调容变压器的工作原理与设计要点

马振邦

（北京博瑞莱智能科技集团有限公司，北京 100095）

0 引 言

目前，全国变压器总损耗约占系统发电量的4%[1]，其中配电变压器损耗占比约为总损耗的70%[2]。因此，降低变压器的损耗特别是配电变压器的损耗意义重大。作为配电变压器之一的调容变压器（以下简称调容变），具有大小两个容量，可根据负载大小自动调节容量。当调容变压器处于小容量时，变压器的空载损耗将极大降低。

1 节能原理

变压器的总损耗包括负载损耗和空载损耗。降低变压器的负载损耗，意味着要降低变压器绕组电磁线的电阻，即在绕组匝数和形状大致不变的情况下增加电磁线的导电面积，会极大地增加变压器的成本。以容量为400 kVA的10 kV电压等级的S11或S13型变压器为例，若要降低变压器负载损耗的5%，需要增加1 500～2 000元的成本。

空载损耗是磁通在铁芯上产生的磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗和涡流损耗与磁通密度的二次方成正比，因此降低空载损耗就要降低磁通密度。

其中，BM为磁通密度最大值，et为匝电压，f为频率，s为铁芯净面积。可见，改变匝电压就可以改变流过铁芯的磁通密度，从而降低空载损耗。

调容变就是采用调容开关调整变压器高、低压侧绕组抽头的接线方式。降低变压器正常工作时的匝电压而降低磁通密度，可起到节能的效果。以S11-400（125）/10型调容变[3]为例，容量为400 kVA时，空载损耗为570 W[4]；变换为125 kVA时，损耗仅约为190 W，已低于非晶合金变压器[5]。

2 工作原理

2.1 Y-D转换有载调容调压变压器

图1为结合有载调压技术的Y-D转换型有载调容调压原理图。图1（a）为变压器的小容量状态，此时变压器高压绕组处于Y接状态，单个绕组承受的输入电压为相电压，低压侧绕组分为三段串联。图1（b）为变压器的大容量状态，高压绕组处于D接状态，单个绕组承受的输入电压为线电压，低压侧绕组三段中两段并联再和第三段串联。小容量时，绕组承受的相电压是大容量时的线电压的1/。因为绕组变换前后匝数不变，所以小容量时匝电压也是大容量时匝电压的1/，铁芯磁通的磁通密度也为小容量时是大容量时的1/。根据铁芯特性，变压器空载损耗将约降低为大容量时的1/3。

无论变压器大、小容量，变压器的低压输出电压应保持不变。为了并联的绕组间无环流，用于串并联的两段绕组匝数必须相等。因此，低压侧绕组应满足以下关系：(K2+2K1):(K2+K1)=:1，其中K2为非串并联段绕组匝数，K1为串并联段两绕组的匝数，约分后可得K2:K1=0.27:0.73。

调容变变换为小容量后，高压绕组由D接变为Y接，在负载不变的情况下，高压Y接的工作电流是D接时的3倍，但将小容量定义为大容量的1/3，小容量的额定工作电流也变为大容量时的1/3，因此高压绕组实际流过电流为大容量额定电流的1/。负载损耗是电流平方乘以阻值，因此小容量高压绕组负载损耗是大容量负载损耗的1/3。低压侧绕组大容量时，匝数K2的绕组流过额定电流，匝数K1的并联绕组，各绕组分别流过额定电流的1/2。因此，可设置匝数K1的并联绕组，各绕组导电面积为匝数K2的绕组1/2。由于以上计算的K2和K1匝数比，可计算得小容量电阻是大容量时的3.19倍，小容量时低压负载损耗为大容量的0.354。另外，考虑到引线的影响和涡流杂散损耗的影响，小容量负载损耗约为大容量的1/3。

图1 Y-D转换有载调容调压变压器原理图

变压器的短路阻抗由电抗部分和电阻部分组成。

电抗计算公式为：

其中，Xk%为短路阻抗电抗部分，f为频率，I1N1为一次侧安匝，ΣDr为绕组漏磁面积；ρ为罗氏系数，K为电抗系数；et为匝电压；hk为电抗高度。式中一次安匝I1N1，由以上内容可知小容量为大容量的基本不变，因此小容量同大容量电抗率基本相等。

电阻部分计算公式为：

其中，RK%为短路阻抗电阻部分，PK为负载损耗，Sn为变压器容量。当小容量定义为大容量的1/3左右时，由上分析小容量负载损耗约为大容量的1/3，因此小容量同大容量电阻率基本相等。基于以上原因，调容变在调为小容量后，短路阻抗值也同大容量相当。

另外，变压器空载电流在铁芯接缝外同磁通密度平方基本成正比，在铁芯接缝处比磁通密度平方关系更大，根据常规调容变检验数据，小容量空载电流约变为大容量时的1/5以下。

综上所述，将调容变的小容量定义为大容量的1/3，空载损耗及负载损耗均降低为大容量时的1/3，空载电流1/5以下，短路阻抗基本不变。

图1中，调容开关在大、小容量及转换过程中及调压开关在不同档位间转换的过程中，均经历过渡电阻R同开关接点并联后，主接点才从原状态转换为另一状态的情况。开关转换过程中，均由过渡电阻保证供电连续性。另外，过渡电阻限制并联回路的环流。

