一种无弧有载自动调压配电变压器装置的制作方法

本实用新型涉及配电变压器的电压自动调节技术领域，具体讲涉及一种无弧有载自动调压配电变压器装置。

背景技术：

电力系统中有载调压变压器的应用越来越广泛，它在提高系统电压质量和供电可靠性方面的作用可谓举足轻重。但传统的有载调压变压器是由机械式有载分接开关调整其分接头和相关的电动部件完成的，分接开关带负荷切换时产生较大的电弧，容易烧蚀触头造成油污染，影响变压器的绝缘特性和使用寿命。电动操作机构容易出现故障，据有关数据统计，其故障率约占分接开关故障的80％，维护工作量大，制约了变压器有载调压作用的发挥。

配电变压器自动调压技术目前存在两方面问题：一是在电力系统无功功率充足的情况下，配电变压器采用有载自动调压是稳定电压的最有效的方式，有载调压分接开关是自动调压变压器的主要装置，现有的分接开关绝大多数为机械式有触点开关，这种开关不仅切换时伴有电弧的产生，机械触头容易损坏，而且调节速度慢，不能频繁操作，因此限制了这种开关的应用范围。二是常规含有绕组抽头调节的配电变压器调节精度不高，约为给定电压的2.5％，在正负各三级绕组抽头的情况下，配电变压器的调节范围约为其给定电压的-7.5％～7.5％。

目前，也有少量采用电力电子器件开关模块控制变压器调压绕组来实现调压的相关专利，但是这些专利一方面存在拓扑结构复杂，实现起来困难的问题，另一方面存在正常状态下电力电子器件一直处于工作状态，存在能量损耗、持续驱动及抗扰动能力差等问题。

因此，需要提供一种技术方案来满足现有技术的需要。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种无弧有载自动调压配电变压器装置，其包括：低压侧和高压侧；低压侧包括低压绕组，高压侧包括：N个调压绕组、N个开关模块、高压绕组和调压控制模块，每一调压绕组与每一开关模块并联；高压绕组和N个开关模块串联。开关模块包括：切换开关、电子开关单元和常闭开关。

切换开关包括：磁保持继电器或带有四个端子的位置切换开关。

位置切换开关中的一个位置切换开关的两个端子的一端与调压绕组的一端相连，其另两个端子分别与开关模块中对外串接的两个端子相连；

位置切换开关中的另一位置切换开关中两个端子与调压绕组的另一端相连，其另外两个端子分别与开关模块对外串接的两个端子相连；电子开关单元和常闭开关的两端分别与开关模块对外串接的两个端子相连。

电子开关单元的对外连接端与压敏电阻的两端相连；压敏电阻与两个反向并接的晶闸管并联。

电子开关单元的一个对外连接端分别与二极管的阴极和绝缘栅双极型晶体管的集电极相连；电子开关单元的另一对外连接端分别与另一二极管的阴极和另一绝缘栅双极型晶体管的集电极相连；上述两个二极管的阳极分别与上述两个绝缘栅双极型晶体管的发射极相连；二极管的阳极与另一二极管的阳极相连，绝缘栅双极型晶体管的发射极与另一绝缘栅双极型晶体管的发射极相连。

电子开关单元的一个对外连接端分别与二极管的阴极和绝缘栅双极型晶体管的发射极相连；电子开关单元的另一对外连接端分别与另一二极管的阴极和另一绝缘栅双极型晶体管的发射极相连；上述两个二极管的阳极分别与上述两个绝缘栅双极型晶体管的集电极相连；二极管的阳极与另一二极管的阳极相连，绝缘栅双极型晶体管的集电极与另一绝缘栅双极型晶体管的集电极相连。

电子开关单元的两个对外连接端之间，设有两条并联的二极管支路；一条二极管支路设有两个阴极反向对接的二极管，另一二极管支路设有两个阳极反向对接的二极管；阴极反向对接的两个二极管的阴极分别与绝缘栅双极型晶体管的集电极相连，阳极反向对接的两个二极管的阳极分别与绝缘栅双极型晶体管的发射极相连。

调压控制模块包括：与取电单元相连的运算控制单元，以及同运算控制单元相连的测量单元和触发输出单元。

与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本实用新型通过改变拓扑结构及调压方式，使调压绕组矢量串入高压绕组内，从而实现调压功能。

