10 kV機械式自動調(diào)壓調(diào)容開關(guān)結(jié)構(gòu)分析

潘新華

（北京博瑞萊智能科技周口有限公司，河南 周口 466700）

0 引 言

現(xiàn)階段，調(diào)容調(diào)壓變壓器已有越來越多的使用場合。由于它應(yīng)對負荷變化而對應(yīng)在大小容量的調(diào)整比對普通變壓器的優(yōu)勢明顯，調(diào)容調(diào)壓開關(guān)呈現(xiàn)出多樣的發(fā)展[1]。它主要分為電子式和機械式兩大類。但是，電子式以晶閘管為開斷轉(zhuǎn)換元件，受本身特性限制，成本的性價比和可靠性不高，在10 kV領(lǐng)域應(yīng)用不廣泛。機械式調(diào)容調(diào)壓開關(guān)沿襲高電壓等級設(shè)計，之前由于經(jīng)濟性原因只在局部使用，隨著開關(guān)技術(shù)的發(fā)展和成本控制，使得調(diào)容調(diào)壓開關(guān)在10 kV領(lǐng)域的優(yōu)勢逐步體現(xiàn)，現(xiàn)階段有著廣泛應(yīng)用。

1 調(diào)壓調(diào)容開關(guān)實現(xiàn)原理和動作分析

1.1 調(diào)壓原理及開關(guān)動作分析

電力變壓器的電壓調(diào)節(jié)通常是在一次繞組上設(shè)置調(diào)壓分接頭或著設(shè)置單獨的調(diào)壓繞組，都是通過調(diào)節(jié)一次繞組的匝數(shù)來適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動，以維持二次輸出電壓的穩(wěn)定。對應(yīng)調(diào)壓開關(guān)需具備調(diào)檔切換功能，使得開關(guān)和變壓器高壓線圈抽頭連接后，通過開關(guān)的觸頭轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)變壓器線圈的繞組匝數(shù)，已達到二次電壓穩(wěn)定輸出[2]。

圖1為調(diào)壓開關(guān)，調(diào)壓動作配合分析（如圖2所示）如下：t1時間由控制系統(tǒng)發(fā)出動作命令，開關(guān)的機構(gòu)做出相對反應(yīng)帶動觸點開合。主滅弧開關(guān)6K1和過渡電阻投入開關(guān)6K2同時動作，6K1投入過渡電阻，保證調(diào)壓選擇開關(guān)5K動作，同時保持電壓連續(xù)穩(wěn)定，動作時間為t2～t9；6K2開斷主回路，用以保證調(diào)壓選擇開關(guān)5K無弧切換，動作時間同樣t2～t9；調(diào)壓選擇開關(guān)5K2先開斷，動作時間為t4，選擇升壓或降壓抽頭投入5K4，動作時間為t5。配合時間要求需滿足交集不等式（單位ms）：

圖1 調(diào)容調(diào)壓開關(guān)原理圖

1.2 調(diào)容開關(guān)原理及開關(guān)動作分析

電力變壓器的容量調(diào)節(jié)通常是通過高低壓線圈串并聯(lián)或者高壓Δ-Y轉(zhuǎn)換、低壓串并聯(lián)轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。對應(yīng)調(diào)容開關(guān)具備高壓轉(zhuǎn)換的同時，低壓進行切換。高壓開關(guān)具備10 kV轉(zhuǎn)換和正常負荷切換功能，低壓開關(guān)具備大電流導(dǎo)通能力和正常負載切換功能。如圖2所示，調(diào)容動作配合分析：t1時間發(fā)出動作命令，開關(guān)機構(gòu)做出相對反應(yīng)帶動觸點開合；過渡電阻投入開關(guān)6K1和主滅弧開關(guān)6K2同時動作，6K1投入過渡電阻，保證調(diào)容開關(guān)動作過程中高壓保持連續(xù)不斷電，動作時間為t2～t9；6K2開斷主回路，保證調(diào)容高壓開關(guān)1K無弧或微弧切換；動作時間同樣t2～t9；調(diào)容高壓開關(guān)1K外接變壓器高壓繞組抽頭，完成高壓繞組的串并聯(lián)或Δ-Y轉(zhuǎn)換，動作時間為t3～t8；在高壓開關(guān)動作同時，低壓開關(guān)2K完成低壓轉(zhuǎn)換，使得外接變壓器低壓繞組抽頭實現(xiàn)串聯(lián)及并聯(lián)的轉(zhuǎn)換，動作時間為t6～t7。配合時間要求需滿足交集不等式（單位ms）：

