調(diào)容變壓器的工作原理與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

馬振邦

（北京博瑞萊智能科技集團(tuán)有限公司，北京 100095）

0 引 言

目前，全國(guó)變壓器總損耗約占系統(tǒng)發(fā)電量的4%[1]，其中配電變壓器損耗占比約為總損耗的70%[2]。因此，降低變壓器的損耗特別是配電變壓器的損耗意義重大。作為配電變壓器之一的調(diào)容變壓器（以下簡(jiǎn)稱調(diào)容變），具有大小兩個(gè)容量，可根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)容量。當(dāng)調(diào)容變壓器處于小容量時(shí)，變壓器的空載損耗將極大降低。

1 節(jié)能原理

變壓器的總損耗包括負(fù)載損耗和空載損耗。降低變壓器的負(fù)載損耗，意味著要降低變壓器繞組電磁線的電阻，即在繞組匝數(shù)和形狀大致不變的情況下增加電磁線的導(dǎo)電面積，會(huì)極大地增加變壓器的成本。以容量為400 kVA的10 kV電壓等級(jí)的S11或S13型變壓器為例，若要降低變壓器負(fù)載損耗的5%，需要增加1 500～2 000元的成本。

空載損耗是磁通在鐵芯上產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗和渦流損耗與磁通密度的二次方成正比，因此降低空載損耗就要降低磁通密度。

其中，BM為磁通密度最大值，et為匝電壓，f為頻率，s為鐵芯凈面積。可見(jiàn)，改變?cè)央妷壕涂梢愿淖兞鬟^(guò)鐵芯的磁通密度，從而降低空載損耗。

調(diào)容變就是采用調(diào)容開(kāi)關(guān)調(diào)整變壓器高、低壓側(cè)繞組抽頭的接線方式。降低變壓器正常工作時(shí)的匝電壓而降低磁通密度，可起到節(jié)能的效果。以S11-400（125）/10型調(diào)容變[3]為例，容量為400 kVA時(shí)，空載損耗為570 W[4]；變換為125 kVA時(shí)，損耗僅約為190 W，已低于非晶合金變壓器[5]。

2 工作原理

2.1 Y-D轉(zhuǎn)換有載調(diào)容調(diào)壓變壓器

圖1為結(jié)合有載調(diào)壓技術(shù)的Y-D轉(zhuǎn)換型有載調(diào)容調(diào)壓原理圖。圖1（a）為變壓器的小容量狀態(tài)，此時(shí)變壓器高壓繞組處于Y接狀態(tài)，單個(gè)繞組承受的輸入電壓為相電壓，低壓側(cè)繞組分為三段串聯(lián)。圖1（b）為變壓器的大容量狀態(tài)，高壓繞組處于D接狀態(tài)，單個(gè)繞組承受的輸入電壓為線電壓，低壓側(cè)繞組三段中兩段并聯(lián)再和第三段串聯(lián)。小容量時(shí)，繞組承受的相電壓是大容量時(shí)的線電壓的1/。因?yàn)槔@組變換前后匝數(shù)不變，所以小容量時(shí)匝電壓也是大容量時(shí)匝電壓的1/，鐵芯磁通的磁通密度也為小容量時(shí)是大容量時(shí)的1/。根據(jù)鐵芯特性，變壓器空載損耗將約降低為大容量時(shí)的1/3。

無(wú)論變壓器大、小容量，變壓器的低壓輸出電壓應(yīng)保持不變。為了并聯(lián)的繞組間無(wú)環(huán)流，用于串并聯(lián)的兩段繞組匝數(shù)必須相等。因此，低壓側(cè)繞組應(yīng)滿足以下關(guān)系：(K2+2K1):(K2+K1)=:1，其中K2為非串并聯(lián)段繞組匝數(shù)，K1為串并聯(lián)段兩繞組的匝數(shù)，約分后可得K2:K1=0.27:0.73。

調(diào)容變變換為小容量后，高壓繞組由D接變?yōu)閅接，在負(fù)載不變的情況下，高壓Y接的工作電流是D接時(shí)的3倍，但將小容量定義為大容量的1/3，小容量的額定工作電流也變?yōu)榇笕萘繒r(shí)的1/3，因此高壓繞組實(shí)際流過(guò)電流為大容量額定電流的1/。負(fù)載損耗是電流平方乘以阻值，因此小容量高壓繞組負(fù)載損耗是大容量負(fù)載損耗的1/3。低壓側(cè)繞組大容量時(shí)，匝數(shù)K2的繞組流過(guò)額定電流，匝數(shù)K1的并聯(lián)繞組，各繞組分別流過(guò)額定電流的1/2。因此，可設(shè)置匝數(shù)K1的并聯(lián)繞組，各繞組導(dǎo)電面積為匝數(shù)K2的繞組1/2。由于以上計(jì)算的K2和K1匝數(shù)比，可計(jì)算得小容量電阻是大容量時(shí)的3.19倍，小容量時(shí)低壓負(fù)載損耗為大容量的0.354。另外，考慮到引線的影響和渦流雜散損耗的影響，小容量負(fù)載損耗約為大容量的1/3。

