配电变压器有载调压技术

王金丽1，马钊1，潘旭1，王利2

(1. 中国电力科学研究院，北京　100192；2. 配电变压器节能技术北京市重点试验室，北京　100192)

摘　要：配电变压器有载调压是实现配电网电压控制的手段之一，有载调压开关是配电变压器实现调压的关键部件，其技术性能的优劣直接影响有载调压配电变压器的安全可靠运行。介绍了配电变压器有载调压开关技术的实现方法，将其分为机械式、电力电子式、复合式三大类，分析了不同有载调压方式的技术实现原理与优缺点，明确了配电变压器有载调压技术的发展方向，以及需要深入研究与关注的重点。关键词：配电网；分布式电源；电压控制；配电变压器；有载调压

中图分类号：TM761 文献标志码：A DOI ：10.11930/j.issn.1004-99.201707204

0 引言

电压质量是考核电力企业供电服务水平的重要指标之一。中国农村电网线路供电半径大，分支线多，用电负荷点多面广，且小而分散，季节性负荷特征显著，用电时段过于集中，年均负载率偏低，峰谷差较大。低谷负荷期配电变压器处于轻载运行状态，对用户的供电电压偏高；高峰负荷期配电变压器处于重载或超载运行状态，对用户的供电电压偏低（简称为“低电压”）。供电电压偏高将使供用电设备绝缘老化加速、损耗增加，甚至危及电网和设备的安全。供电电压偏低，即“低电压”问题将造成供用电设备效率降低，危及电网安全经济运行，导致部分家用电器无法正常使用，严重影响居民的生产生活。

随着智能电网建设深入推进，清洁能源利用比例逐年增加，分布式电源接入、电动汽车充电桩批量建设导致配电网电压波动问题更加突出[1]。目前针对高、中压配电网的电压控制技术，如有载调压主变压器、线路调压器、变电站自动无功补偿、线路自动无功补偿等方面，已有文献研究并提出了免维护或无弧、无冲击切换的有载调压方案，但是没有系统性地分析其优缺点，低压配电网的有载调压技术却较少涉及。因此本文将重点阐述国内外配电变压器有载调压技术。

1 配电变压器调压技术研究现状

低压配电网中占据主流的配电变压器无载调压方式已无法满足配电台区层级的调压需求。有载调压型配电变压器可在负载条件下改变高低压侧变比，把电压波动限定在合格范围内，保障供电的连续性，改善供电质量，并可大幅度降低电能损耗，国内外早已开始研究与探讨中低压配电变压器的有载调压技术与应用[1-17]。文献[3]按照变压器调压分接头的组成，将有载调压变压器分为机械式改进型、辅助线圈型和电力电子开关型三类，并对典型调压技术的动作原理和发展过程进行了分析和比较。文献[4]研究了一种基于GPS 的配电变压器带在线滤油功能的有载调压系统，介绍了系统的组成及特点，以提高配电变压器有载调压装置的免维护性能，提高电压合格率和供电可靠性。文献[5]提出了一种电力电子式有载调压方案，主要思路是取消传统的机械和电动操作机构，采用二进制编码调节的方法实现配电变压器无燃弧式的有载调压。

有载调压技术的应用促进了节能型配电变压器技术性能的升级换代，有助于配电台区的经济高效运行和配电自动化功能的延伸与拓展。配电变压器有载调压与并联电容器投切相结合已成为中国目前实现配电网电压无功综合自动控制、限定电压波动在合格范围内的重要手段，对保障用户优质电力服务和提升配电网安全、可靠、经济运行水平具有重要的现实意义。

收稿日期：2017-07-26； 修回日期：2018-01-10。

基金项目：国家电网公司科技项目(PDB17201600015)。

第 51 卷 第 5 期中国电力

Vol. 51, No. 52018 年 5 月

ELECTRIC POWER

May 2018

75

2 配电变压器新型调压技术与实现

配电变压器有载调压技术对稳定电压、提高电压合格率意义重大，是智能配电台区实现电压无功综合协制的基础条件。配电变压器新型有载调压技术大体可分为机械式、电力电子式、复合式三大类。机械式又可分为改进型、带在线滤油装置型和真空灭弧型3种。2.1 机械式有载调压技术

（1）机械式改进型。机械式改进型有载调压开关是在传统机械式有载分接开关的基础上，附加一电子开关电路，其分接开关由1个过渡电阻

和少量晶闸管组成，分接头切换过程的电弧是通过电子开关电路和机械开关的配合实现，分接开关原理和电子开关电路情况具体如图1所示[3]。机械式改进型有载调压开关的技术优势是无需配置时间控制回路，通过操作机械开关实现对晶闸管的触发；缺点是结构复杂，操作速度慢。