圖2 調(diào)容調(diào)壓開關(guān)時序配合

2 兩類機械式調(diào)容調(diào)壓開關(guān)簡介

目前，市場上主要有兩大類調(diào)容調(diào)壓開關(guān)。

第一類調(diào)容調(diào)壓開關(guān)，如圖3所示。調(diào)容開關(guān)和調(diào)壓開關(guān)共箱設(shè)計，主要由高壓定觸頭6、高壓動觸頭7、低壓定觸頭10、低壓動觸頭11、操動機構(gòu)1、15、快速機構(gòu)2、16、撥盤8、撥件9和絕緣筒4等構(gòu)成。構(gòu)成獨立開關(guān)油室5，通過主軸3傳動調(diào)容。觸頭開合均為轉(zhuǎn)動模式，此類調(diào)容調(diào)壓開關(guān)沿襲高電壓等級設(shè)計，在10 kV調(diào)容變的早期使用中處于主導(dǎo)位置。

隨著調(diào)容調(diào)壓開關(guān)的發(fā)展，第二類調(diào)容調(diào)壓開關(guān)開始興起，并逐步占據(jù)市場的主導(dǎo)位置。如圖4所示，調(diào)容開關(guān)和調(diào)壓開關(guān)同樣為共箱設(shè)計，主要由高壓定觸頭6、高壓動觸頭7、低壓定觸頭10、低壓動觸頭11、調(diào)容操動永磁機構(gòu)1和2、調(diào)壓操作永磁機構(gòu)15和16、調(diào)容傳動件8和9、調(diào)壓傳動件12和13、高壓絕緣封板4和低壓絕緣封板20等構(gòu)成。構(gòu)成獨立開關(guān)油室5，通過傳動軸3傳動調(diào)容。高壓觸頭為撞擊式，低壓觸片為夾合式，均為直線傳動。由于本類型調(diào)容調(diào)壓開關(guān)采用了永磁機構(gòu)配合蓄能彈簧，使得其換擋和連續(xù)動作時間減少，動作迅速，觸頭斷開瞬間速度可達到1.2 m/s，可瞬間熄弧。加之真空管的運動為直線往復(fù)動作，和此類型開關(guān)的直線傳動完全符合，對后期實現(xiàn)真空滅弧、無污染、免維護預(yù)留了良好的空間。綜合以上特點，此類型開關(guān)在10 kV調(diào)容變中運用越加廣泛，有取代第一類調(diào)容調(diào)壓開關(guān)的趨勢。

圖3 側(cè)裝調(diào)容調(diào)壓開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 頂裝調(diào)容調(diào)壓開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

3 兩類開關(guān)外接與變壓器器身連接簡介

3.1 側(cè)裝式開關(guān)連接簡介

這一類調(diào)容調(diào)壓開關(guān)與變壓器器身相連接時，安裝在變壓器器身的一側(cè)，如圖5所示。開關(guān)6通過外接端子3和連接紙包銅線1同變壓器器身5的接線端子2相連，開關(guān)的不同相及檔位對應(yīng)繞組抽頭的外接端子連接。該種結(jié)構(gòu)連接線往往需要通過木夾件4來固定，對接時往往需要在固定工裝或一體頂蓋上進行火焊或冷壓對接，效率較低，且相對本體器身需要外擴尺寸偏大，用變壓器油量增多，銅引線過長，導(dǎo)致整體成本增高。

圖5 側(cè)裝開關(guān)一次連接示意圖

3.2 置頂安裝式開關(guān)簡介

這一類調(diào)容調(diào)壓開關(guān)與變壓器器身相連時，開關(guān)位于變壓器器身的上方，頂蓋以下（如圖6所示）。開關(guān)6通過外接端子3和連接紙包銅線1同變壓器器身5的接線端子2相連，其開關(guān)抽頭和變壓器器身外接端子各相之間上下一一對應(yīng)，簡化了連接銅引線。對比普通變壓器，只加高了一部分油箱尺寸；相對使用變壓器油量和連接銅引線的數(shù)量，較上一方案有大幅減少，整體成本顯著降低。