2.2 串-并联转换有载调容调压变压器

图2为串-并联转换有载调容调压变压器原理图。高压绕组和低压绕组均由两段绕组组成，小容量时如图2（a）所示；高、低压的两段绕组均串联，大容量时，图2（b）两段绕组均并联。这样可以达到的效果为，变压器小容量的空载损耗和负载损耗将变为大容量的1/4时，短路阻抗不变，空载电流变为大容量的1/8左右，原因分析如2.1，不再赘述。以S11-400（100）/10型调容变为例，变压器在小容量状态完全满足100 kVA变压器的参数要求。同样，采用对应有载调容调压开关可以达到保证供电连续性的目的。

图2 串-并联转换有载调容调压变压器原理图

2.3 两种调容变的优缺点比较

Y-D转换的调容变小容量是大容量的1/3，串-并联转换的调容变小容量是大容量的1/4，因此Y-D转换的调容变调到小容量节能的几率大于串-并联转换的调容变。但是，串-并联转换的调容变调到小容量时更节能。

Y-D转换的调容变小容量是Yyn0的接法。这种接法的变压器零序阻抗偏大，通常可达到50%～60%。因此，一旦低压负荷三相不平衡会导致三相电压严重偏差。一般规定，这种接法的变压器单相不平衡负荷引起的中性线电流不得超过低压绕组额定电流的25%。串-并联转换的调容变在调容前后可保持Dyn11接法不变。这种接法的变压器零序阻抗低，因此即使三相不平衡也可长期运行。另外，因为零序阻抗的不同，Dyn11结线的变压器配电系统的单相短路电流为Yyn0结线时的3倍以上，有利于单相接地短路故障判断切除。单从联结组别讲，串-并联调容变更具优势。

Y-D转换的调容变同串并联转换的调容变所用调容调压开关相比，Y-D型调容开关所用触头更少，且对应的调压开关也更简单。两种调容变对应的变压器器身，Y-D型因高压绕组同普通变压器一样，而串并联型需分段绕制，因此Y-D型高压绕组更简单。低压绕组因串并联型仅分两段，因此更简单。

2.4 小容量时过载能力分析

Y-D转换的调容变，由上分析可知小容量时实际流过高压绕组的额定电流仅为大容量时设计值的/3，因此过载至倍才达到设计电流。而流过低压绕组的额定电流仅为大容量时设计值的2/3，过载至1.5倍才达到设计电流。串并联型调容变，流过高、低压绕组的电流为大容量的1/2，过载至2倍才达到设计电流。同时，因为绕组的散热面积、油箱的散热面积均是按大容量设计的，所以小容量时实际可过载能力更大。因此，调容变在小容量时临时的过负荷并不会影响变压器的安全运行，调容开关不需要频繁转换。

3 临界转换点

调容变尽管在小容量下空载损耗变小，但绕组阻值实际变大。因此，同样负载下，变压器的实际负载损耗变大。以S11-400（125）/10型调容变为例，并非当负荷小于125 kVA变压器就应运行在小容量，而是存在一个临界转换点，在这个转换点上仍应运行在大容量。

转换处，有：

解得：

其中：

KP、KQ分别为有功经济当量和无功经济当量，指的是变压器损耗有功和无功的每增加或减少1个单位，受电网所产生有功损耗的增加或减少量。对于配电变压器取KP=0.2、KQ=0.1，其他符号定义以Y-D转换S11-400（125）/10型调容变为例见表1。

表1中，小容量时空载损耗和负载损耗值是大容量按国标设计生产，根据调容变特性推导并在实际生产中验证得出的。如果小容量空载损耗和负载损耗值按同型号非调容变值计算，临界负载为72.61 kVA。若不考虑有功和无功当量，此值仅为61.6 kVA。

串并联转换S11-400（100）/10型调容变，如表2所示。

表1 S11-400（125）/10型调容变的综合临界负载

表2 S11-400（100）/10型调容变的综合临界负载

大容量同为400 kVA的Y-D转换型和串并联转换型调容变，临界转换点按上推导为48.13 kVA，即当负载小于此值时，串并联转换型调容变更节能。

合理设置调容转换点，才能达到降损节能的目的。为了避免调容开关频繁动作，调容点需设置回差。例如，对于Y-D转换S11-400（125）/10型调容变来说，大容量调到小容量点设置为60 kVA，而小容量调容到大容量点设置为90 kVA。

4 设计要点

4.1 联结组别

Y-D转换型大容量时联结组别应设计为Dyn11，小容量时为Yyn0。串并联型大、小容量可设置为Dyn11。当然，上述Dyn11也可设计为Dyn1，但不是常见联结组别。

