混合式有载分接开关

立项背景需求分析传统的有载调压方法是采用机械有载分接开关，其制造简单、成本低，目前，在国内外电力系统中普遍采用。随着社会的发展和用电量的迅速增长，电网规模不断扩大、电网结构越来越复杂，这种机械有载分接开关己经不能完全满足现代电网的安全和经济运行的要求，而且暴露出难以消除的缺陷：（1）在分接头切换过程中产生电弧，导致机械触头烧损和变压器绝缘油介质极化；（2）分接开关的动作速度慢，调压响应时间长，容易错档、错位，不能进行动态调压，而且故障率高，维护量大；（3）机械开关动作时间具有分散性，使调压时刻无法准确控制，而且在调压过程中可能出现过渡过程，对电网的安全运行带来不利的影响。近年来由有载分接开关故障造成的变压器故障屡屡出现，经统计，分接开关切换过程中切换开关反复拉弧造成主触头烧蚀是造成有载分接开关运行环境劣化，甚至发生故障的主要原因。研究具有低过渡损耗、高寿命的新型结构有载分接开关对于满足高压直流输电以及未来智能电网的新能源接入的调压需求具有现实而深远的意义。目的和意义本课题属于基础性、前瞻性课题，由于有载分接开关是一个涉及众多专业的复杂系统，因此该项目的研究可以带动我院变压器、开关、机械、电力电子、系统等多个专业的发展，对于我院人才队伍的培养具有积极的促进作用。此外，鉴于目前有载分接开关已相对成熟，其原理结构已多年未有显著变化，该项目的研究及推广可引领该领域的产业升级，对于提升我院科技创新能力和增强国内企业的竞争力具有重要意义。二、 可行性分析国内外研究水平的现状和发展趋势(1)国外研究水平的现状和发展趋势有关有载调压的研究最早可追溯到1901年，德国MR公司开始对有载调压分接开关技术进行研究。20世纪初，日本、美国及欧洲的许多国家开始研制和使用有载分接(LTC)开关，当时LTC的容量较小，限流元件有电抗器和电阻两种，其中美国主要以电抗器为主，但随着LTC的容量增大，使用电抗器己不经济，因而逐渐被电阻限流的LTC代替。对于LTC,其关键技术在于不中断负荷电流进行切换、串联多触点切换或多限流电阻分流的顺序切换等办法。20世纪60年代初，人们将真空易于熄弧的原理应用于LTC研究。真空LTC的特点是电寿命长，对介质无污染，熄弧能力强，适合大电流下的切换、触头基本无需维护等。随后美国学者Houch.R.L等人在20世纪70年代末开始将大功率、高电压的电力电子开关技术应用于电力系统。20世纪80年代开始在一些发达国家(例如:美国、德国)开始研制并使用无弧有载调压装置。Siemens-Allis公司的Harlow等提出了另一种基于辅助线圈的有载调压变压器，实现了无弧操作。英国在1990年前后，设计了采用晶闸管的辅助分流的LTC,并不断改进完善。在1997年，美国的DegeneffR.C.提出了利用少量的晶闸管代替部分机械开关来进行调压的一种有载分接开关的新概念。2003年，FaizJ.提出了基于固态继电器的新型有载调压配电变压器的设计。同年，MailahN.F.提出了利用微控制器与全电子开关相结合的一种新的技术。由此电力电子元件作为无触点分接开关对配电变压器进行有载自动调压进入了新的阶段。奥地利伊林有载分接开关公司生产的一种由晶闸管辅助的切换开关(TADS)与分接选择器一起组成的组合式分接开关，用晶闸管作为开关元件来承担电弧触头的功能，在切换过程中开断电流，并与机械触头一起组成切换开关的触头系统。在过去几十年中，新一代电子阀不断出现，切换电压和电流的能力不断提高。文献［1］［2］以一个简洁的方式说明其在变压器调压中的应用潜力。文献［3］第一次提到在电压调节中的应用如何配合，不过提起这种应用的初衷是为了减少机械开关造成的电弧，并不是为了用电力电子器件完全代替机械开关，之后的很多文献也对此种方案进行了进一步研究［4-6］，文献［7］提出了离散周期调制的概念，在该概念的框架下，电力调压的接头的数量可以减少，并且可以达到之前同样数量的电力调压效果，有关有载调压过程中的暂态过程，报道很少。