圖6 頂裝開關(guān)一次連線示意圖

4 調(diào)容調(diào)壓開關(guān)的發(fā)展趨勢

4.1 快速響應(yīng)，免維護、智能綜合型方向發(fā)展

通過永磁驅(qū)動提高調(diào)容調(diào)壓開關(guān)的反應(yīng)速度引入真空滅弧，使得觸頭無弧無燒蝕，獨立開關(guān)油室，變壓器油無碳化、免維護。控制器通過Wi-Fi熱點與手機連接，可近、可遠查看變壓器運行狀況和無線操作，實現(xiàn)四遙等功能集成，是近來調(diào)容調(diào)壓開關(guān)的發(fā)展方向[3-5]。

4.2 可靠性方向發(fā)展

調(diào)容調(diào)壓變壓器在早期手動調(diào)節(jié)時，由于每次都要斷電調(diào)節(jié)，不僅程序復(fù)雜，也影響供電的連續(xù)性。隨著開關(guān)技術(shù)的發(fā)展和市場需求的增加，自動調(diào)容調(diào)壓變壓器應(yīng)運而生。相比手動調(diào)節(jié)，自動調(diào)容調(diào)壓變壓器不需要臨時斷電，可在帶有負載的情況下進行轉(zhuǎn)換。雖有約100 ms的極短時斷電情況，但相比手動調(diào)節(jié)已有了巨大進步。調(diào)容調(diào)壓技術(shù)在10 kV網(wǎng)絡(luò)開始小范圍推廣，但由于開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中不可避免會出現(xiàn)拉弧，雖然有獨立的開關(guān)油箱，但開關(guān)油箱內(nèi)的變壓器油仍然會污染碳化。此類開關(guān)需要配置在線濾油系統(tǒng)，無形中提高了整體成本。隨著開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，調(diào)容調(diào)壓開關(guān)引入過渡電阻和真空滅弧室，使得自動調(diào)容調(diào)壓轉(zhuǎn)變?yōu)橛休d調(diào)容調(diào)壓。在開關(guān)轉(zhuǎn)換的過程中并聯(lián)過渡電阻，使得變壓器在大小容量轉(zhuǎn)換或高低電壓轉(zhuǎn)換過程中不再斷電。此外，真空泡的引入使得開關(guān)轉(zhuǎn)換過程的滅弧在真空管中完成，這樣對變壓器油就沒有了碳化情況，即提高了運行的可靠性，提高了供電質(zhì)量。因此，真空有載調(diào)容調(diào)壓開關(guān)的出現(xiàn)，使得真空有載變壓器得以廣泛推廣。可見，更加經(jīng)濟地實現(xiàn)供電的連續(xù)性和可靠性，仍是調(diào)容調(diào)壓開關(guān)發(fā)展的方向。

4.3 低成本高性能方向發(fā)展

我國變壓器的總損耗約占系統(tǒng)發(fā)電量的10%，其中配電變壓器損耗占比約為總損耗的70%。所以，降低配電變壓器的損耗特別是空載損耗具有十分重要的意義。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一臺S11型大、小容量分別為200 kVA與63 kVA的調(diào)容變壓器，較同型號普通變壓器每年可節(jié)約電能4 725 kW·h；一臺S11型大、小容量分別為315 kVA與100kVA的有載調(diào)容變壓器，年節(jié)省費用5 756.9元。所以，將調(diào)容調(diào)壓開關(guān)的成本控制在8 000元左右，在普通變壓器的基礎(chǔ)上增加的成本，基本在一年半的時間可以收回，才能滿足新時代的需求。開關(guān)的設(shè)計方面要更加經(jīng)濟化，選擇體積偏小的調(diào)容調(diào)壓組合開關(guān)來取代傳統(tǒng)成本高、體積大的開關(guān)。同時，這些調(diào)容調(diào)壓開關(guān)在使用過程中不需要在擁有一定動作數(shù)量后進行濾油，更適合應(yīng)用于電網(wǎng)建構(gòu)，能夠給電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建帶來一定的經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 論

城市規(guī)劃中，10 kV配電網(wǎng)的建設(shè)較為普遍。在負荷使用越來越大、時間段越來越集中的前提下，人們對調(diào)容調(diào)壓開關(guān)技術(shù)提出了越來越高的要求。為了使其在日后運行中更加穩(wěn)定、安全和高效，針對10 kV自動調(diào)容調(diào)壓配電器，它的廣泛運用不但對整個電力行業(yè)至關(guān)重要，還能更好地為人們提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。