電力變壓器與工業(yè)變壓器分接開(kāi)關(guān)的性能差異研究

邱德權(quán)

（福建森源電力設(shè)備有限公司，福建 福州 350000）

引言

電力變壓器與工業(yè)變壓器都是變壓器種類(lèi)中的一種，在性能及運(yùn)行方式方面均存在一定的差異[1]。電力變壓器作為電力行業(yè)中的重要電氣設(shè)備，對(duì)電力系統(tǒng)與配電網(wǎng)的運(yùn)行具有較大影響[2]。工業(yè)變壓器的用途相對(duì)特殊，種類(lèi)也較多，主要包括電爐與電解變壓器兩類(lèi)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的各項(xiàng)領(lǐng)域[3]。電力變壓器與工業(yè)變壓器的外觀、結(jié)構(gòu)、工作原理均具有較強(qiáng)的相似性[4]?，F(xiàn)階段，我國(guó)在變壓器方面的研究逐漸成熟，然而，對(duì)于電力變壓器與工業(yè)變壓器的性能差異研究仍然存在不足?；诖?，本研究開(kāi)展了兩種變壓器分接開(kāi)關(guān)性能差異的研究。

1 電壓調(diào)節(jié)差異分析

電力變壓器與工業(yè)變壓器在電壓調(diào)節(jié)方式方面存在一定的差異，本研究對(duì)兩種變壓器電壓調(diào)節(jié)差異進(jìn)行了具體分析，具體如下。

電力變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，其電壓調(diào)節(jié)需要在一次繞組的基礎(chǔ)上布設(shè)變壓器電壓調(diào)節(jié)分接頭，增設(shè)壓力調(diào)節(jié)繞組，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的目標(biāo)[5]。電力變壓器的電壓調(diào)節(jié)，主要受到內(nèi)部繞組匝數(shù)的變化影響，通過(guò)增加或減少變壓器內(nèi)部一次繞組的匝數(shù)，保持電壓的恒定，控制電網(wǎng)內(nèi)部電壓的波動(dòng)情況[6]。

在調(diào)節(jié)電壓過(guò)程中，電力變壓器內(nèi)部的鐵心磁通保持恒定不變，控制電力變壓器各個(gè)分接位置的電流與電壓變化，根據(jù)變壓器輸出功率與輸入功率的變化情況，不斷調(diào)節(jié)變壓器各個(gè)分接級(jí)的電壓[7]。電力變壓器的電壓調(diào)節(jié)主要包括三種不同的方式：線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)、粗細(xì)電壓調(diào)節(jié)以及正反電壓調(diào)節(jié)，不同的電壓調(diào)節(jié)方式具有不同的負(fù)載特性[8]。其中，電力變壓器的電壓調(diào)節(jié)方式以線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)為主，通過(guò)布設(shè)電壓中性點(diǎn)、自耦調(diào)壓電路，在三相調(diào)壓電路中實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的目標(biāo)。在調(diào)節(jié)電力變壓器電壓過(guò)程中，其主支路的觸頭恢復(fù)電壓會(huì)發(fā)生一定的變化，觸頭恢復(fù)電壓的計(jì)算公式為：

其中，URM表示電力變壓器主支路觸頭恢復(fù)電壓；IL表示電力變壓器電壓調(diào)節(jié)中的負(fù)載電流；R 表示電力變壓器電壓調(diào)節(jié)中的電阻過(guò)渡值。通過(guò)計(jì)算，獲取電壓調(diào)節(jié)中，電力變壓器主支路的觸頭恢復(fù)電壓，得出恢復(fù)電壓的變化狀況與規(guī)律。工業(yè)變壓器支路的觸頭恢復(fù)電壓為：

