有载调容变压器在运行中的优化设计研究

徐东伟+田程涛+魏剑啸+张虹

摘 要：本文介绍了一种新型有载调容组合式变压器的优化设计，其具有节能效果明显、智能化程度高、结构紧凑、安装维护方便等特点，笔者从变压器的整体机构到铁心、绕组、开关等各方面进行优化设计的说明。并通过试验论证，此种有载调容变压器的节能效果明显、运行中本体和开关故障低，特别适用于10KV以下配电网。

关键词：有载调容变压器；优化设计；节能

中图分类号：TM41 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0137-03

变压器作为电力系统中利用率最高的电气设备，它的损耗也直接影响着整个电力系统的能量损耗，因此，采用节能型有载调容变压器已成为现在电力系统的发展趋势，我国现行配电变压器，包括箱式变电站其变压器的额定容量大都固定不变且按用户最大负荷来配制。这就造成网络无功分量过大，变压器空载损耗相对输电容量比例过大，使大量电能浪费在网络无功电流损耗及变压器空载损耗中。目前市场上出现的少量有载调容变压器，可以部分的解决上述问题，但其功能单一。难以满足我国变配电领域向节能、智能化、高效率、稳定供电质量的发展的要求。

1 有载调容变压器设计原理

笔者所提及的此种变压器在设计时具备大小两个额定容量。高压绕组在大容量时为三角形连接，低压绕组为段2与段3并联（段2和段3匝数相同）然后和段1串联（段1导线截面积约为段2（或3）的2倍），此时低压绕组的匝数为段1的匝数与段2（或3）。在小容量时，高压绕组改为星形连接，匝电压为原来的1/，低压线圈则改成段1、段2、段3串联，合理选择匝数，其匝电压也要改为原来的1/，以保证输出电压不变。有载调容调压变压器绕组连接原理图见图1。

显然，由于匝电压大幅降低，铁芯中磁通密度亦大幅降低，使变压器在小容量状态下其空载损耗大大降低，实现了节能之目的。它特别适用于季节性用电不均和时段性负荷差异大的农村电网。

2 有载调容变压器的优化设计

在变压器的整体结设计上，笔者采用了一种智能控制柜和有载调容变压器底部公用底座槽钢，上部通过固定架和变压器油箱相连的结构，实现了一体化结构。具有结构紧凑、安装方便的特点。且油箱采用波纹式油箱，波纹片选用先进的焊接工艺，具有承受压力强、弹性形变优、散热系数高等优点。有载调容变压器整体结构外形图见图2。

铁心的材料和结构直接影响了变压器的损耗，因此在铁心的选材和结构设计上，我们铁心采用高导磁、冷轧晶粒取向优质硅钢片，并采用连续卷制方式形成阶梯圆形铁心，这种铁心比传统的叠铁心的铁心四角减少大、小各4个尖角，故铁重减小。又因卷铁心几乎没有接缝，连续卷绕又充分利用硅钢片的取向性，且成自然紧固状态，无需夹件紧固，避免夹紧引起的损耗增大。同时也降低了噪声。

有载调容变压器在运行中，其绕组的结构设计和材料选用以及绝缘处理是否与变压器油相容，直接决定了变压器的使用寿命。在结构上，绕组采用独特的圆筒式结构及绝缘，利用环形附加绝缘，以满足绕组在串、并联状态下的绝缘性能要求。高、低压绕组的所有抽头均与有载调容开关紧固在一起，低压绕组的出头、升层及换位处均加强绝缘。在选材上，高压绕组采用QQ-2缩醛漆包铜线，以提高与变压器油的相容性，高压引线从器身上部通过导线夹夹持后引到有载调压开关中，低压引线通过侧面用铜排焊接后引到开关上，这样可减少引线长度，降低负载损耗。

由于低压出头数较多，引线焊接点也较多，因此传统的纸板粘垫块这样的结构就不能满足机械强度的需要，笔者采用一种环氧板整体结构的新型铁轭绝缘，效果很好。

3 有载调容开关优化设计

在运行过程中，开关的使用寿命直接影响变压器的使用质量，开关在有载调容时，极间电压过高、切换过程断电问题已成为行业难题。为了保证变压器的有效不间断运行，我们在开关的优化设计方面进行了研究。