2、本实用新型所提供的调压原理可以实现变压器的分相调压功能和依据低压侧电压实现动态调压功能。

3、本实用新型简化了设备配置，减小了配电变压器的体积和不必要的成本。

4、本实用新型消除了原有电动开关机构的隐患，更易于通过软件控制快速完成选择和切换，并有效延长了开关的使用寿命。

5、本实用新型所用的电子开关单元在正常工作状态下不串入高压侧绕组，故没有驱动和功率损耗。

附图说明

图1为本实用新型实施例中一相电路的结构示意图；

图2为本实用新型开关模块和调压绕组的电路结构示意图；

图3为本实用新型调压控制模块的结构示意图；

图4为本实用新型的电子开关单元形式1；

图5为本实用新型的电子开关单元形式2；

图6为本实用新型的电子开关单元形式3；

图7为本实用新型的电子开关单元形式4；

图8为本实用新型调压绕组投入或退出的逻辑示意图；

图9为本实用新型变压器的调压过程流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。

如图1所示，一种高精度无弧有载自动调压配电变压器包括：变压器高压绕组、变压器低压绕组、n个调压绕组、n个开关模块、一个控制模块。其中n是正整数(一般为2或3)，且每一调压绕组都与一个开关模块连接。

如图2所示，开关模块均包括：两个位置切换开关(或有类似切换功能的开关)K1和K2，一个电子开关单元K3，一个常闭开关K4；开关模块一端与调压绕组连接，另一端E1和E2串接在高压绕组内；开关模块的位置切换开关K1和K2的A1、A2端子都与E1相连接，D1和D2端子都与E2相连接；开关模块的位置切换开关K1的B1和C1端子与调压绕组的X1端相连，开关模块的位置切换开关K2的B2和C2端子与调压绕组的X2端相连；开关模块的电子开关单元K3的一端与E1相连接，另一端与E2相连接；开关模块的常闭开关K4的一端与E1相连接，另一端与E2相连接。

如图3所示，控制模块主要包括：取电单元、测量单元、运算控制单元和触发输出单元，本实施例的有载调压变压器可根据配电变压器所在配电网的电压波动实际情况，以控制低压侧输出电压在给定范围内为目标，通过控制开关模块的开断逻辑，可以使调压绕组正向、反向或短路接入高压绕组，改变高压绕组的等效绕组匝数，从而在大范围内稳定配电变压器低压侧的电压输出。在有载变压器开关模块的任何一次调压转换过程中，首先使电子开关单元K3导通，然后再调节位置切换开关或常闭开关K4的通断，从而消除了转换过程中电弧的产生。

同时，本实用新型提供了一种确定配电变压器有载调压装置的调压范围、调压级数、调压绕组数量、调压步长、调压绕组匝数之间关系的方法,形成了变压器调压绕组矢量的投入或退出的逻辑方法及变压器调压流程。该方法根据需要调节电压的范围和调压绕组的数量，确定电压调节的步长，从而确定调压绕组的匝数。由于变压器的调压级数随着调压绕组个数的增加而呈指数倍的增加，依据该方法在给定电压调节步长的前提下，通过增加调压绕组的数量，大幅增大电压调节范围；在任意给定的调压范围前提下，通过增加调压绕组的数量，可以大幅减小电压调节步长，增加调节精度。

在本实施例中，通过控制开关模块各个开关的通断状态，一方面可以使其对应连接的调压绕组矢量串接入高压绕组中，从而改变高压绕组的等效匝数，另一方面，可以通过电子开关单元的动作消除调压过程中电弧的产生。

以图2所示的开关模块和调压绕组为例：

情形1，导通电子开关单元K3，导通开关K4，然后再断开电子开关单元K3，此时电流直接从端子E1经K4流向端子E2，相当于调压绕组被短接，即该开关模块对应的调压绕组没有接入高压绕组，配电变压器高压侧等效绕组匝数不变。

情形2，导通电子开关单元K3，断开开关K4，并将位置切换开关K1切至A1-C1导通，将位置切换开关K2切至B2-D2导通，断开电子开关单元K3，此时电流从端子E1经A1-C1-B2-D2流向端子E2，此时相当于该开关模块对应的调压绕组从端子E1端至E2端接入，即调压绕组正向串接入高压绕组，配电变压器高压侧等效绕组匝数增加。

情形3，导通电子开关单元K3，断开开关K4，并将位置切换开关K1切至B1-D1导通，将位置切换开关K2切至A2-C2导通，断开电子开关单元K3，此时电流从端子E1经A2-C2-B1-D1流向端子E2，此时相当于该开关模块对应的调压绕组从端子E2端至E1端接入，即调压绕组反向串接入高压绕组，配电变压器高压侧等效绕组匝数减少。