（2）带在线滤油装置型。带在线滤油装置型有载调压开关是在传统有载调压开关基础上附加1台在线滤油装置。在线滤油装置由控制系统、动力系统、滤芯、压力表、操作面板等组成，其中动力系统由电动机、油泵构成，滤芯分为除水滤芯和除杂滤芯，用来净化变压器油，压力表用来监视滤罐内的压力，滤芯更换提示。有载调压装置在线滤油装置工作原理如图2所示[2]。

控制系统依据有载调压开关动作次数记录，控制启动电动机带动油泵工作，利用压力将分接开关中的变压器油通过连管吸入到滤罐进行过滤，再将过滤后的油注入到有载分接开关油室中。该有载调压技术的优点是能够实现在线自动

滤油，降低分接切换电弧的影响，减少了维护成本，适用于传统配电变压器的有载调压改造；缺点是额外增加一套在线滤油装置，增加了投资成本和装置本身的维护工作量（如更换滤芯等）。

（3）真空灭弧型。机械式真空灭弧型有载调压开关不同于传统的绝缘油灭弧，分接头切换在真空管中完成，不存在切换电弧造成油劣化和污

染问题。机械式真空灭弧型有载调压开关功能实现的关键是真空切换开关的选择与过渡电路的设计，性能水平主要取决于真空触点的切换参数，包括额定电流、额定电压与额定容量。机械式真空有载调压开关切换电路具体如图3所示[16]，R 为过渡电阻，V1、V2为真空管。

机械式真空灭弧型有载调压开关结构形式简单，动作可靠。但真空管如发生真空泄漏，则可能发生电弧不熄灭或在过电压作用下发生真空电击穿情况，导致级间短路事故。如果增加安全防护后备措施，则需要增加过渡电阻和真空管的数量，成本提高[18-20]。

2.2 电力电子式有载调压技术

近年来，电力电子技术得到快速发展，晶闸

㓯

䖜 E F

A B C D

A 1

234B

6

D2D1

D1

D2

5

图 1 机械式改进型分接开关原理及其电子开关电路

Fig. 1 Principle diagram and electron switch circuit of

improved mechanical tap changer

Fig. 2 Working principle of online oil filtering device for

on-load tap changer

图 3 机械式真空有载调压开关切换原理

Fig. 3 Switching principle of mechanical vacuum on-load tap changer

中国电力第 51 卷

76

[1]

电力电子式有载调压开关装置通过测量模块得到变压器二次侧电压和电流，由微处理器完成功角计算、故障识别和形成控制指令，适时切换晶闸管开断，完成电压调节功能。微处理器可根据系统电压的实际情况进行故障识别，选择性晶闸管动作或将其闭锁。电力电子式有载调压开关主要优点是分接头切换时无电弧无冲击，无机械和电动部件，故障率低，维护工作量小。缺点是对晶闸管自身性能水平及计算、判断和控制的精确性要求极高，易受雷电冲击的影响；晶闸管功率消耗高于机械式开关，需要采取措施散热和降低自身损耗。

2.3 复合式有载调压技术

复合式有载调压开关是综合利用机械开关损耗小和电力电子开关切换无弧无冲击的技术优势，形成的一种机械和电力电子混合式调压技术。文献[10]介绍了一种可控硅辅助换流式有载调压开关，可控硅辅助换流式无弧调压开关原理具体如图5所示。

可控硅辅助换流式有载调压开关技术为防止电弧产生，采用可控硅取代了传统有载调压开关的过渡电阻，总体结构未有大的变化。可控硅辅助换流式有载调压开关设计有2组可控硅，对这2组可控硅在电流过零点时关断的同步性要求很高，不允许出现任一可控硅管提前导通情况，否则就会导致变压器的部分线圈短路，同样如其中一个可控硅管出现延时导通的情况，则会造成负载电流中断，因此所产生的高恢复电压将会损坏可控硅。

文献[12]介绍了一种组合式分接开关，主要由TADS型切换开关和选择器组成，切换开关的触头系统由晶闸管和机械触头组成，晶闸管作为切换开关的开关元件承担电弧触头功能，负责开断切换过程中的电流。TADS型切换开关原理如图6所示，其中S T为变压器高压绕组线圈，CR1为过渡电阻回路选择器，R为过渡电阻，CT1为晶闸管回路选择器，TH为晶闸管，SR为固态继电器，M1与M2为机械触点。