圖1 Y-D轉(zhuǎn)換有載調(diào)容調(diào)壓變壓器原理圖

變壓器的短路阻抗由電抗部分和電阻部分組成。

電抗計(jì)算公式為：

其中，Xk%為短路阻抗電抗部分，f為頻率，I1N1為一次側(cè)安匝，ΣDr為繞組漏磁面積；ρ為羅氏系數(shù)，K為電抗系數(shù)；et為匝電壓；hk為電抗高度。式中一次安匝I1N1，由以上內(nèi)容可知小容量為大容量的基本不變，因此小容量同大容量電抗率基本相等。

電阻部分計(jì)算公式為：

其中，RK%為短路阻抗電阻部分，PK為負(fù)載損耗，Sn為變壓器容量。當(dāng)小容量定義為大容量的1/3左右時(shí)，由上分析小容量負(fù)載損耗約為大容量的1/3，因此小容量同大容量電阻率基本相等。基于以上原因，調(diào)容變?cè)谡{(diào)為小容量后，短路阻抗值也同大容量相當(dāng)。

另外，變壓器空載電流在鐵芯接縫外同磁通密度平方基本成正比，在鐵芯接縫處比磁通密度平方關(guān)系更大，根據(jù)常規(guī)調(diào)容變檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，小容量空載電流約變?yōu)榇笕萘繒r(shí)的1/5以下。

綜上所述，將調(diào)容變的小容量定義為大容量的1/3，空載損耗及負(fù)載損耗均降低為大容量時(shí)的1/3，空載電流1/5以下，短路阻抗基本不變。

圖1中，調(diào)容開(kāi)關(guān)在大、小容量及轉(zhuǎn)換過(guò)程中及調(diào)壓開(kāi)關(guān)在不同檔位間轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，均經(jīng)歷過(guò)渡電阻R同開(kāi)關(guān)接點(diǎn)并聯(lián)后，主接點(diǎn)才從原狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一狀態(tài)的情況。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，均由過(guò)渡電阻保證供電連續(xù)性。另外，過(guò)渡電阻限制并聯(lián)回路的環(huán)流。

2.2 串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換有載調(diào)容調(diào)壓變壓器

圖2為串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換有載調(diào)容調(diào)壓變壓器原理圖。高壓繞組和低壓繞組均由兩段繞組組成，小容量時(shí)如圖2（a）所示；高、低壓的兩段繞組均串聯(lián)，大容量時(shí)，圖2（b）兩段繞組均并聯(lián)。這樣可以達(dá)到的效果為，變壓器小容量的空載損耗和負(fù)載損耗將變?yōu)榇笕萘康?/4時(shí)，短路阻抗不變，空載電流變?yōu)榇笕萘康?/8左右，原因分析如2.1，不再贅述。以S11-400（100）/10型調(diào)容變?yōu)槔儔浩髟谛∪萘繝顟B(tài)完全滿足100 kVA變壓器的參數(shù)要求。同樣，采用對(duì)應(yīng)有載調(diào)容調(diào)壓開(kāi)關(guān)可以達(dá)到保證供電連續(xù)性的目的。

圖2 串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換有載調(diào)容調(diào)壓變壓器原理圖

2.3 兩種調(diào)容變的優(yōu)缺點(diǎn)比較

Y-D轉(zhuǎn)換的調(diào)容變小容量是大容量的1/3，串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換的調(diào)容變小容量是大容量的1/4，因此Y-D轉(zhuǎn)換的調(diào)容變調(diào)到小容量節(jié)能的幾率大于串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換的調(diào)容變。但是，串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換的調(diào)容變調(diào)到小容量時(shí)更節(jié)能。