4.2 匝数调整

Y-D转换型调容变的低压绕组应分为三段，其中两段用于串并联段的绕组匝数均为大容量总匝数的73%，第三段匝数为大容量总匝数的27%。此处应注意，因变压器的低压匝较少，按此比例分大部分为小数。四舍五入后，大容量变比设计为0%，小容量下变比误差许多无法满足国标要求：小于0.5%或实际短路阻抗的1/10。因此，根据设计经验需要调整高压匝数。例如，可以使大容量误差为正偏差而小容量为负偏差，以有效增加变比误差裕度。此外，匝数仍需选择：10～30匝间仅 11、15、18、19、22、23、25、26、27、29、30 可选择，30匝以上32、39、43需规避。串并联转换型调容变不存在这个问题，变压器的低压可以为任意匝数。

4.3 绕组抽头与引线结构

调容变绕组抽头的方式主要是低压抽头方式，这同所选用调容开关的接头位置关系密切。如果选用调容开关安装在变压器器身侧面，变压器抽头一般选在线圈的上端及下端两处。Y-D转换型变压器低压绕组分为三层，串并联转换型调容变分为两层。每段一层，绕组绕向可根据调容开关转换要求设置。这样设置的优点是段间绝缘靠层绝缘保障，工艺好控制，缺点是串、并联段间存在漏磁感应电压不同而引起环流问题，且内部段电阻小，外部段电阻大，两支路电阻不平衡。另外，调容开关在侧面低压引线过长，引线成本较高，存在三相电阻不平衡的问题[6]。

当调容开关安装在变压器器身顶部时，三相绕组的出线均同开关的三相引线对应，引向调容开关的绕组抽头全部选在线圈的上端，这样引线成本大幅降低，引线损耗降低。另外，开关安装位置同原无励磁调压开关和高低压瓷瓶出线位置重叠，可以有效利用空间，变压器油箱较小，用油成本较少。如果调容开关的接线位置分布在顶部的高压侧和低压侧，绕组出头还可以调整为在线圈顶部，高压出线侧和低压出线侧均出头。绕组绕制时，两段串并联绕组可采用平行并绕或叠绕进行换位。两段绕组同时占用两层，第三段占用一层，可有效使两串并联支路的电阻平衡，并且避免漏磁感应电压不同而引起环流问题。但应注意导线间绝缘的问题，特别是容易相对移动的引线抽头处和换位S弯部位，一旦破损，小容量时出现匝间短路的几率远大于普通变压器。在这些危险部位用厚度为0.5 mm绝缘防护，另包热缩带加强，可以有效预防。

还需指出，Y-D型调容变的串并联段分布在线圈的最内部还是靠近高、低压间主空道，会影响调容变小容量时的短路阻抗。

在计算变压器短路阻抗时，需计算变压器的漏磁面积。变压器低压侧匝数分布均匀时，漏磁面积如图3（a）所示。串并联段在线圈最内侧时，漏磁面积如图3（b）所示；串并联段靠近主空道时，漏磁面积如图3（c）所示。显然，串并联段在线圈最内侧时，因大容量时73%匝数变为小容量时匝数会变为2倍，因此线圈从内向外沿径向单位尺寸分布匝数明显为内多外少。因此，漏磁面积会增大，而靠近主空道时会减小。这对调容变小容量时的阻抗影响具有重要意义。调容变技术要求大、小容量下短路阻抗一致，偏差允许±10%，但调容变的小容量并非完全是大容量的1/3，如S11-400（125）/10调容变。根据前面短路阻抗分析，理论上当小容量为133.3 kVA时，其短路阻抗才接近同大容量400 kVA阻抗一致。125 kVA的额定阻抗比133.3 kVA的更大，因此忽略了漏磁面积变化影响小容量短路阻抗比值。将串并联段分布在靠近主空道时，漏磁面积变小。由短路阻抗计算公式可知，短路阻抗也将变小，从而会加大小容量下短路阻抗的差别。减小实际生产时短路阻抗合格裕度，而将串并联段分布在最内侧，可以减小小容量时的短路阻抗，从而增加生产时的合格裕度。串并转换型调容变，调容前后匝数分布均匀，小容量完全为大容量1/4，因此不存在这一问题。

4.4 调容开关的选择

调容开关选择安装在变压器器身顶部。引线距离最短的调容开关，除了方便三相电阻平衡，减小引线损耗，还可有效节省成本。不同容量的变压器可节约成本1 000～2 000元。另外,因调容开关在调容过程中产生的电弧会使变压器油氧化变质，因此要求调容开关油室同变压器器身油室独立。最好采用真空灭弧的调容开关，但因调容开关触点均采用真空灭弧成本较高，性价比不高，因此根据使用场所，建议主要切换部分至少采用真空灭弧的开关。同时，建议开关采用目前公认的高可靠永磁操作机构，以减少返修几率。综上所述，调容开关应选择引线成本最低、免维护或少维护的调容开关。

5 结 论

调容变因依靠其小容量时空载损耗的显著降低，常用在季节性负载变化幅度较大的农村电网或昼夜负载变化幅度较大的城市商业区、开发区、工业区环境。近年来，调容变已大量应用在北京及河北地区的煤改电工程。本文结合Y-D转换型调容变和串并联转换型变压器，详细分析了调容变的工作原理和设计注意事项，以期提供借鉴。