组合式分接开关的每一相切换开关采用一个晶闸管，机械触点M1与M2为主通触头，在非切换状态下电流流通M1或M2。在开关切换的整个过程中，由于机械触头都是在不带电流情况下分开，因此不会造成触头烧损和油污染问题，相对传统的机械式有载分接开关，寿命期内无需更换触头，维护检修的工作量将大大减少。该组合式分接开关是一种典型的机械电子混合式结构，由

Fig. 4 Technique principle of power electronic on-load

tap changer

L

L

N

N

儈 㓯

儈 㓯

վ 㓯 վ 㓯

⹵

⹵

䲀⍱⭥䱫䲀⍱⭥䱫

图 5 可控硅辅助换流式无弧调压开关原理Fig. 5 Switching principle of arcless tap changer with current changing assisted by thyristor

ST

12

M1

R

SR

M2

2

1

CT1

TH

CR 1

图 6 TADS切换开关原理

Fig. 6 Principle diagram of TADS diverter switch

第 5 期王金丽等：配电变压器有载调压技术

77

机械触头与晶闸管结合而成，可实现无电弧切换，但该类型组合式开关的操作与控制较为复杂。

文献[17]介绍了一种电力电子开关双向晶闸管与大功率固态继电器相结合的复合式有载调压技术，主要以大功率固态继电器组代替传统的分接选择器。该复合式有载调压开关无弧切换原理如图7所示。

图7中的X1和X2为有载调压型配电变压器的高压绕组的2个抽头；SCR1和SCR2为无触点电力电子开关

双向晶闸管，SSR1和SSR2R 为固态继电器，R 是起限流作用的过渡电阻。假定最初有载调压型配电变压器运行在绕组分接头X2位置，双向晶闸管SCR2则处于全导通状态，电流通路为X2-SCR2，SSR1、SSR2、SCR1均处于断开状态。当需要将分接头由X2调整到X1时，调整过程具体包括：先触发导通固态继电器SSR1，然后关断SCR2，电流通路变为X1-SSR1-R ，再触发导通SCR1，电流通路变为X1-SCR1，这样就完成了一次分接的转换。与传统机械式有载调压开关相比，不存在任何的运动部件和电动操作机构，真正消除了原有的故障隐患，完全由软件控制实现分接的选择和快速切换。该方案还处于研究与完善阶段。

3 结语

本文分析了国内外配电变压器有载调压技术研究现状，对已有配电变压器调压技术进行了归纳和总结。现有的机械式有载调压技术包含机械改进型、带在线滤油装置型、真空灭弧型3类，机械改进型结构较为复杂，控制速度慢；带在线

滤油装置型需要额外一套滤油装置，不定期更换滤芯，成本和维护工作量增加；真空灭弧型实现了免维护，但切换时有冲击，价格高；电力电子式和复合式有载调压技术具有无弧、无冲击切换优势，目前还处于研究与探索阶段，主要受限于电力电子开关技术性能水平，调压装置体积偏大，其实用性还需要进一步实践验证。

分布式电源接入低压配电网比例增长快速，

光伏发电、风力发电等分布式电源具有突出的随机性、波动性和间歇性特点，与实际低压配电网日负荷曲线难以吻合。随着分布式电源大量接入、电动汽车和储能等多元化负荷的增加，将对

配电网电压控制与管理带来更加严峻的挑战。免维护、无冲击、性价比高的配电变压器有载调压技术及其产品研制将成为该技术领域的发展方向

和需要深入研究与关注的重点，以支撑智能配电网建设及其电压无功综合控制功能的实现，满足现代配电网经济运行和供电电压质量新需求。

参考文献：

BANGASH K N, FARRAG M E A, OSMAN A H. Smart control of on load tap changer deployed in low voltage distribution network[C]//International Conference on Electric Power and Energy Conversion Systems, IEEE, 2016: 1-6.

[1]

ZECCHINO A, MARINELLI M, HU J, et al . Voltage control for unbalanced low voltage grids using a decoupled-phase on-load tap-changer

transformer

and

photovoltaic

inverters[C]//Power

Engineering Conference, IEEE, 2015: 1-6.

[2]陈敬佳, 李晓明. 电力变压器有载调压技术的新进展[J]. 华北电力技术, 2001(10): 52–54.

CHEN Jingjia, LI Xiaoming. Recent development of OLTC of transformer[J]. North China Elctric Power, 2001(10): 52–54.

[3]周仁才, 钱素静, 姜春莹. 配变带在线滤油功能的有载调压系统的应用[J]. 浙江电力, 2013(5): 72–74.