Y-D轉(zhuǎn)換的調(diào)容變小容量是Yyn0的接法。這種接法的變壓器零序阻抗偏大，通常可達(dá)到50%～60%。因此，一旦低壓負(fù)荷三相不平衡會(huì)導(dǎo)致三相電壓嚴(yán)重偏差。一般規(guī)定，這種接法的變壓器單相不平衡負(fù)荷引起的中性線電流不得超過(guò)低壓繞組額定電流的25%。串-并聯(lián)轉(zhuǎn)換的調(diào)容變?cè)谡{(diào)容前后可保持Dyn11接法不變。這種接法的變壓器零序阻抗低，因此即使三相不平衡也可長(zhǎng)期運(yùn)行。另外，因?yàn)榱阈蜃杩沟牟煌珼yn11結(jié)線的變壓器配電系統(tǒng)的單相短路電流為Yyn0結(jié)線時(shí)的3倍以上，有利于單相接地短路故障判斷切除。單從聯(lián)結(jié)組別講，串-并聯(lián)調(diào)容變更具優(yōu)勢(shì)。

Y-D轉(zhuǎn)換的調(diào)容變同串并聯(lián)轉(zhuǎn)換的調(diào)容變所用調(diào)容調(diào)壓開(kāi)關(guān)相比，Y-D型調(diào)容開(kāi)關(guān)所用觸頭更少，且對(duì)應(yīng)的調(diào)壓開(kāi)關(guān)也更簡(jiǎn)單。兩種調(diào)容變對(duì)應(yīng)的變壓器器身，Y-D型因高壓繞組同普通變壓器一樣，而串并聯(lián)型需分段繞制，因此Y-D型高壓繞組更簡(jiǎn)單。低壓繞組因串并聯(lián)型僅分兩段，因此更簡(jiǎn)單。

2.4 小容量時(shí)過(guò)載能力分析

Y-D轉(zhuǎn)換的調(diào)容變，由上分析可知小容量時(shí)實(shí)際流過(guò)高壓繞組的額定電流僅為大容量時(shí)設(shè)計(jì)值的/3，因此過(guò)載至倍才達(dá)到設(shè)計(jì)電流。而流過(guò)低壓繞組的額定電流僅為大容量時(shí)設(shè)計(jì)值的2/3，過(guò)載至1.5倍才達(dá)到設(shè)計(jì)電流。串并聯(lián)型調(diào)容變，流過(guò)高、低壓繞組的電流為大容量的1/2，過(guò)載至2倍才達(dá)到設(shè)計(jì)電流。同時(shí)，因?yàn)槔@組的散熱面積、油箱的散熱面積均是按大容量設(shè)計(jì)的，所以小容量時(shí)實(shí)際可過(guò)載能力更大。因此，調(diào)容變?cè)谛∪萘繒r(shí)臨時(shí)的過(guò)負(fù)荷并不會(huì)影響變壓器的安全運(yùn)行，調(diào)容開(kāi)關(guān)不需要頻繁轉(zhuǎn)換。

3 臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)

調(diào)容變盡管在小容量下空載損耗變小，但繞組阻值實(shí)際變大。因此，同樣負(fù)載下，變壓器的實(shí)際負(fù)載損耗變大。以S11-400（125）/10型調(diào)容變?yōu)槔⒎钱?dāng)負(fù)荷小于125 kVA變壓器就應(yīng)運(yùn)行在小容量，而是存在一個(gè)臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)，在這個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)上仍應(yīng)運(yùn)行在大容量。

轉(zhuǎn)換處，有：

解得：

其中：

KP、KQ分別為有功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量和無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，指的是變壓器損耗有功和無(wú)功的每增加或減少1個(gè)單位，受電網(wǎng)所產(chǎn)生有功損耗的增加或減少量。對(duì)于配電變壓器取KP=0.2、KQ=0.1，其他符號(hào)定義以Y-D轉(zhuǎn)換S11-400（125）/10型調(diào)容變?yōu)槔?jiàn)表1。

表1中，小容量時(shí)空載損耗和負(fù)載損耗值是大容量按國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，根據(jù)調(diào)容變特性推導(dǎo)并在實(shí)際生產(chǎn)中驗(yàn)證得出的。如果小容量空載損耗和負(fù)載損耗值按同型號(hào)非調(diào)容變值計(jì)算，臨界負(fù)載為72.61 kVA。若不考慮有功和無(wú)功當(dāng)量，此值僅為61.6 kVA。

串并聯(lián)轉(zhuǎn)換S11-400（100）/10型調(diào)容變，如表2所示。

表1 S11-400（125）/10型調(diào)容變的綜合臨界負(fù)載

表2 S11-400（100）/10型調(diào)容變的綜合臨界負(fù)載

大容量同為400 kVA的Y-D轉(zhuǎn)換型和串并聯(lián)轉(zhuǎn)換型調(diào)容變，臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)按上推導(dǎo)為48.13 kVA，即當(dāng)負(fù)載小于此值時(shí)，串并聯(lián)轉(zhuǎn)換型調(diào)容變更節(jié)能。