其中，URT表示工業(yè)變壓器支路的觸頭恢復(fù)電壓；IS表示工業(yè)變壓器的真空觸頭負(fù)載電流；R0表示工業(yè)變壓器的過(guò)渡電阻阻值。根據(jù)兩種變壓器觸頭恢復(fù)電壓的計(jì)算結(jié)果，對(duì)比電壓調(diào)節(jié)中，變壓器觸頭恢復(fù)電壓的差異。

在電壓調(diào)節(jié)中，電力變壓器與工業(yè)變壓器的運(yùn)行方式基本相同，差異性在于電網(wǎng)高壓下降的趨勢(shì)不同，在變壓層次、變壓器設(shè)備數(shù)量以及電壓調(diào)節(jié)運(yùn)行的可靠性方面也存在較小的差異。兩種變壓器在電壓調(diào)節(jié)中，電壓信號(hào)的能量變化存在一定的差異，信號(hào)能量計(jì)算公式為：

其中，Ei表示電壓調(diào)節(jié)中原信號(hào)的分量能量；E 表示電壓信號(hào)能量；Er表示電壓調(diào)節(jié)余量信號(hào)能量；xi2表示變壓器振動(dòng)信號(hào)能量參數(shù)；x2表示變壓器振幅參數(shù)；d 表示信號(hào)能量比值；t 表示電壓調(diào)節(jié)時(shí)間。

基于間調(diào)式電壓調(diào)節(jié)方面分析，電力變壓器主要通過(guò)將主、串變低壓的繞組進(jìn)行串聯(lián)，控制分接開(kāi)關(guān)的串變高壓供電，將繞組的電壓進(jìn)行變磁通調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的目標(biāo)。工業(yè)變壓器通過(guò)降低變壓器設(shè)備運(yùn)行所需的低壓，將分接開(kāi)關(guān)設(shè)置在變壓器第三繞組中，提高變壓器的功率因數(shù)，進(jìn)而達(dá)到電壓調(diào)節(jié)的目標(biāo)。電力變壓器與工業(yè)變壓器在間調(diào)式電壓調(diào)節(jié)中，電壓調(diào)節(jié)的原理接線(xiàn)圖分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 電力變壓器電壓調(diào)節(jié)原理接線(xiàn)圖

圖2 工業(yè)變壓器電壓調(diào)節(jié)原理接線(xiàn)圖

見(jiàn)圖1、圖2 的電壓調(diào)節(jié)原理接線(xiàn)圖，兩種變壓器的間調(diào)式電壓調(diào)節(jié)原理存在一定的差異。電力變壓器的接線(xiàn)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在負(fù)荷分接時(shí)，負(fù)載損耗較大；工業(yè)變壓器的阻抗電壓增值較明顯，其接線(xiàn)結(jié)構(gòu)與接線(xiàn)方式適用于各類(lèi)大中容量的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。

基于多級(jí)線(xiàn)性調(diào)試分析，電力變壓器在電壓調(diào)節(jié)中多數(shù)采用M 型分接開(kāi)關(guān)，電壓調(diào)節(jié)等級(jí)較高，能夠達(dá)到35 級(jí)以上，變壓器中涵蓋多個(gè)位置的選擇器，適用于電力系統(tǒng)與配電網(wǎng)的運(yùn)行需求。工業(yè)變壓器在電壓調(diào)節(jié)中對(duì)級(jí)數(shù)的要求較高，通常采用多級(jí)粗細(xì)調(diào)，進(jìn)行分接繞組操作，將粗分接與粗分接連接，結(jié)合變壓器分接開(kāi)關(guān)變換的原理，不斷調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)繞組的電流波動(dòng)幅度。設(shè)置變壓器分解繞組的最大級(jí)數(shù)用n 表示，最大級(jí)數(shù)的計(jì)算公式為：

其中，n1表示變壓器細(xì)調(diào)分接繞組的級(jí)數(shù)；n2表示變壓器粗調(diào)分接繞組的級(jí)數(shù)，通過(guò)計(jì)算變壓器分接繞組的最大級(jí)數(shù)，獲取兩種變壓器在不同調(diào)壓級(jí)數(shù)下對(duì)應(yīng)的分接繞組級(jí)數(shù)，進(jìn)而判斷兩種變壓器電壓調(diào)節(jié)方面的性能差異。

