摘要：介绍了一种有载调容变压器，由于采用了一种新型的带中部抽头、双断口及加大绝缘爬距结构的有载调容开关，使得产品的运行寿命与可靠性得以显著提高。
关键词：有载调容变压器；有载调容开关；中部抽头；双断口；加大爬距
1．引言
电力系统的节能降损是建设节约型社会的重要组成部分，降低变压器轻负载时的空载损耗对于降低整个供电损耗具有十分重要的意义。有载调容变压器是可以根据负载的变化自动调整容量的变压器，产品具有大小两个容量档位。当负荷较轻或接近空载时，变压器由大容量调为小容量运行，从而大幅度降低空载损耗。本产品除了适用于季节性负荷变化幅度比较大的农村电网外，还适用于昼夜负荷变化显著的城市商业区、开发区、工业区的10kV配电台区和箱式变电站。
2.传统有载调容变压器及开关
有载调容变压器的基本技术原理是：变压器三相高压绕组在大容量时接成三角形(D)，小容量时接成星形(Y)。每相低压绕组由3部分组成：一是少数线匝部分(I段)：二是多数线匝线段，由两组导线并绕而成两部分(Ⅱ、Ⅲ段)。大容量时Ⅱ、Ⅲ段并联再与I段串联，小容量时I、Ⅱ、Ⅲ段全部串联。由大容量调为小容量时，低压绕组匝数增加，同时高压绕组变为Y接法，相电压降低。且匝数增加与电压降低的倍数相当，可以保证输出电压不变。
调容变压器结线原理见图1。高压绕组联结方式的改变以及低压绕组并、串联的转换，均通过控制系统控制有载调容开关自动完成。同时，大容量调为小容量时，由于低压匝数的增加，铁心磁通密度大幅度降低。使硅钢片单位损耗变小，空载损耗和空载电流相应降低，达到了降损节能的目的。
有载调容变压器产品的核心组件为有载调容开关，变压器的运行寿命主要取决于有载调容开关，开关能否长期可靠的工作，将决定有载调容变压器能否实现节能效果。传统有载调容变压器在进行大小容量切换时，变压器高压绕组即为星形与三角形不同结线状态之间的转换，转换通过有载调容开关实现。为了保证切换过程中对负载供电的连续性，开关内部设置了过渡电阻，以确保切换过程中既没有短路也没有断路。该有载调容开关切换过程进行详细分解，全过程如图2。
从上图可见，传统有载调容变压器在星角切换时，需经过五个状态过程，其中中间三个状态为过渡状态。开关切换时的级电压为变压器星接时的额定相电压，电压值为10000/=5774伏，可见级电压很高。
变压器开关在切换时，动静触头每个断口之间所承受的电压称之为恢复电压。对于自由断弧的变压器分接开关，为了确保开关可靠熄弧，通常要求：当额定电流400A时，触头断口间的恢复电压应2000伏[1]。因此，传统有载调容开关至少需采用三断口结构，其恢复电压为5774/3=1925伏，虽然符合小于2000伏的基本要求，但仍然比较高。
另外，由于传统开关结构需采用三断口结构，动静触头的结构设计与制造比较复杂，其结构原理示意图见下图3。
由上图可见，该类型开关，高压动静触头结构比较复杂，动触头有五组，静触头有六组，而且每相高压触头需在轴向上分双层布置，要求较高的制造与装配精度，也在一定程度上增加了开关的轴向高度。
3.一种新型的有载调容变压器及开关
新型有载调容开关的研究着重在于提高变压器长期工作的可靠性与寿命。通过降低变压器分接开关的恢复电压，将有利于开关切换时电弧的熄断，降低电弧能量，从而有利于改善变压器油的劣化与游离碳的产生。开关内部变压器油的劣化以及游离碳的产生是影响开关工作可靠性与运行寿命的关键因素。因此，新型有载调容开关研究的具体内容是如何有效降低触头恢复电压、简化产品的结构、增加开关内部的绝缘距离。
3.1降低恢复电压