M.FORTI等人主要是以由感性负载(可包含补偿电容)、机械式开关和电力配电网络为主要组成部分的电路为研究对象对电力电源切断感性负载时的暂态情况进行分析。通过对等效电路的分析，解释和说明了当感性负载被切断时电力电源所发生的暂态波动。N.GROVES分别分析了感性负载的断开与闭合时两种不同情况，从而说明开关动作后负载电流及波形的变化特征。国外研究的也都是电流的变化规律，但没有定量的计算，因而也无法根据其结果来确定用作接开关的电力电子元件的电压选择问题。［1］N.G.HingoraniandL.Gyugyi，UnderstandingFACTS.ConceptsandTechnologyofFlexibleACTransmissionSystems.Piscataway，NJ:IEEEPress，2000.［2］CIGRE，WorkingGroupB4.35，“Thyristorcontrolledvoltageregulators”Feb.2004.[3]M.E.RobertandW.G.Ashman，“Athyristorassistedmechanicalon-loadtap-changer,”Proc.Inst.Elect.Eng.,PowerThyristorsTheirApplications,pp.185—192,1969.G.H.CookeandK.T.Williams,“Thyristorassistedon-loadtap-changersfortransformers,”inProc.4thInt.Conf.PowerElectron.Variable-SpeedDrives,Jul.1990,pp.127-131.R.Shuttleworth,X.Tian,C.Fan,andA.Power,“Newtapchangingscheme,”Proc.Inst.Elect.Eng.,Elect.PowerAppl.,vol.143,no.1,pp.108-112,Jan.1996.O.Demirci，F.K.Shaeffer，andR.H.Frazer，“Anewapproachtosolid-stateonloadtapchangingtransformers，”IEEETrans.PowerDel.，vol.13，no.3，pp.952-961，Jul.1998.Faiz,J.,Siahkolah,B．2003．Newsolid-stateonloadtap-changerstopologyfordistributiontransformers.IEEETransactionsonPowerDelivery.⑴136-141DegeneffR.C.．1997．ANewConceptforaSolid-stateOn-loadTapChangers.ElectricityDistribution.Part1：Contributions.CIRED.14thInternationalConferenceandExhibitionon(IEEEConf.Pub1.NO.438).1~4AntonioGmezExpsito, “Solid-StateTapChangers:NewConfigurationsandApplications”IEEETRANSACTIONSONPOWERDELIVERY,VOL.22,NO.4,,pp.2228-2235,OCT.2007.Go6mezExpo6sitoA.,"Bachiller-Soler,A.ALabSetupIllustratingThyristor-AssistedUnder-LoadTapChangers”PowerSystems,IEEETransactionson,VOL.25,NO.3,pp.1203-1210,Aug.2010.Brewin,B.O.；Jupe,S.C.E.；Bartlett,M.G.