解决方案︱电力变压器无弧有载调压方案
国网滨州供电公司的研究人员张凯、杨少辉，在2015年第10期《电气技术》杂志上撰文，利用传统机械式有载分接开关进行有载调压的过程中产生电弧、污染绝缘油。
为解决上述问题，需研究新型无弧有载调压方案。本文在总结相关技术经验的基础上，提出电力变压器无弧有载调压解决方案，介绍了调压过程，建立了PSCAD仿真模型，给出了仿真波形。通过理论和数据分析验证了此新型无弧有载调压方案调压过程无弧、可靠。
电力变压器有载调压是电压调节重要手段，目前变压器有载调压技术在10kV及以上电网中普遍应用[1]。电力变压器利用有载分接开关进行有载调压，目前国内应用的有载分接开关为机械式有载分接开关，在调压过程中存在故障率高、调压过程中产生的电弧烧蚀触头、需要经常更换绝缘油等诸多缺陷[2]，迫切需要一种新型无弧有载调压方案。
1研究现状
针对机械式有载分接开关切换过程产生电弧、使用寿命短等弊端，国内外学者提出多种用电力电子器件（SCR或SSR）代替机械触头的解决方案[3-4]。图1为一种无触点的电力电子有载分接开关[5]，开关省去机械触头，将SSR直接连接在变压器分接头上，通过控制SSR的通断选择变压器分接头。
这种电力电子式有载分接开关具有切换过程无电弧，切换速度大于机械式有载分接开关等优点，但也存在一些缺陷：（1）使用电力电子器件数量多，每个分接头都要连接一组电力电子器件，过多调压级数会使开关成本增高、体积庞大；（2）电力电子器件导通后长期载流，存在导通压降通常在1V以上，通态损耗高（可达kW级）；（3）可靠性受电力电子器件制约，可靠性较差，如电力电子器件损坏，开关内部将发生断线或短路，不利于电网稳定。
图1 一种电力电子式有载分接开关结构
图2为一种混合式有载分接开关[6]，保留了机械式有载分接开关的分接选择器和切换开关，过渡电路增加了电力电子器件，通过开断电力电子器件来辅助机械触头完成切换，切换完成后电力电子器件退出载流回路，由机械触头完成载流。
图中A为变压器调压绕组，1、2为变压器调压绕组分接头，SCR1、SCR2、SCR3分别为三组反并联晶闸管，R1、R2为限流电阻，黑色条形方块为切换开关动触头，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为切换开关静触头。开关通过开断SCR来辅助机械触头切换进行调压。
图2一种混合式有载分接开关结构
混合式有载分接开关与机械式有载分接开关和电力电子式有载分接开关相比，具有明显优势：（1）电力电子器件辅助机械触头切换，切换过程无电弧产生，可以减少滤油和换油的次数。（2）切换完成后电力电子器件退出载流回路，由机械触头载流，降低了因电力电子器件长期导通引起的损耗，延长有载分接开关使用寿命。
但这种混合式有载分接开关存在缺陷，每一相须使用3组反并联晶闸管，开关成本高；如果一组晶闸管被击穿或损坏，有载分接开关将无法正常使用，开关可靠性低。
2无弧有载调压解决方案
国内外学者提出的无触点电力电子式有载分接开关及混合式有载分接开关等无弧有载调压解决方案都存在不可避免的缺陷，可靠性不高。为解决上述解决方案的缺陷，本文提出一种新型混合式有载分接开关。
2.1过渡支路
图3为新型混合式有载分接开关过渡支路，在调压过程中保证负载电流连续。如图3所示，过渡支路是由一组反并联晶闸管和一只过渡电阻组成。在混合式有载分接开关切换支路动作之前，晶闸管触发单元先将过渡支路的一组反并联晶闸管触发导通，切换支路动作完成后，晶闸管触发单元将过渡支路的反并联晶闸管关断，过渡支路退出载流，由切换支路的机械部分载流。
图3过渡支路
2.2晶闸管辅助切换支路
晶闸管辅助切换支路是混合式有载分接开关的切换部分。如图4所示，晶闸管辅助切换支路由一组反并联晶闸管SCR2与两条切换支路C-D、E-F组成，反并联晶闸管连接在两条切换支路C-D、E-F之间，配合两条支路之间的无弧切换。1-8为切换支路的8组触头，分别由动触头和静触头组成，在混合式有载分接开关不动作的情况下，这8组触头中同在一侧的4只为闭合状态，另外4只为打开状态，切换支路C-D或E-F承担负载电流。
图4晶闸管辅助切换支路
2.3开关结构与调压过程
混合式有载分接开关结构如图5所示，过渡支路与晶闸管辅助切换支路组成混合式有载分接开关的切换部分，与分接选择器相连接。当负载电压超过安全波动范围时，控制系统发出调压指令，控制晶闸管配合机械部分动作，完成无弧调压。
图5 新型混合式有载分接开关结构