优化设计的整体思路为在有载调容开关的基础上。通过设计新的串联多断口形式和快速机构布置模式，将调容与调压触头组集成，产生一种新型机构的有载调容开关，并避免了机械干涉，降低了成本、体积，外形与原调容开关基本相同，新设计的配电变压器也降低了综合造价。

3.1 新的调容多断口设计

新的多断口技术完成了对高电压的切换，可是相应的问题确是多个触头的串联排布占用了太多空间，已经没有放置调压触头的位置了，如图3（a）所示。因此我们对串联多断口进行了改良，如图3（b）所示。将过度电阻一分为二，根据电阻所连断口数量分配组织比例，这样，过渡支路电压会被电阻强制分配，所以不再需要个别静触头了，从而有足够的空间布置调压分接触头。因此实现了7个分接神的有载调容调压分接开关的触头排布。

3.2 调压与调容两套机构的设置问题

在传统的V型有载分接开关中，有两套（动触头）转换机构，但是这种设计并不适用于有载调容调压分接开关，原因是调容与调压需要彼此独立运行，互不制约。还有就是作为面向配电变压器使用的产品，不可能允许复杂的机构和庞大的体积，这些问题都为设计带来了难度。

解决这个问题的思路是，原有的调容机构不动，在其支架的下面，设置一套调压快速机构，电机的动力由支架上面引入，以支架为平面，上、下两侧分别形成共轴的两套快速机构。

而且有载调容开关为立式圆筒式结构，开关动、静触头结构设计合理，紧固在绝缘筒上，切换过程中无卡死现象，接触电阻小

3.3 在线滤油补油装置

农村用电24小时负荷变化较大，“餐峰”、“灯峰”时段的负荷几乎是低谷时负荷的2-6倍，为提高电压质量，变压器在调容同时还频繁调整变压器有载调压的档位，每次调压都会因弧光产生游离碳等有害物质，这些杂质的形成降低了变压器油绝缘介质的绝缘强度，同时使有载调压装置的绝缘油减少，因此，开关的自动滤油装置就可以自动对有载开关本体内的变压器油进行过滤，确保开关内的变压器油洁净，使開关的维护时间大为减少，接近于零维护。开关具有独立油室，不会污染变压器本体的油。

4 试验论证

有载调容变压器的试验主要集中在变压器本身的产品性能和节能成效以及开关的动作时间上，基于变压器本体和开关的优化设计，有载调容变压器在这几方面都有明显改善。

有载调容调压开关作为有载调容调压变压器的重要组成部分，根据用户所带负荷大小自动检测判断，在变压器不停电状态的下，对变压器容量进行自动切换，实现运行过程中变压器容量大小的自动转换。因此笔者选取有载调容调压开关动作时间进行了针对性测试。

（1）变压器低压侧空载，高压侧施加额定电压10kV，测试接线示意图如4。

（2）变压器低压侧短路，在高压侧施加400V，低压侧高容电流715A，低容电流230A，测试接线示意图如5。

测试项目：有载调容调压开关动作时间。

测试要求：有载调容开关的切换过程应在20ms～40ms内完成，且保持低压侧供电连续性（Q/GDW731-2012）。

（1）变压器低压侧空载，高压侧施加额定电压10kV，开关动作时间如表1：（单位：ms）。

测试数据：

测试波形图如6。

（2）变压器低压侧短路，在高压侧施加400V，低压侧高容电流715A，低容电流230A，开关动作时间升容：31.2ms；降容：31.8ms，波形图如7。

5 结语

通过优化设计，此种有载调容变压器的本体和开关组合结合更为紧密，使其在运行中本体和开关故障率大为降低，维护更为方便，并通过试验论证，此种有载调容变压器的节能效果明显，特别适用于10KV以下配电网。其智能化无功补偿装置很好满足了智能电网的要求，可以很好改善农村用电网季节性负荷和时段性负荷的峰谷式变化对变压器使用寿命的影响和运行安全性要求。真正实现了节能的目的，降低了电网系统损耗。

参考文献

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