合理設(shè)置調(diào)容轉(zhuǎn)換點(diǎn)，才能達(dá)到降損節(jié)能的目的。為了避免調(diào)容開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作，調(diào)容點(diǎn)需設(shè)置回差。例如，對(duì)于Y-D轉(zhuǎn)換S11-400（125）/10型調(diào)容變來(lái)說(shuō)，大容量調(diào)到小容量點(diǎn)設(shè)置為60 kVA，而小容量調(diào)容到大容量點(diǎn)設(shè)置為90 kVA。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 聯(lián)結(jié)組別

Y-D轉(zhuǎn)換型大容量時(shí)聯(lián)結(jié)組別應(yīng)設(shè)計(jì)為Dyn11，小容量時(shí)為Yyn0。串并聯(lián)型大、小容量可設(shè)置為Dyn11。當(dāng)然，上述Dyn11也可設(shè)計(jì)為Dyn1，但不是常見(jiàn)聯(lián)結(jié)組別。

4.2 匝數(shù)調(diào)整

Y-D轉(zhuǎn)換型調(diào)容變的低壓繞組應(yīng)分為三段，其中兩段用于串并聯(lián)段的繞組匝數(shù)均為大容量總匝數(shù)的73%，第三段匝數(shù)為大容量總匝數(shù)的27%。此處應(yīng)注意，因變壓器的低壓匝較少，按此比例分大部分為小數(shù)。四舍五入后，大容量變比設(shè)計(jì)為0%，小容量下變比誤差許多無(wú)法滿足國(guó)標(biāo)要求：小于0.5%或?qū)嶋H短路阻抗的1/10。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)需要調(diào)整高壓匝數(shù)。例如，可以使大容量誤差為正偏差而小容量為負(fù)偏差，以有效增加變比誤差裕度。此外，匝數(shù)仍需選擇：10～30匝間僅 11、15、18、19、22、23、25、26、27、29、30 可選擇，30匝以上32、39、43需規(guī)避。串并聯(lián)轉(zhuǎn)換型調(diào)容變不存在這個(gè)問(wèn)題，變壓器的低壓可以為任意匝數(shù)。

4.3 繞組抽頭與引線結(jié)構(gòu)

調(diào)容變繞組抽頭的方式主要是低壓抽頭方式，這同所選用調(diào)容開(kāi)關(guān)的接頭位置關(guān)系密切。如果選用調(diào)容開(kāi)關(guān)安裝在變壓器器身側(cè)面，變壓器抽頭一般選在線圈的上端及下端兩處。Y-D轉(zhuǎn)換型變壓器低壓繞組分為三層，串并聯(lián)轉(zhuǎn)換型調(diào)容變分為兩層。每段一層，繞組繞向可根據(jù)調(diào)容開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換要求設(shè)置。這樣設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)是段間絕緣靠層絕緣保障，工藝好控制，缺點(diǎn)是串、并聯(lián)段間存在漏磁感應(yīng)電壓不同而引起環(huán)流問(wèn)題，且內(nèi)部段電阻小，外部段電阻大，兩支路電阻不平衡。另外，調(diào)容開(kāi)關(guān)在側(cè)面低壓引線過(guò)長(zhǎng)，引線成本較高，存在三相電阻不平衡的問(wèn)題[6]。

當(dāng)調(diào)容開(kāi)關(guān)安裝在變壓器器身頂部時(shí)，三相繞組的出線均同開(kāi)關(guān)的三相引線對(duì)應(yīng)，引向調(diào)容開(kāi)關(guān)的繞組抽頭全部選在線圈的上端，這樣引線成本大幅降低，引線損耗降低。另外，開(kāi)關(guān)安裝位置同原無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓開(kāi)關(guān)和高低壓瓷瓶出線位置重疊，可以有效利用空間，變壓器油箱較小，用油成本較少。如果調(diào)容開(kāi)關(guān)的接線位置分布在頂部的高壓側(cè)和低壓側(cè)，繞組出頭還可以調(diào)整為在線圈頂部，高壓出線側(cè)和低壓出線側(cè)均出頭。繞組繞制時(shí)，兩段串并聯(lián)繞組可采用平行并繞或疊繞進(jìn)行換位。兩段繞組同時(shí)占用兩層，第三段占用一層，可有效使兩串并聯(lián)支路的電阻平衡，并且避免漏磁感應(yīng)電壓不同而引起環(huán)流問(wèn)題。但應(yīng)注意導(dǎo)線間絕緣的問(wèn)題，特別是容易相對(duì)移動(dòng)的引線抽頭處和換位S彎部位，一旦破損，小容量時(shí)出現(xiàn)匝間短路的幾率遠(yuǎn)大于普通變壓器。在這些危險(xiǎn)部位用厚度為0.5 mm絕緣防護(hù)，另包熱縮帶加強(qiáng)，可以有效預(yù)防。