；Jackson,K.T.；Hanmer,C.,“Newtechnologiesforlowvoltagedistributionnetworks”IEEEPESInternationalConferenceandExhibitionon,pp.1-8,Dec,2011.ZhaoYulin,SunMeng,DongShoutian,SongWei,“ResearchonMechanismofoverCurrentWhenNon-contactOn-loadTapChangerRegulatingVoltage”2012InternationalConferenceonFutureEnergy,Environment,andMaterials,,pp.2228-2235.(2)国内研究水平的现状和发展趋势国内变压器主要有两种型式：无载(无励磁)调压变压器和有载调压变压器。20世纪50年代，上海电机厂制造出35kV电压等级的5000kVA有载调压变压器，随后沈阳变压器厂制造出110kV电压等级31500kVA有载调压变压器，这些有载调压变压器所采用的都是年代陈旧的电感式分接开关，切换过渡时循环电流的功率因数较低，切换开关电弧触头的电寿命较短；又由于使用了电抗器，使变压器的体积增大，制造成本较高，技术经济指标落后。1958年，由沈阳变压器厂制造出我国第一台电阻式套管型的分接开关，但结构复杂，难以保证质量，所以逐步被淘汰。1970年前后，上海电力制造厂制造出35kV电压等级简易型复合式分接开关。同时，沈阳变压器厂研制出SYXZ400/110、西安变压器厂研制出C型、D型埋入型电阻过渡的分接开关，其技术指标远远高于电感式结构的分接开关。20世纪70年代初，国内组建了分接开关专业生产骨干企业遵义长征电器一厂，并于1984年引进德国MR公司分接开关制造技术，后期通过技术合作或仿制制造出M型、V型有载分接开关。以上有载分接开关切换时都有电弧的产生。因此出现了用真空开关代替有载调压变压器的机械分接开关，以达到削弱触头上的电弧。1987年沈阳变压器厂研制了一种空气型真空有载分接开关，它用空气作为绝缘、冷却介质，具有不燃烧和防爆的功能，能满足干式变压器的有载调压，快速切换系统采用铁基粉末含油轴套作为轴承，三相用一个电流互感器在中性点处检测分接头间短路电流，开关本体、电动操作机构和变压器轴向并列布置，整体结构紧凑，占地面积小，适合于室内设置。20世纪80年代后期，有触点的有载自动调压变压器进入成熟阶段。1994年底，黑龙江双城市机电技术开发有限公司研制了第一台箱式直线运动的有载分接开关及第二代产品，更加带动了有载自动调压分接开关的发展。随着电力电子元件发展，利用电力电子元件研制有载分接开关已是大势所趋。采用电力电子器件，用于电力变压器的有载调压，切换时不发生线圈短路和电压突降现象；由于采用等电位切换，不产生火花和电弧；结构简单、制造容易、成本低。目前国内的主流研究趋势是应用固态继电器作为无触点开关，这种开关没有机械部分的存在，所以可以频繁操作并且没有伴随电弧的产生，进一步说明了电力电子技术应用于有载自动调压分接开关的可行性。此装置的优点是稳定性好，使用寿命长，冲击电流小，可频繁操作，无电弧产生，结构简单，可直接放在变压器油枕中。1997年何瑞文提出了用反并联的普通晶闸管构成无触点的静止有载分接开关，实现变压器有载自动调压的设计思想，并提出了选择作为开关的电力电子元件应注意的问题。2002年贵州工业大学朱国荣，李民族提出了配电变压器的晶闸管串联调压方法。该调压装置完全取消机械结构，反应迅速，调节快，可频繁调节，主变压器无分接头，切换时无电弧产生。但该方法需要辅助变压器，造价高，不便于在成本较低的配电变压器中推广。2003年吕艳玲，赵玉林提出了一种应用固态继电器作为分接开关的配电变压器自动稳压装置的结构和自动调节原理。同年武汉大学李晓明教授介绍了采用双反并联晶闸管作为分接开关的35KV变压器有载自动调压的接线和实验室模拟实验结果。