由于恢复电压=级电压/串联断口数，所以我们考虑的重点在于如何降低级电压与增加断口数量。如果我们将变压器高压绕组中部增加一个抽头，绕组星形、三角形转换时先经过抽头，再实现转换，将大大降低开关切换时的级电压值。如下图4、图5所示，A0（B0、C0）为高压绕组中部抽头，当中部抽头相连接时，高压绕组为延边三角形结线。开关切换时的级电压分别为UAA0（UBB0、UCC0）、UA00（UB00、UC00），经过测算，当中部抽头位于距离首端42.5%额定匝数时，UAA0UA003300伏。与传统有载调容开关相比，级电压有了大幅度的降低。
由上图可见，由于高压绕组结线增加了延边三角形的过渡过程，开关切换过程由原来的一个过程五个状态增加为两个过程九个状态。由于过渡电阻的存在，开关切换过程中不会发生短路或断路的情况。
3.2双断口结构
如果我们采用双断口的触头结构，断口恢复电压为3300/2=1650伏，完全满足可靠熄弧的要求，并在传统产品基础上有显著降低。
如何简单有效的实现串联双断口的结构，关系到开关设计、制造的复杂性与工作的可靠性。如下图7所示：该新型有载调容开关采用六个静触头、四组动触头和一个过渡电阻单层布置；所述六个静触头单层排列依次为绕组首端、过渡抽头、中性点及绕组末端，绕组末端分裂为三个静触头(X1、X2、X3)并联接为等电位；所述四个动触头联动，其中第一动触头与第二动触头相邻，第三动触头与第四动触头相邻，第一动触头与第三动触头之间串联所述过渡电阻作为辅助动触头，第二动触头与第四动触头通过导体连接作为主动触头，辅助动触头及主动触头在滑离静触头时分别形成双断口结构。
由上图可见，该结构动触头为四组，静触头为六组，且为单层布置，对装配制造精度要求低，零部件数量少，工作安全可靠。
3.3加大爬距的绝缘结构
经过大量的研究测试发现，有载调容开关在工作2000次左右以后，开关内变压器油就会明显劣化并形成较多游离碳。随着工作次数的不断增加，开关内部变压器油的耐压值会逐渐下降，但逐渐趋于稳定值，而不会无限降低。因此，我们为尽可能延长开关的运行寿命，降低运行过程的维护成本，对开关内部绝缘间隙与爬电距离进行科学设计，以满足变压器油严重劣化情况下绝缘的可靠性。为此，我们设计采用了一种加大爬距的绝缘结构（如下图8），能够大大增加相邻静触头间的绝缘距离，该结构改变了传统产品结构通过绝缘筒内壁开槽固定静触头的方式，有效防止了槽内积碳可能造成的绝缘击穿事故。
由上图可见，高压静触头通过加大爬距的绝缘件固定于绝缘筒的内壁，该绝缘件由于设置了包围静触头的加强筋，大大增加了静触头之间的爬电距离。该静触头的绝缘与固定结构，使得高压静触头安装简单牢固、绝缘可靠。即使开关内变压器油含有很多游离碳，也能确保开关工作时绝缘不会发生击穿。
4.新型有载调容变压器的优势总结
新型有载调容变压器由于采用了一种新型的有载调容开关，产品具有以下优势：
（1）由于恢复电压明显降低，有利于切换过程中的触头的熄弧，提高了开关工作的可靠性。
（2）开关触头零部件数量减少，高压触头变为单层布置，结构更简单，对零部件制造与装配的精度要求降低，有利于提高开关的制造质量、控制开关的制造成本。
（3）在不增加开关体积的前提下，大大增加开关内部的绝缘距离，使开关在动作次数不是很多的情况下，免维护成为可能。即使开关按规定的设计次数动作，在全寿命周期中只需进行一次性维护，大大降低了运维成本，也提高了产品工作的可靠性。
该新型有载调容变压器已于2013年进入批量生产阶段，产品在多个省市投入运行，经过两年多的运行验证，产品运行稳定可靠，为用户配电网的节能降耗带来了明显效益。
参考文献：
[1]张德明.变压器有载分接开关
原标题：一种新型有载调容变压器