還需指出，Y-D型調(diào)容變的串并聯(lián)段分布在線圈的最內(nèi)部還是靠近高、低壓間主空道，會(huì)影響調(diào)容變小容量時(shí)的短路阻抗。

在計(jì)算變壓器短路阻抗時(shí)，需計(jì)算變壓器的漏磁面積。變壓器低壓側(cè)匝數(shù)分布均勻時(shí)，漏磁面積如圖3（a）所示。串并聯(lián)段在線圈最內(nèi)側(cè)時(shí)，漏磁面積如圖3（b）所示；串并聯(lián)段靠近主空道時(shí)，漏磁面積如圖3（c）所示。顯然，串并聯(lián)段在線圈最內(nèi)側(cè)時(shí)，因大容量時(shí)73%匝數(shù)變?yōu)樾∪萘繒r(shí)匝數(shù)會(huì)變?yōu)?倍，因此線圈從內(nèi)向外沿徑向單位尺寸分布匝數(shù)明顯為內(nèi)多外少。因此，漏磁面積會(huì)增大，而靠近主空道時(shí)會(huì)減小。這對(duì)調(diào)容變小容量時(shí)的阻抗影響具有重要意義。調(diào)容變技術(shù)要求大、小容量下短路阻抗一致，偏差允許±10%，但調(diào)容變的小容量并非完全是大容量的1/3，如S11-400（125）/10調(diào)容變。根據(jù)前面短路阻抗分析，理論上當(dāng)小容量為133.3 kVA時(shí)，其短路阻抗才接近同大容量400 kVA阻抗一致。125 kVA的額定阻抗比133.3 kVA的更大，因此忽略了漏磁面積變化影響小容量短路阻抗比值。將串并聯(lián)段分布在靠近主空道時(shí)，漏磁面積變小。由短路阻抗計(jì)算公式可知，短路阻抗也將變小，從而會(huì)加大小容量下短路阻抗的差別。減小實(shí)際生產(chǎn)時(shí)短路阻抗合格裕度，而將串并聯(lián)段分布在最內(nèi)側(cè)，可以減小小容量時(shí)的短路阻抗，從而增加生產(chǎn)時(shí)的合格裕度。串并轉(zhuǎn)換型調(diào)容變，調(diào)容前后匝數(shù)分布均勻，小容量完全為大容量1/4，因此不存在這一問(wèn)題。

4.4 調(diào)容開(kāi)關(guān)的選擇

調(diào)容開(kāi)關(guān)選擇安裝在變壓器器身頂部。引線距離最短的調(diào)容開(kāi)關(guān)，除了方便三相電阻平衡，減小引線損耗，還可有效節(jié)省成本。不同容量的變壓器可節(jié)約成本1 000～2 000元。另外,因調(diào)容開(kāi)關(guān)在調(diào)容過(guò)程中產(chǎn)生的電弧會(huì)使變壓器油氧化變質(zhì)，因此要求調(diào)容開(kāi)關(guān)油室同變壓器器身油室獨(dú)立。最好采用真空滅弧的調(diào)容開(kāi)關(guān)，但因調(diào)容開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)均采用真空滅弧成本較高，性價(jià)比不高，因此根據(jù)使用場(chǎng)所，建議主要切換部分至少采用真空滅弧的開(kāi)關(guān)。同時(shí)，建議開(kāi)關(guān)采用目前公認(rèn)的高可靠永磁操作機(jī)構(gòu)，以減少返修幾率。綜上所述，調(diào)容開(kāi)關(guān)應(yīng)選擇引線成本最低、免維護(hù)或少維護(hù)的調(diào)容開(kāi)關(guān)。

5 結(jié) 論

調(diào)容變因依靠其小容量時(shí)空載損耗的顯著降低，常用在季節(jié)性負(fù)載變化幅度較大的農(nóng)村電網(wǎng)或晝夜負(fù)載變化幅度較大的城市商業(yè)區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)、工業(yè)區(qū)環(huán)境。近年來(lái)，調(diào)容變已大量應(yīng)用在北京及河北地區(qū)的煤改電工程。本文結(jié)合Y-D轉(zhuǎn)換型調(diào)容變和串并聯(lián)轉(zhuǎn)換型變壓器，詳細(xì)分析了調(diào)容變的工作原理和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以期提供借鑒。