2 負(fù)載特性差異分析

電力變壓器與工業(yè)變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，其內(nèi)部的負(fù)載特性變化存在一定的不同。電力變壓器的負(fù)載特性在電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)根據(jù)分接繞組的匝數(shù)變化而發(fā)生改變，其變壓器的輸出功率為恒定功率，分接位置的電壓與電流會(huì)產(chǎn)生較大的變化。在電力變壓器的電壓調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)方面，以10 kV、35 kV、110～220 kV三種電壓為主，10 kV 的線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)的級(jí)數(shù)為9級(jí)；35 kV 的線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)的級(jí)數(shù)為7 級(jí)；110～220 kV 的正反電壓調(diào)節(jié)的級(jí)數(shù)為17 級(jí)左右。工業(yè)變壓器的負(fù)載特性變化示意圖，見(jiàn)圖3。

圖3 工業(yè)變壓器負(fù)載特性示意圖

根據(jù)圖3 可知，工業(yè)變壓器的負(fù)載特性具有波動(dòng)性，在一定周期內(nèi)，工業(yè)變壓器的電流方均根值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，波動(dòng)范圍與波動(dòng)幅度較平穩(wěn)。工業(yè)變壓器的二次側(cè)調(diào)壓深度較電力變壓器相比較大，二次電壓的最高值調(diào)壓范圍在25%～50%之間。通常情況下，工業(yè)變壓器使用標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)性調(diào)壓，當(dāng)分接開(kāi)關(guān)數(shù)目不夠時(shí)，采用正反調(diào)的方式，共同調(diào)節(jié)電壓級(jí)數(shù)，使工業(yè)變壓器分接開(kāi)關(guān)的V 型開(kāi)關(guān)達(dá)到14 級(jí)，M 型開(kāi)關(guān)達(dá)到17 級(jí)，結(jié)合轉(zhuǎn)換選擇器，將變壓器電壓級(jí)差控制在2%～4%范圍內(nèi)，與電力變壓器存在較大的差異。

3 分接開(kāi)關(guān)選用差異分析

電力變壓器與工業(yè)變壓器對(duì)應(yīng)的分接開(kāi)關(guān)，在選用方面也存在一定的差異，在選用分接開(kāi)關(guān)時(shí)，需要綜合考慮變壓器運(yùn)行的負(fù)載特性需求，根據(jù)相關(guān)的分解開(kāi)關(guān)規(guī)范，選用標(biāo)準(zhǔn)型式的分接開(kāi)關(guān)。電力變壓器分接開(kāi)關(guān)對(duì)切換參數(shù)的要求較高，其對(duì)應(yīng)的額定特性能力要求也較高。在選取分接開(kāi)關(guān)前，首先，應(yīng)當(dāng)計(jì)算分接開(kāi)關(guān)的額定通過(guò)電流值，公式為：

其中，K 表示電力變壓器分接開(kāi)關(guān)的過(guò)載系數(shù)；Inm表示電力變壓器分接開(kāi)關(guān)的最大額定通過(guò)電流，通過(guò)計(jì)算，獲取變壓器分接開(kāi)關(guān)的額定通過(guò)電流值，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算分接開(kāi)關(guān)的額定級(jí)電壓，公式為：