假定初始状态时有载分接开关接变压器分接头1，C-D侧触头闭合，E-F侧触头打开，SCR1处于关闭状态，由于负载电压变动要从分接头1切换到2分接头，一次切换过程如下：
（1）混合式有载分接开关的分接选择器在不带电的情况下将分接头位置切换到分接头2，此时分接头1正常接通；
（2）负载电流过零时，晶闸管触发单元1发出触发脉冲，导通反并联晶闸管SCR1；
（3）下次负载电流过零时，晶闸管触发单元2发出触发脉冲，导通反并联晶闸管SCR2，SCR2导通后打开触头2和3，因反并联晶闸管SCR2导通后将触头2、3两端的电压拉低到起弧电压以下，打开触头2、3时无电弧产生；
（4）晶闸管触发单元2停止发出触发脉冲，电流过零时，反并联晶闸管SCR2自然关断，此时负载电流流经A-B过渡支路；
（5）打开触头1和触头4，同时触头5和触头8闭合；
（6）负载电流过零时，晶闸管触发单元2发出触发脉冲，导通反并联晶闸管SCR2，SCR2导通后闭合触头6、7，因晶闸管SCR2导通将触头6、7两端电压拉低到起弧电压以下，在闭合触头6、7时无电弧产生，此时电流经过A-B支路与E-F支路；
（7）晶闸管触发单元2停止发出触发脉冲，电流过零时，反并联晶闸管SCR2自然关断，此时负载电流流经A-B支路、E-F支路的机械触头；
（8）晶闸管触发单元1停止发出触发脉冲，负载电流过零时，反并联晶闸管SCR2自然关断，负载电流流经E-F支路，一次调压完成。
3设计方案的仿真分析
3.1仿真模型建立
建立了混合式有载分接开关调压模型。在模型中，单相变压器T1为理想升压变压器，一、二次侧电压分别分10.5kV、35kV，由10.5kV理想电源G供电。
因PSCAD元件库中变压器模型的分接头无法体现出切换的具体过程，故采用三个单相变压器串联并通过适当的参数设置组成有载调压变压器T2，并且设置变压器T2的一次侧为调压侧，T2的一、二次侧额定电压分别为35kV，10kV；BRK1、BRK2为混合式有载分接开关的切换开关机械触头，同两条反并联晶闸管支路SCR1、SCR2辅助切换。
BRK1、BRK2动作之前，先控制SCR1、SCR2导通，将BRK1、BRK2两端的电压拉低到起弧电压以下；SCR3与过渡电阻组成混合式有载分接开关的过渡支路，辅助机械开关的切换；BRK3、BRK4、BRK5作为有载分接开关的分接选择器，来选择变压器T2的分接头。
因有载分接开关的分接选择器切换是在不带电的情况下切换，BRK3、BRK4、BRK5的动作条件是本支路无电流通过；采用一个单相四绕组的变压器T3来控制负载侧电压，将三个绕组串联，设定系统正常运行时负载电压为10kV，通过断路器BRK6、BRK7、BRK8的开闭控制接入不同绕组来模拟负载电压的波动。
图6 新型混合式有载分接开关仿真模型3.1调压过程
设定9.5-10.5kV为电压安全波动范围，当负载电压超过安全波动范围后有混合式有载分接开关动作。一次调压过程如下：
假定初始时刻BRK7闭合负荷电压为10kV，此时BRK4、BRK2闭合，在0.1s时刻，BRK7打开BRK6闭合，引起负荷电压降低，混合式有载分接开关需要做升压调节。
首先BRK3闭合选择变压器分接头，0.12s时刻触发导通SCR3，过渡支路通电，0.14s时刻触发导通SCR2将BRK2两端电压拉低到起弧电压以下，0.16s BRK2打开，0.18s关断 SCR2，此时电流从SCR3的过渡支路流过，0.20s 触发导通SCR2，将BRK1两端电压拉低到起弧电压以下，0.22s BRK1闭合，0.24s关断SCR1，0.26s 关断SCR3，然后BRK4关断，一次调压完成。
调压过程中各反并联晶闸管与断路器电流切换过程通过的电流与图7所示。
图7切换电流波形
变压器T2 二次侧电压电流波形如图所示。
图8变压器二次侧电压电流波形
负载电压波形如图所示。
图9负载电压波形
在整个调压过程中，反并联晶闸管与断路器配合，负载电流平滑连续，变压器二次侧电压、电流平滑连续，负载电压波动较小。
4.结论
本文在对现有技术的总结和分析的基础上提出了利用混合式有载分接开关进行电力变压器无弧调压方案，混合式有载分接开关即继承了传统机械式有载分接开关机械触头载流可靠性高的优点，又克服了其切换过程中存在电弧、过渡损耗高的缺陷，有以下优点：
（1）切换过程无电弧产生，不会使变压器绝缘油极化，减少滤油和换油的次数，增加了开关使用寿命。
（2）切换完成后电力电子器件退出载流回路，由机械触头载流，降低了因电力电子器件长期导通引起的损耗，延长了有载分接开关使用寿命。
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