缺点,低压配电网的有载调压技术却较少涉及。因此本文将重点阐述国内外配电变压器有载调压技术。

1 配电变压器调压技术研究现状

低压配电网中占据主流的配电变压器无载调压方式已无法满足配电台区层级的调压需求。有载调压型配电变压器可在负载条件下改变高低压侧变比,把电压波动限定在合格范围内,保障供电的连续性,改善供电质量,并可大幅度降低电能损耗,国内外早已开始研究与探讨中低压配电变压器的有载调压技术与应用[1-17]。文献[3]按照变压器调压分接头的组成,将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,并对典型调压技术的动作原理和发展过程进行了分析和比较。文献[4]研究了一种基于GPS的配电变压器带在线滤油功能的有载调压系统,介绍了系统的组成及特点,以提高配电变压器有载调压装置的免维护性能,提高电压合格率和供电可靠性。文献[5]提出了一种电力电子式有载调压方案,主要思路是取消传统的机械和电动操作机构,采用二进制编码调节的方法实现配电变压器无燃弧式的有载调压。

有载调压技术的应用促进了节能型配电变压器技术性能的升级换代,有助于配电台区的经济高效运行和配电自动化功能的延伸与拓展。配电变压器有载调压与并联电容器投切相结合已成为中国目前实现配电网电压无功综合自动控制、限定电压波动在合格范围内的重要手段,对保障用户优质电力服务和提升配电网安全、可靠、经济运行水平具有重要的现实意义。

2 配电变压器新型调压技术与实现

配电变压器有载调压技术对稳定电压、提高电压合格率意义重大,是智能配电台区实现电压无功综合协调控制的基础条件。配电变压器新型有载调压技术大体可分为机械式、电力电子式、复合式三大类。机械式又可分为改进型、带在线滤油装置型和真空灭弧型3种。

2.1机械式有载调压技术

(1)机械式改进型。机械式改进型有载调压开关是在传统机械式有载分接开关的基础上,附加一电子开关电路,其分接开关由1个过渡电阻和少量晶闸管组成,限制分接头切换过程的电弧是通过电子开关电路和机械开关的配合实现,分接开关原理和电子开关电路情况具体如图1所示[3]。机械式改进型有载调压开关的技术优势是无需配置时间控制回路,通过操作机械开关实现对晶闸管的触发;缺点是结构复杂,操作速度慢。

图1 机械式改进型分接开关原理及其电子开关电路

(2)带在线滤油装置型。带在线滤油装置型有载调压开关是在传统有载调压开关基础上附加1台在线滤油装置。在线滤油装置由控制系统、动力系统、滤芯、压力表、操作面板等组成,其中动力系统由电动机、油泵构成,滤芯分为除水滤芯和除杂滤芯,用来净化变压器油,压力表用来监视滤罐内的压力,滤芯更换提示。有载调压装置在线滤油装置工作原理如图2所示[2]。

图2 有载调压开关在线滤油装置工作原理

控制系统依据有载调压开关动作次数记录,控制启动电动机带动油泵工作,利用压力将分接开关中的变压器油通过连管吸入到滤罐进行过滤,再将过滤后的油注入到有载分接开关油室中。该有载调压技术的优点是能够实现在线自动滤油,降低分接切换电弧的影响,减少了维护成本,适用于传统配电变压器的有载调压改造;缺点是额外增加一套在线滤油装置,增加了投资成本和装置本身的维护工作量(如更换滤芯等)。

(3)真空灭弧型。机械式真空灭弧型有载调压开关不同于传统的绝缘油灭弧,分接头切换在真空管中完成,不存在切换电弧造成油劣化和污染问题。机械式真空灭弧型有载调压开关功能实现的关键是真空切换开关的选择与过渡电路的设计,性能水平主要取决于真空触点的切换参数,包括额定电流、额定电压与额定容量。机械式真空有载调压开关切换电路具体如图3所示[16],R为过渡电阻,V1、V2为真空管。

图3 机械式真空有载调压开关切换原理

机械式真空灭弧型有载调压开关结构形式简单,动作可靠。但真空管如发生真空泄漏,则可能发生电弧不熄灭或在过电压作用下发生真空电击穿情况,导致级间短路事故。如果增加安全防护后备措施,则需要增加过渡电阻和真空管的数量,成本提高[18-20]。

2.2电力电子式有载调压技术

近年来,电力电子技术得到快速发展,晶闸管系列产品的性能有了较大提高。无冲击无弧的纯电力电子式有载调压开关也一度成为研究重点,主要是采用微处理器直接控制晶闸管电力电子开关实现分接头的切换。电力电子式有载调压开关技术原理具体如图4所示[1]。