其中，Un表示分接開(kāi)關(guān)額定電流通過(guò)時(shí)允許的最大級(jí)電壓；X%表示分接開(kāi)關(guān)額定級(jí)電壓調(diào)節(jié)精度；m表示額定級(jí)電壓調(diào)壓級(jí)數(shù)。根據(jù)額定通過(guò)電流值于額定級(jí)電壓的具體計(jì)算結(jié)果，選用電力變壓器符合對(duì)應(yīng)要求的分接開(kāi)關(guān)。采用恒磁通調(diào)壓的方式，在變壓器中布設(shè)調(diào)壓中性點(diǎn)，調(diào)節(jié)分接開(kāi)關(guān)的額定級(jí)電壓與基準(zhǔn)級(jí)電壓。根據(jù)變壓器的運(yùn)行特性，適當(dāng)切換分接開(kāi)關(guān)的額定容量與諧波電流，保證分接開(kāi)關(guān)的使用性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。兩種變壓器分接開(kāi)關(guān)內(nèi)部繞組的連接方式不同，變壓器對(duì)應(yīng)的調(diào)壓部位、范圍與方式均存在差異。電力變壓器主絕緣的耐受電壓逐漸呈標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，工業(yè)變壓器主絕緣的耐受電壓波動(dòng)幅度較大，兩種變壓器主絕緣設(shè)備電壓變化情況與耐受電壓波動(dòng)幅度存在一定的關(guān)聯(lián)。電力變壓器的分接開(kāi)關(guān)通常選擇1 類(lèi)絕緣水平的分接開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)內(nèi)部的中性點(diǎn)采用不接地方式；工業(yè)變壓器的分接開(kāi)關(guān)，通常采用兩類(lèi)絕緣水平的分接開(kāi)關(guān)，結(jié)合單相分接開(kāi)關(guān)，共同組合，生成滿(mǎn)足分接開(kāi)關(guān)繞組絕緣需求的分接開(kāi)關(guān)。

4 過(guò)渡電阻匹配差異分析

過(guò)渡電阻在兩種變壓器中的運(yùn)行與轉(zhuǎn)換原理不同，對(duì)于變壓器分接開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)換與調(diào)壓的方式也存在一定的差異。電力變壓器的過(guò)渡電阻主要負(fù)責(zé)變壓器內(nèi)觸頭的切換操作，通過(guò)過(guò)渡電阻的高效匹配，提升電力變壓器運(yùn)行的可靠性與使用壽命。工業(yè)變壓器的過(guò)渡電阻負(fù)責(zé)提高電壓器在生產(chǎn)活動(dòng)中的電氣壽命，根據(jù)相關(guān)的過(guò)渡電阻匹配方案，獲取最適用于變壓器運(yùn)行的最佳匹配值。電力變壓器的電阻過(guò)渡電路通常采用M 型分接開(kāi)關(guān)，工業(yè)變壓器的電阻過(guò)渡電路采用V 型分接開(kāi)關(guān)，兩種變壓器過(guò)渡觸頭的切換容量與最佳匹配系數(shù)均不同。變壓器過(guò)渡電阻的匹配表達(dá)式為：

如圖4 所示，兩種變壓器過(guò)渡電阻匹配值的大小不同，其對(duì)應(yīng)的觸頭任務(wù)切換容量也不同。過(guò)渡電阻匹配差異與變壓器觸頭任務(wù)之間存在較大的關(guān)聯(lián)，變壓器電壓與電流匹配適應(yīng)度較差，直接影響變壓器運(yùn)行的安全性與可靠性，不利于電氣工程及工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的可持續(xù)發(fā)展。

圖4 兩種變壓器分接開(kāi)關(guān)觸頭任務(wù)與電阻匹配關(guān)系

5 結(jié)論

分接開(kāi)關(guān)作為變壓器內(nèi)部組成的重要部件，其使用性能與運(yùn)行方式對(duì)于變壓器設(shè)備具有較大影響?；诖耍狙芯酷槍?duì)變壓器的兩種不同類(lèi)型，開(kāi)展了其分接開(kāi)關(guān)在各個(gè)方面性能差異的研究。在本研究分析的基礎(chǔ)上，獲取了變壓器電壓與電流匹配適應(yīng)度、對(duì)應(yīng)的性能特征及電壓調(diào)節(jié)特性，為變壓器安全、可靠地運(yùn)行提供了一定的保障。