ZHOU Rencai, QIAN Sujing, JIANG Chunying. Application of on-load voltage regulation system with online oil filtering function for distribution transformer[J]. Zhejiang Electric Power, 2013(5): 72–74.[4]肖遥, 陈球武, 慕娇娇, 等. 变压器无弧有载调压的研究[J]. 电气开关, 2014(5): 52–54.

XIAO Yao, CHEN Qiuwu, MU Jiaojiao, et al . Research on non-arcing on-load voltage regulation of transformers[J]. Electric Switch,

[5]

X1

X2

儈 㔅㓴

R

SCR2

SCR1

SSR1SSR1

图 7 复合式有载调压开关无弧切换原理

Fig. 7 Principle of arcless switching for compound on-load tap changer

中国电力第 51 卷

78

2014(5): 52–54.ABE K, MATSUURA Y, KANJA S. Evaluation of voltage control system for a distribution network with middle-class PV systems connection[C]//CIGRE, 2014: 1-6.

[6]丁勇, 李再华. 德国配电网运行管理经验及其启示[J]. 南方电网技术, 2008, 2(5): 47–50.

DING Yong, LI Zaihua. The operation management experience of distribution networks in germany and its revelation to us[J]. Southern Power System Technology, 2008, 2(5): 47–50.

[7]赵刚, 施围. 无弧有载分接开关的研究[J]. 高电压技术, 2004, 30(4):49–51.

ZHAO Gang, SHI Wei. Study on arcless on-load tap changer[J]. High Voltage Engineering, 2004, 30(4): 49–51.

[8]骆平, 刘清澄. 无弧切换的有载调压变压器[J]. 中国电力, 2003,36(S1): 21–23.

LUO Ping, LIU Qingcheng. A new type of on-load tap changer without arcing[J]. Electric Power, 2003, 36(S1): 21–23.

[9]李晓明, 黄俊杰, 尹项根, 等. 平滑无冲击电力电子有载调压装置

[J]. 电力系统自动化, 2003, 27(20): 45–48.

LI Xiaoming, HUANG Junjie, YIN Xianggen, et al . Research of smooth and non impact power electronics OLTC[J]. Autornation of Electric Power Systems, 2003, 27(20): 45–48.

[10]张德明. 有载分接开关国内现状及发展动向[J]. 变压器, 2000,

37(1): 36–39.

ZHANG Deming. Domestic status and development of on-load tap changer[J]. Transformer, 2000, 37(1): 36–39.

[11]AINETTER J., BRAUNER G, HAUER H, 等. 可控硅辅助的分接开

关“TADS”—延长变压器有载调压分接头切换装置免维护周期的新方法[C]//奥地利: 1999年第15届国际供电会议论文集, 第一分册, 电网部件.

[12]吴畏. 晶闸管有载分接开关[J]. 高压电器, 2004, 40(1): 48–49, 52.

WU Wei. Thyristor on-load tap changer[J]. High Voltage Apparatus,2004, 40(1): 48–49, 52.

[13]HARLOW J H, SWITCH F A. An arcless approach to step-voltage

regulation[J]. IEEE Power Engineering Review, 1982, PER-2(7):47–48.

[14]SHUTTLEWORTH R, POWER A K, TIAN X, 等. 一种新颖的带有

可控硅的分接开关方案[C]//英国: 1997年第十四届国际供电会议论文集, 上卷.

[15]黄俊杰, 李晓明. 电力电子有载调压装置的控制系统设计[J]. 电力

自动化设备, 2003, 23(7): 54–57.

[16]HUANG Junjie, LI Xiaoming. Design of automatic system for power electronics OLTC[J]. Electric Power Automation Equipment, 2003,23(7): 54–57.

王金丽, 李金元, 徐腊元. 大功率电力电子开关用于配电变压器无

弧有载调压方案[J]. 电力系统自动化, 2006, 30(15): 97–101.WANG Jinli, LI Jinyuan, XU Layuan. Scheme of arcless onload voltage regulation for distribution transformer using high power electronic switch[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006,30(15): 97–101.

[17]张德明. 浅论真空有载分接开关研发技术的要素(上)[J]. 变压器,

2014, 51(7): 35–40.

ZHANG Deming. Brief discussion on key factors of development technology of vaccum on-load tap-changer[J]. Transformer, 2014,51(7): 35–40.

[18]邵志伟. 电力变压器系统损耗与散热特性研究[J]. 中国电力, 2016,

49(6): 132–136.

SHAO Zhiwei. Investigation on loss and heat dissipation characteristics for power transformer systems[J]. Electric Power,2016, 49(6): 132–136.

[19]李岩军, 周春霞, 肖远清, 等. 特高压有载调压变压器差动保护特性

分析[J]. 中国电力, 2014, 47(9): 112–117.