2006年中国电科院王金丽、徐腊元也提出了应用晶闸管反并联实现配电变压器有载调压的实验方案，并通过模型实验，验证调压时二次能够连续供电，但没有对调压过程中一次侧调压绕组的电磁过程进行详细的研究。目前国内应用电力电子元件作为配电变压器无触点分接开关实现有载调压还处于理论研究阶段，还没有关于在电力系统实际中应用的报道。关于调压过程中，高压侧调节回路的电压电流暂态过程的文献极少。2006年赵玉林、董守田经过理论研究和实验验证，发现采用过零触发进行有载调压，当调压方向不同时，调节回路电流的产生机理是不同的。当将输出电压由低向高调整时，必须经过过渡限流回路才能实现，而向相反方向调整时可以进行直接变换。2009年武汉大学黄俊杰，李晓明应用MATLAB对一台虚拟的单相变压器在带cos0=O.负荷情况下，在最佳时刻进行变换分接头，调压过程中高压侧调节绕组的电流进行了仿真研究，表明一次电流平滑过渡，没有冲击。但这篇论文仅仅是进行了电流仿真，但没有考虑电压的变化和功率因数再低的情况，仿真结果没有得到实际样机的验证。而本研究是采用实测与理论分析相结合，因而结果更真实，同时是考虑电压过零触发，电流过零关断的这种能保证输出电压波形无畸变的触发方式的情况下电压电流过渡过程，所以意义更大。年，蔡博等人提出利用全电力电子式有载分接开关的调压原理，以接入调压绕组为例，分别做了在电流过零点前、电流过零点时和电流过零后导通晶闸管分接开关的有载调压实验，得出在电流过零点时通过导通晶闸管分接开关来消除冲击电流为最优方案。年，付岩在论文中设计了一种有载调压分接开关，采用过零型固态继电器SSR为执行机构，控制系统根据所监测的电压值与设定的基准值相比较后，经触发电路发出触发信号给SSR，来实现分接开关的自动切换，进而实现变压器二次侧电压基本稳定的目的，起到了有载自动调压的功能。姚志松，姚磊.2003•有载分接开关实用手册•中国电力出版社：北京，46〜49张德明.2001•有载分接开关国内现状及其发展动向.变压器，37(1):36〜39骆平，刘清澄.2003•无弧切换的有载调压变压器•中国电力，（36）:21〜23何瑞文.1997.晶闸管静止自动有载调压的研究.广东自动化与信息工程，18（1）:11〜15吕艳玲，赵玉林，徐建华等.2003.基于固态继电器的配电变压器自动稳压装置.电力系统自动化，（24）:74〜77李晓明，黄俊，尹相根等.2003.平滑无冲击电力电子有载调压装置.电力系统自动化，27（24）:74〜76王金丽，李金元，徐腊元.2006.大功率电力电子开关用于配电变压器无弧有载调压技术.电力系统自动化，30（15）:97〜102朱志莹，孙玉坤，阮浩.2009.无触点无级有载调压装置控制系统设计.变压器，41（1）:45〜47陈敏.2009•关于电力电子有载调压分接开关的探讨[J].工业技术，（3）:97〜98.张品秀.2009.基于晶闸管的有载自动调压分接开关的研究.东北农业大学硕士论文，19〜26蔡博，崔学深，陈晓.2010.无触点有载调压过渡过程中无冲击电流的研究[J].电工电气，（1）:1〜4付岩.2011.无触点有载自动调压配电变压器关键技术的研究.东北农业大学三、 项目研究内容研究内容统计近年来有载分接开关运行情况、故障类型按照电压等级、变压器类型等维度统计近年来变压器有载分接开关的动作频度，统计变压器有载分接开关各部分的故障概率。分析近年来新型变压器有载分接开关工作原理根据近年来变压器有载分接开关的发展趋势，归纳新型变压器有载分接开关所采用的技术路线，分析新型变压器有载分接开关的工作原理。探索显著降低过渡损耗的混合式有载分接开关技术路线，提出具有低过渡损耗、高可靠性的新型变压器有载分接开关工作原理针对不同工作原理的新型有载分接开关，分别分析其优缺点，指出其适用环境；探索显著降低过渡损耗的混合式有载分接开关技术路线，并通过仿真分析完成模型验证，提出具有低过渡损耗、高可靠性