有載調容變壓器在運行中的優化設計研究

徐東偉+田程濤+魏劍嘯+張虹

摘 要：本文介紹了一種新型有載調容組合式變壓器的優化設計，其具有節能效果明顯、智能化程度高、結構緊湊、安裝維護方便等特點，筆者從變壓器的整體機構到鐵心、繞組、開關等各方面進行優化設計的說明。并通過試驗論證，此種有載調容變壓器的節能效果明顯、運行中本體和開關故障低，特別適用于10KV以下配電網。

關鍵詞：有載調容變壓器；優化設計；節能

中圖分類號：TM41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0137-03

變壓器作為電力系統中利用率最高的電氣設備，它的損耗也直接影響著整個電力系統的能量損耗，因此，采用節能型有載調容變壓器已成為現在電力系統的發展趨勢，我國現行配電變壓器，包括箱式變電站其變壓器的額定容量大都固定不變且按用戶最大負荷來配制。這就造成網絡無功分量過大，變壓器空載損耗相對輸電容量比例過大，使大量電能浪費在網絡無功電流損耗及變壓器空載損耗中。目前市場上出現的少量有載調容變壓器，可以部分的解決上述問題，但其功能單一。難以滿足我國變配電領域向節能、智能化、高效率、穩定供電質量的發展的要求。

1 有載調容變壓器設計原理

筆者所提及的此種變壓器在設計時具備大小兩個額定容量。高壓繞組在大容量時為三角形連接，低壓繞組為段2與段3并聯（段2和段3匝數相同）然后和段1串聯（段1導線截面積約為段2（或3）的2倍），此時低壓繞組的匝數為段1的匝數與段2（或3）。在小容量時，高壓繞組改為星形連接，匝電壓為原來的1/，低壓線圈則改成段1、段2、段3串聯，合理選擇匝數，其匝電壓也要改為原來的1/，以保證輸出電壓不變。有載調容調壓變壓器繞組連接原理圖見圖1。

顯然，由于匝電壓大幅降低，鐵芯中磁通密度亦大幅降低，使變壓器在小容量狀態下其空載損耗大大降低，實現了節能之目的。它特別適用于季節性用電不均和時段性負荷差異大的農村電網。

2 有載調容變壓器的優化設計

在變壓器的整體結設計上，筆者采用了一種智能控制柜和有載調容變壓器底部公用底座槽鋼，上部通過固定架和變壓器油箱相連的結構，實現了一體化結構。具有結構緊湊、安裝方便的特點。且油箱采用波紋式油箱，波紋片選用先進的焊接工藝，具有承受壓力強、彈性形變優、散熱系數高等優點。有載調容變壓器整體結構外形圖見圖2。

鐵心的材料和結構直接影響了變壓器的損耗，因此在鐵心的選材和結構設計上，我們鐵心采用高導磁、冷軋晶粒取向優質硅鋼片，并采用連續卷制方式形成階梯圓形鐵心，這種鐵心比傳統的疊鐵心的鐵心四角減少大、小各4個尖角，故鐵重減小。又因卷鐵心幾乎沒有接縫，連續卷繞又充分利用硅鋼片的取向性，且成自然緊固狀態，無需夾件緊固，避免夾緊引起的損耗增大。同時也降低了噪聲。

有載調容變壓器在運行中，其繞組的結構設計和材料選用以及絕緣處理是否與變壓器油相容，直接決定了變壓器的使用壽命。在結構上，繞組采用獨特的圓筒式結構及絕緣，利用環形附加絕緣，以滿足繞組在串、并聯狀態下的絕緣性能要求。高、低壓繞組的所有抽頭均與有載調容開關緊固在一起，低壓繞組的出頭、升層及換位處均加強絕緣。在選材上，高壓繞組采用QQ-2縮醛漆包銅線，以提高與變壓器油的相容性，高壓引線從器身上部通過導線夾夾持后引到有載調壓開關中，低壓引線通過側面用銅排焊接后引到開關上，這樣可減少引線長度，降低負載損耗。

由于低壓出頭數較多，引線焊接點也較多，因此傳統的紙板粘墊塊這樣的結構就不能滿足機械強度的需要，筆者采用一種環氧板整體結構的新型鐵軛絕緣，效果很好。

3 有載調容開關優化設計

在運行過程中，開關的使用壽命直接影響變壓器的使用質量，開關在有載調容時，極間電壓過高、切換過程斷電問題已成為行業難題。為了保證變壓器的有效不間斷運行，我們在開關的優化設計方面進行了研究。

優化設計的整體思路為在有載調容開關的基礎上。通過設計新的串聯多斷口形式和快速機構布置模式，將調容與調壓觸頭組集成，產生一種新型機構的有載調容開關，并避免了機械干涉，降低了成本、體積，外形與原調容開關基本相同，新設計的配電變壓器也降低了綜合造價。