通过开关模块中各个开关通断的配合，可以将该开关模块对应的调压绕组以正向、反向或短接的方式引入高压绕组，实现增加、减少或保持原有高压绕组等效绕组匝数的目的。通过多个调压绕组及开关模块的联合使用，可以实现调压绕组数量级数倍的调节级数，大大增大了配电变压器的电压调节范围和精度，使得负载端电压的波动维持在合理的范围内。

作为一种具体的实施方法，调压绕组的绕制方向与高压绕组的绕制方向相同。

以图2所示的开关模块和调压绕组为例，当调压绕组的绕制方向与高压绕组的绕制方向相同时，调压绕组的1端的极性与高压绕组的极性相同，当开关K4导通，然后此时电流直接从端子E1经K4流向端子E2，相当于调压绕组被短路，即该开关模块对应的调压绕组没有串接入高压绕组，配电变压器高压侧等效绕组匝数不变。

当开关K4断开，位置切换开关K1切至A1-C1导通，位置切换开关K2切至B2-D2导通，此时电流从端子E1经A1-C1-B2-D2流向端子E2，此时相当于该开关模块对应的调压绕组从端子E1端至E2端接入，即调压绕组正向串接入高压绕组，配电变压器高压侧等效绕组匝数增加。当开关K4断开，位置切换开关K1切至B1-D1导通，位置切换开关K2切至A2-C2导通，此时电流从端子E1经A2-C2-B1-D1流向端子E2，此时相当于该开关模块对应的调压绕组从端子E2端至E1端接入，即调压绕组反向串接入高压绕组，配电变压器高压侧等效绕组匝数减少。

如图2所示，在开关模块对应的位置切换开关，其有四个端子，功能为将其四个端子中的两个端子的导通状态变换为另外两个端子导通，而不会出现同时导通的情形，比如位置切换开关K1，其只可能是A1-C1之间导通或B1-D1之间导通，或者在两者之间变换，如A1-C1之间导通变换为B1-D1之间导通，而不会有其他状态。该位置切换开关在具体实施时可以是磁保持继电器。

如图3所示的调压控制模块结构示意图，调压控制模块主要包括取电单元、测量单元、运算控制单元、触发输出单元。取电单元引接至高压绕组(如图2所示)，通取电变压器T为整个控制模块提供电能。测量单元主要用于测量变压器低压侧的输出电压，为调压变压器的调压提供参考，通常为以低压侧额定电压为调整目标。

给定电压是变压器的输出目标电压，依据变压器低压侧出口端和低压线路末端的电压都在合格范围内而设定的，通常为额定电压。

运算控制单元为根据测量单元提供的当前低压侧电压与给定电压的差值，计算高压侧应该调整的绕组匝数，生成预期的调压绕组状态矩阵和调压逻辑。触发输出单元，根据运算控制单元生成的调压逻辑，按时序输出响应的控制信号，导通或关断相应开关，实现调压绕组按调压逻辑以正向、反向或短路的方式串接入高压侧，从而实现调压目的。

如图4所示，作为开关模块中电子开关单元K3的一种具体的实施方式，电子开关单元K3包括两个反向并联的晶闸管SCR1、晶闸管SCR2和一个压敏电阻R1，晶闸管SCR1的阳极分别与晶闸管SCR2的阴极和压敏电阻R1的一端相连，晶闸管SCR2的阳极分别与晶闸管SCR1的阴极和压敏电阻R1的另一端相连，两个公共连接端P和Q分别作为电子开关单元K3的对外连接端。由于上述两个晶闸管能够在控制信号的作用下实现各自的导通或关断，因而能够实现电子开关单元K3在不同条件下的双向通断功能。在该开关单元中，与两个晶闸管并联的压敏电阻R1用于限制晶闸管两端的电压，保护晶闸管。

如图5所示，作为开关模块中电子开关单元K3的另一种具体实施方式，电子开关单元K3包括：两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)T1、T2和两个二极管D1、D2，绝缘栅双极型晶体管T1的发射极分别与绝缘栅双极型晶体管T2的发射极、二极管D1的阳极、二极管D2的阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T1的集电极和二极管D2的阴极分别与外部公共连接端P相连，绝缘栅双极型晶体管T2的集电极和二极管D1的阴极分别与外部公共连接端Q相连。

如图6所示，作为开关模块中电子开关单元K3的又一种具体实施方式，电子开关单元包括：两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)T3、T4和两个二极管D3、D4，绝缘栅双极型晶体管T3的集电极分别与绝缘栅双极型晶体管T4的集电极、二极管D1的阳极、二极管D2的阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T3的发射极和二极管D4的阴极分别与外部公共连接端P相连，绝缘栅双极型晶体管T4的发射极和二极管D3的阴极分别与外部公共连接端Q相连。