LI Yanjun, ZHOU Chunxia, XIAO Yuanqing, et al . Analysis of differential protection characteristic for on-load-tap-changer transformer of UHV[J]. Electric Power, 2014, 47(9): 112–117.

[20]作者简介：

王金丽(1972—)，女，山东郓城人，高级工程师（教授级），从事智能配用电技术、配电网电能质量治理、配电网节能与经济运行等方面的研究，E -m a i l ：jlw306@163.com ；

马钊(1957—)，男，陕西岐山人，高级工程师（教授级），从事智能配电网规划与资产管理、智能电器等方面的研究工作，E-mail: mazhao@epri.sgcc.com.cn ；

潘旭(1993—)，男，山东郯城人，硕士研究生，从事智能配电网运行与控制技术等方面的研究工作，E-mail:yuqiaizi1986@163.com ；

王利(1975—)，女，陕西渭南人，高级工程师，从事智能配用电技术与装备等方面的研究工作，E -m a i l :wangli1975@epri.sgcc.com.cn 。

（责任编辑　张子龙）

(下转第100页)

第 5 期

王金丽等：配电变压器有载调压技术

79

系统与数学, 2013, 27(5): 112–122.

CHEN Shuwei, WANG Yanzhao. A new fuzzy risk analysis method based on similarity measures of generalized fuzzy numbers[J]. Fuzzy Systems and Mathematics, 2013, 27(5): 112–122.

SCHMUCKER K. J. Fuzzy sets, natural language computa-tions and

risk analysis [M]. MD: Computer Science Press, 1984.

[16]作者简介：

王志杰(1982—)，男，河南新乡人，博士，高级工程师，主要从事热工自动控制及源网协调技术方面的研究，E-mail: 20025306@163.com 。

（责任编辑　李秀平）

The Research on the Self-Startup Technology of Steam Turbines Based on the

Risk Analysis of Fuzzy Numbers

WANG Zhijie 1,2,3, WANG Xihui 1,2,3, ZHU Xiaoxing 1,2,3, ZHENG Zhong 3

(1. Hunan Key Laboratory of High Efficiency Clean Thermal Power Generation Technology, Changsha 410007, China;

2. State Grid Hunan Electric Power Company Limited Research Institute, Changsha 410007, China;

3. Hunan Xiangdian Test Research Institute Co., Ltd., Changsha 410007, China)

Abstract : An intelligent control system for steam turbines is designed based on the risk analysis of fuzzy numbers. Through studying the operational characteristics of steam turbines, the startup process is divided into several sequential steps. By using the risk analysis method based on the similarity of fuzzy numbers, the risk in the startup process of steam turbines is forecasted and controlled. The execution of the next step is then determined by combining the experience of operators, and the appropriate startup path could be planned accordingly. For the first time, this technology realized the self-startup control using a non-thermal stress model of steam turbines, and it provides significant insight on the study and applications of the self-startup technology of domestically produced turbines.

Keywords : coal-fired power plant; fuzzy numbers; risk analysis; self-startup technology; execution steps

(上接第79页)

On-load Tap-changing Technology of Distribution Transformer

WANG Jinli 1, MA Zhao 1, PAN Xu 1, WANG Li 2

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;

2. Beijing Key Laboratory of Distribution Transformer Energy-saving Technology, Beijing 100192, China)

Abstract : Because of high penetration level of Distributed Generations (DGs) and rapid growth of Electric Vehicles (EVs) loads,distribution network voltage fluctuation problem becomes more and more prominent. Voltage control of distribution network is of great significance to stabilize voltage and raise voltage passing rate. The on-load tap-changing of distribution transformer is one of the means to realize voltage control of distribution network. On-load tap-changing switch is key component of distribution transformer to achieve voltage regulation. Safe and reliable operation of on-load tap-changing distribution transformer is directly influenced by its technical performance. The on-load tap-changing schemes with free maintenance or no arc and no impact switch have been put forward, but their advantages and disadvantages have not been systematic analyzed. In this paper, application situation of voltage regulation technology at home and abroad is explored. The implementation methods of distribution transformer on-load tap-changing switch technology are described and divided into three categories: mechanical, power electronics and composite.Technical implementation principle and advantages and disadvantages of different on-load tap-changing models are analyzed.Development direction and further study focus of distribution transformer on-load tap-changing technology are also clarified.

This work is supported by the Science and Technology Project of SGCC (No.PDB17201600015).

Keywords

: distribution network; distributed generation; voltage control; distribution transformer; on-load tap-changing technology

中国电力第 51 卷

100