3.1 新的調容多斷口設計

新的多斷口技術完成了對高電壓的切換，可是相應的問題確是多個觸頭的串聯排布占用了太多空間，已經沒有放置調壓觸頭的位置了，如圖3（a）所示。因此我們對串聯多斷口進行了改良，如圖3（b）所示。將過度電阻一分為二，根據電阻所連斷口數量分配組織比例，這樣，過渡支路電壓會被電阻強制分配，所以不再需要個別靜觸頭了，從而有足夠的空間布置調壓分接觸頭。因此實現了7個分接神的有載調容調壓分接開關的觸頭排布。

3.2 調壓與調容兩套機構的設置問題

在傳統的V型有載分接開關中，有兩套（動觸頭）轉換機構，但是這種設計并不適用于有載調容調壓分接開關，原因是調容與調壓需要彼此獨立運行，互不制約。還有就是作為面向配電變壓器使用的產品，不可能允許復雜的機構和龐大的體積，這些問題都為設計帶來了難度。

解決這個問題的思路是，原有的調容機構不動，在其支架的下面，設置一套調壓快速機構，電機的動力由支架上面引入，以支架為平面，上、下兩側分別形成共軸的兩套快速機構。

而且有載調容開關為立式圓筒式結構，開關動、靜觸頭結構設計合理，緊固在絕緣筒上，切換過程中無卡死現象，接觸電阻小

3.3 在線濾油補油裝置

農村用電24小時負荷變化較大，“餐峰”、“燈峰”時段的負荷幾乎是低谷時負荷的2-6倍，為提高電壓質量，變壓器在調容同時還頻繁調整變壓器有載調壓的檔位，每次調壓都會因弧光產生游離碳等有害物質，這些雜質的形成降低了變壓器油絕緣介質的絕緣強度，同時使有載調壓裝置的絕緣油減少，因此，開關的自動濾油裝置就可以自動對有載開關本體內的變壓器油進行過濾，確保開關內的變壓器油潔凈，使開關的維護時間大為減少，接近于零維護。開關具有獨立油室，不會污染變壓器本體的油。

4 試驗論證

有載調容變壓器的試驗主要集中在變壓器本身的產品性能和節能成效以及開關的動作時間上，基于變壓器本體和開關的優化設計，有載調容變壓器在這幾方面都有明顯改善。

有載調容調壓開關作為有載調容調壓變壓器的重要組成部分，根據用戶所帶負荷大小自動檢測判斷，在變壓器不停電狀態的下，對變壓器容量進行自動切換，實現運行過程中變壓器容量大小的自動轉換。因此筆者選取有載調容調壓開關動作時間進行了針對性測試。

（1）變壓器低壓側空載，高壓側施加額定電壓10kV，測試接線示意圖如4。

（2）變壓器低壓側短路，在高壓側施加400V，低壓側高容電流715A，低容電流230A，測試接線示意圖如5。

測試項目：有載調容調壓開關動作時間。

測試要求：有載調容開關的切換過程應在20ms～40ms內完成，且保持低壓側供電連續性（Q/GDW731-2012）。

（1）變壓器低壓側空載，高壓側施加額定電壓10kV，開關動作時間如表1：（單位：ms）。

測試數據：

測試波形圖如6。

（2）變壓器低壓側短路，在高壓側施加400V，低壓側高容電流715A，低容電流230A，開關動作時間升容：31.2ms；降容：31.8ms，波形圖如7。

5 結語

通過優化設計，此種有載調容變壓器的本體和開關組合結合更為緊密，使其在運行中本體和開關故障率大為降低，維護更為方便，并通過試驗論證，此種有載調容變壓器的節能效果明顯，特別適用于10KV以下配電網。其智能化無功補償裝置很好滿足了智能電網的要求，可以很好改善農村用電網季節性負荷和時段性負荷的峰谷式變化對變壓器使用壽命的影響和運行安全性要求。真正實現了節能的目的，降低了電網系統損耗。

參考文獻

[1]羅偉彬，劉長江，龍世熠，賴美云，羅建軍，鄭忠宇.S13型有載調容變壓器的特性與設計[J].變壓器，2015，05：9-12.

[2]賈繼瑩，欒大利，劉艷新，孟繁雙.一種新型有載調容分接開關的設計[J].變壓器，2015，02：45-48.

[3]王金麗.有載調容變壓器綜合經濟性分析及應用研究[J].高壓電器，2009，03：32-35.

[4]姚志松，姚磊.新型節能變壓器選用運行與維修[M].中國電力出版社，2010.