如图7所示，作为开关模块中电子开关单元K3的再一种具体实施方式，电子开关单元包括：绝缘栅双极型晶体管(IGBT)T5和四个二极管D5、D6、D7、D8，绝缘栅双极型晶体管T5的集电极分别与二极管D5的阴极、二极管D6的阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T5的发射极分别与二极管D7的阳极、二极管D8的阳极相连，外部公共连接端P分别与二极管D7的阴极、二极管D5的阳极相连，外部公共连接端Q分别与二极管D8的阴极、二极管D6的阳极相连。

在开关模块对应的调压绕组在高压侧的串接状态的每一次变换过程中，比如从正向串入变换为短路接入状态、从正向串入变换为反向接入状态、从短路接入状态变换为反向接入状态、反向接入状态变换为短路接入状态，开关模块中首先导通的都是电子开关单元K3，然后其他开关K1，K2和K4根据调压绕组需要接入高压侧的状态切换或导通，最后电子开关单元K3断开，一个变换过程结束，电子开关单元K3在整个调压绕组的顺串、反串和短接的切换过程中起到过渡作用。

从图4到图7的4种电子开关单元K3的具体实施方式中，由于采用了IGBT和晶闸管等电子开关，特别是IGBT具有开关速度快、热稳定性好、驱动功率小、驱动电路简单等优点，使得K3不仅具有良好的开关特性，还具备了在过渡过程中消除了常规开关电弧的产生。

如图2所示的高低压绕组及调压绕组只是实际应用中配电变压器三相绕组中的一相的调压示意连接图，其他两相的连接方式和图2相同。

本实用新型提供了一种确定配电变压器有载调压装置的调压范围、调压级数(直接决定调压精度)、调压绕组数量、调压步长、调压绕组匝数之间关系的方法。由于配电变压器高压侧、低压侧的电压之比与高低压绕组的匝数成正比，因此通过调节高压侧等效绕组，可以调节低压侧的电压到一个合理的范围。配电变压器的调压范围U_H-U_L、调压级数K、调压绕组数量N、调压绕组匝数M是一个互为影响的关系，其中U_H,U_L为高压侧在调节范围内的最高电压和最低电压。比如，高压侧的调压级数K与调压绕组数量N有关，高压侧调压范围U_H-U_L等于调压级数K与调压基本步长Ui的乘积,调压基本步长Ui与调压绕组匝数M有关。

下面首先确定调压级数K与调压绕组数量N的关系：

假设调压绕组个数为N＝3，通过每一个调压绕组对应的开关模块的变换可以实现调压绕组顺串、反串以及短接接入高压绕组，即开关模块的状态与对应调压绕组的接入状态密切相关，每一个开关模块的状态都对应着不同的高压侧总的等效绕组匝数。

为了描述方便，根据公式(1)定义开关模块的状态函数Si：当开关K4断开，位置切换开关K1切至A1-C1导通，位置切换开关K2切至B2-D2导通，此时电流从端子E1经A1-C1-B2-D2流向端子E2，此时相当于该开关模块对应的调压绕组从端子X1端至X2端接入，即调压绕组正向串接入高压绕组，Si＝1；当开关K4导通，电流直接从端子E1经K4流向端子E2，相当于调压绕组被短路时，Si＝0；当开关K4断开，位置切换开关K1切至B1-D1导通，位置切换开关K2切至A2-C2导通，此时电流从端子E1经A2-C2-B1-D1流向端子E2，此时相当于该开关模块对应的调压绕组从端子X2端至X1端接入，即调压绕组反向串接入高压绕组,Si＝-1。

由于每一个调压绕组对应的开关模块都存在三种不同的状态将调压绕组接入，因此为了能表征所有情况，以公式(1)为基础，构建了3个调压绕组的调压状态矩阵，当调压线圈的个数为N＝2时，调压级数的级数为9；如(2)式所示，当调压线圈的个数为N＝3时，调压级数的级数为27；该状态矩阵包括了3个调压绕组的全部可能的接入状态。

从而可知，当调压线圈的个数为N＝4时，调压级数的级数为81；当调压线圈的个数为N时，调压级数的级数为3^N，则N个调压线圈全部可能的接入状态矩阵为：

调压级数K与调压绕组个数N的关系为：

K＝3^N(N＝1，2，3) (4)

调压基本步长：

假设高压侧基本绕组匝数为M₀，高压侧给定电压为U₀，调压基本步长U_i对应的绕组的匝数为M_i:

假定M_i＝0.01M₀，0.01为基础调压倍数；当调压线圈的个数为N＝3时，由于式(4)可知，调压级数对应公式的底数为3，因此不同调压绕组的倍数关系也应为3，三个调压绕组的匝数分别为0.01M₀，0.03M₀，0.09M₀，用矩阵表示调压绕组M与高压侧基本绕组匝数M₀的关系为：

T为对应的系数矩阵，则N个调压线圈的系数矩阵T₀为：

由于高压等效绕组匝数为高压侧基本绕组匝数与接入调压绕组的匝数之和，根据式(2)和(7)可以用矩阵的形式计算出高压绕组的等效绕组匝数，则当调压线圈的个数为N＝3时，高压侧等效绕组匝数Meq为：

从式(8)可知，三个调压绕组矢量的接入高压绕组后，高压侧等效绕组有27个可调级，匝数变化范围为原有高压绕组匝数的87％-113％，即在原有高压匝数的基础上变化-13％-13％，从而配电变压器低压侧输出电压的变化范围也为给定电压的87％-113％。

由于调压配电变压器的调节目标为保持低压侧电压稳定，因此也可以认为在高压侧在给定电压的87％-113％范围内，调压变压器能够保持低压侧电压为恒定给定输出电压。

从本实施案例，我们可看出，当调压范围给定时，只要增加调压绕组的数量，就能增加调压级数，增加调节精度，同时减小基础调压倍数；当调压绕组数量给定时，调压级数也就定了，只要增加基础调压倍数，就能大幅增加调压的范围，这为针对不同需求而开发相应的产品指明了方向。

本实用新型提供了一种在已确定调压绕组数量和匝数的前提下，根据调压变化需求确定调压绕组矢量的投入或退出的逻辑方法及变压器的调压流程。配电变压器自动调压的目的是通过调整高压侧的等效匝数来保持低压侧电压的稳定，因此不同的高压侧电压对应不同的调压等效匝数，调压过程就是不同绕组的投入或退出的过程。

如图8所示，仍以调压绕组的个数N＝3，调压绕组的匝数分别为0.01M₀，0.03M₀，0.09M₀为例来说明变压器的调压逻辑；由式(2)和(8)可知，式(8)中每一个高压侧的等效匝数都对应式(2)中一个调压状态矩阵，来反映不同调压绕组的投入或退出状态，比如式(8)中等效匝数为0.93M₀时，对应的调压状态矩阵为[-1,1,-1]，1.01M₀对应的调压状态矩阵为[1,0,0]；若根据调压需求，对应等效绕组需要从0.93M₀变为1.01M₀时，只需将对应的调压状态矩阵从[-1,1,-1]调为[1,0,0]，对应0.01M₀调压绕组的状态量由-1变为1，即该调压绕组由反向串入状态变为正向串入状态，但由于电子开关支路的短路过渡过程，其实际变换过程为状态量由-1变为0，接着再变为1，即该调压绕组由反向串入状态变为短路状态，接着在变位正向串入状态；对应0.03M₀调压绕组的状态量由1变为0，即该调压绕组由正向串入状态变为短路状态；对应0.09M₀调压绕组的状态量由-1变为0，即该调压绕组由反向串入状态变为短路状态；其先后顺序为从状态矩阵最左侧变量对应的调压绕组先变换状态，依次向右侧变量对应的调压绕组接着变换状态，直到最后一个。

如图9所示，为变压器有载调压过程流程图。其步骤为：首先判断低压侧输出电压与给定电压的差值是否大于低压侧对应的调压步长(该调压步长为高压侧调压步长Ui与变压器变比的比值，如图8示例中，Ui＝0.01*10kV＝100V,那么此时低压侧对应调压步长就为100V/10/0.4＝4V)，如果大于该调压步长，判断当前高压侧各个调压绕组对应的状态矩阵S，根据低压侧当前电压与给定电压的差值，计算将当前低压侧电压调整为给定电压时高压侧各个调压绕组对应的状态矩阵S’；然后判断调压绕组的状态矩阵S和S’对应的第一位(矩阵最左侧位)状态量是否有变化，如果有变化，则根据该状态位的变化形成对应调压绕组的开关控制逻辑，如果没有变化，则继续判断状态矩阵S和S’对应的第二位状态量是否有变化，如果有变化，则根据该状态位的变化形成对应调压绕组的开关控制逻辑，如果没有变化，则继续向右判断下一位，直至最后一位。最后，判断状态矩阵S和S’对比结束后，根据以上形成各个调压绕组的开关控制逻辑，依次动作控制开关，按照从左至右，亦即先调节匝数少的调压绕组，后调节匝数多的调压绕组的顺序，调整各个调压绕组的串接状态，实现调压目的，结束此次调压过程。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。