图4 电力电子式有载调压开关技术原理

电力电子式有载调压开关装置通过测量模块得到变压器二次侧电压和电流,由微处理器完成功角计算、故障识别和形成控制指令,适时切换晶闸管开断,完成电压调节功能。微处理器可根据系统电压的实际情况进行故障识别,选择性限制晶闸管动作或将其闭锁。电力电子式有载调压开关主要优点是分接头切换时无电弧无冲击,无机械和电动部件,故障率低,维护工作量小。缺点是对晶闸管自身性能水平及计算、判断和控制的精确性要求极高,易受雷电冲击的影响;晶闸管功率消耗高于机械式开关,需要采取措施散热和降低自身损耗。

2.3复合式有载调压技术

复合式有载调压开关是综合利用机械开关损耗小和电力电子开关切换无弧无冲击的技术优势,形成的一种机械和电力电子混合式调压技术。文献[10]介绍了一种可控硅辅助换流式有载调压开关,可控硅辅助换流式无弧调压开关原理具体如图5所示。

图5 可控硅辅助换流式无弧调压开关原理

可控硅辅助换流式有载调压开关技术为防止电弧产生,采用可控硅取代了传统有载调压开关的过渡电阻,总体结构未有大的变化。可控硅辅助换流式有载调压开关设计有2组可控硅,对这2组可控硅在电流过零点时关断的同步性要求很高,不允许出现任一可控硅管提前导通情况,否则就会导致变压器的部分线圈短路,同样如其中一个可控硅管出现延时导通的情况,则会造成负载电流中断,因此所产生的高恢复电压将会损坏可控硅。

文献[12]介绍了一种组合式分接开关,主要由TADS型切换开关和选择器组成,切换开关的触头系统由晶闸管和机械触头组成,晶闸管作为切换开关的开关元件承担电弧触头功能,负责开断切换过程中的电流。TADS型切换开关原理如图6所示,其中ST为变压器高压绕组线圈,CR1为过渡电阻回路选择器,R为过渡电阻,CT1为晶闸管回路选择器,TH为晶闸管,SR为固态继电器,M1与M2为机械触点。

图6 TADS切换开关原理

组合式分接开关的每一相切换开关采用一个晶闸管,机械触点M1与M2为主通触头,在非切换状态下电流流通M1或M2。在开关切换的整个过程中,由于机械触头都是在不带电流情况下分开,因此不会造成触头烧损和油污染问题,相对传统的机械式有载分接开关,寿命期内无需更换触头,维护检修的工作量将大大减少。该组合式分接开关是一种典型的机械电子混合式结构,由机械触头与晶闸管结合而成,可实现无电弧切换,但该类型组合式开关的操作与控制较为复杂。

文献[17]介绍了一种电力电子开关双向晶闸管与大功率固态继电器相结合的复合式有载调压技术,主要以大功率固态继电器组代替传统的分接选择器。该复合式有载调压开关无弧切换原理如图7所示。

图7 复合式有载调压开关无弧切换原理

图7中的X1和X2为有载调压型配电变压器的高压绕组的2个抽头;SCR1和SCR2为无触点电力电子开关双向晶闸管,SSR1和SSR2R为固态继电器,R是起限流作用的过渡电阻。假定最初有载调压型配电变压器运行在绕组分接头X2位置,双向晶闸管SCR2则处于全导通状态,电流通路为X2-SCR2,SSR1、SSR2、SCR1均处于断开状态。当需要将分接头由X2调整到X1时,调整过程具体包括:先触发导通固态继电器SSR1,然后关断SCR2,电流通路变为X1-SSR1-R,再触发导通SCR1,电流通路变为X1-SCR1,这样就完成了一次分接的转换。与传统机械式有载调压开关相比,不存在任何的运动部件和电动操作机构,真正消除了原有的故障隐患,完全由软件控制实现分接的选择和快速切换。该方案还处于研究与完善阶段。

3 结语

本文分析了国内外配电变压器有载调压技术研究现状,对已有配电变压器调压技术进行了归纳和总结。现有的机械式有载调压技术包含机械改进型、带在线滤油装置型、真空灭弧型3类,机械改进型结构较为复杂,控制速度慢;带在线滤油装置型需要额外一套滤油装置,不定期更换滤芯,成本和维护工作量增加;真空灭弧型实现了免维护,但切换时有冲击,价格高;电力电子式和复合式有载调压技术具有无弧、无冲击切换优势,目前还处于研究与探索阶段,主要受限于电力电子开关技术性能水平,调压装置体积偏大,其实用性还需要进一步实践验证。

分布式电源接入低压配电网比例增长快速,光伏发电、风力发电等分布式电源具有突出的随机性、波动性和间歇性特点,与实际低压配电网日负荷曲线难以吻合。随着分布式电源大量接入、电动汽车和储能等多元化负荷的增加,将对配电网电压控制与管理带来更加严峻的挑战。免维护、无冲击、性价比高的配电变压器有载调压技术及其产品研制将成为该技术领域的发展方向和需要深入研究与关注的重点,以支撑智能配电网建设及其电压无功综合控制功能的实现,满足现代配电网经济运行和供电电压质量新需求。(王金丽,马钊, 潘旭 中国电力科学研究院,北京100192; 王利 配电变压器节能技术北京市重点试验室,北京)



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