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配电变压器的有载调容设计 李晓慧 1，2，常文平1，李吉浩3 （1.河南机电高等专科学校，河南 新乡 453002；2.郑州金阳电气有限公司， 河南 郑州 450006；3.河南省电力公司南阳供电公司，河南 南阳 473000） 摘要：设计了一种可实现配电变压器有载调容的控制方案，并进行了瞬时过电压和过电流仿真。 关键词：配电变压器；有载调容；晶闸管；仿真 中图分类号：TM402文献标识码：B文章编号：10018425（2010）11000506 On-Load Power Regulation Design of Distribution Transformer LI Xiao-hui1,2, CHANG Wen-ping1, LI Ji-hao3 （1.Henan Mechanical and Electrical Engineering College, Xinxiang 453002, China; 2.Zhengzhou Jinyang Electrical Co.,Ltd., Zhengzhou 450006, China; 3.Nanyang Electric Power Company, Nanyang 473000, China） Abstract：The control scheme for on-load power regulation of distribution transformer is de- signed. The instantaneous overvoltage and overcurrent is simulated. Key words：Distribution transformer；On-load power regulation；Thyristor；Simulation 1 引言 新S9和S11系列配电变压器与老系列产品相 比，其负载损耗和空载损耗均明显降低。但是农用配 电变压器存在用电旺季和淡季的情况， 全年中用电 旺季约占3个月，几乎满负载运行，其余时间为用电 淡季，负载率约为20%左右。 另外8小时工作制企 业情况也与此类似，工作时间几乎满负载运行，其余 时间负载率很低。 由于配电变压器周期性较长时间 轻载，降低了轻载损耗，因此该类型变压器对节能具 有重要意义。 调容变压器的产生正是基于以上情况， 重载运 行时使变压器工作在全容量， 而轻载时将变压器容 量调小，从而降低轻载时的运行损耗。 现阶段的变压器调容方法有：星-三角转换、绕 组串并联等1，均是在无励磁情况下进行，不能实现 自动化控制， 限制了调容变压器的使用和发展。 因 此，实现配电变压器的有载调容，对调容变压器的推 广应用及节能具有现实意义。 2 有载调容变压器控制设计方案 （1）调容原理。 在轻载时减小铁心中的主磁通， 使单位铁损降低，从而显著降低空载损耗2。 （2）调容方法。 高、低压绕组每相均分为11、 22、33和44四部分，第14部分匝数比例分别为： 3.5:1.5:1.5:3.5， 通过改变第2、3部分22和33绕组 的串并联方式，可实现变压器调容。变压器调容控制 方式如图1所示。 以任一相为例，当负载较重、变压器需采用大容 量时，22和33绕组由串联转换为并联，K1断开， K2、K3闭合；当负载较轻、变压器需采用小容量时， 22和33绕组由并联转换为串联，K2、K3断开，K1 4 41 1 2233 K1 K2 K3 图1变压器调容控制方式 Fig.1Control mode of power regulation in transformer TRANSFORMER 第 47 卷 第 11 期 2010 年 11 月 Vol.47 November No.11 2010 第 47 卷 闭合。 （3）调容开关。 如图2所示，采用晶闸管VT3、 VT4作瞬间动作控制开关， 接触器K3作稳态开 关。高压侧每相用6只晶闸管，三相共18只晶闸 管。 低压侧每相使用3只双向晶闸管，三相共9只。 高压侧和低压侧分别采用3只交流接触器作稳态开 关。 3 有载调容时的瞬时过电压及瞬时过电流分 析及抑制 3.1仿真模型 为了分析各调容开关的瞬时过电压及瞬时过电 流特征， 利用MATLAB搭建Simulink仿真模型，如 图3所示。 （1）变压器模型。 采用simpowersystem中的多绕组变压器模型。 单相，SN=250kVA，U1/U25 774/220V，高、低压绕组 均分成四部分，绕组1（5）、2（6）、3（7）、4（8）匝数比 例均为：3.51.51.53.5， 各部分电阻标幺值分别为： 0.002 56、0.001 1、0.001 1、0.002 56；各部分漏电抗标 幺值分别为：0.007 28、0.003 12、0.003 12、0.007 28； 励磁阻抗标幺值分别为50、50。 （2）开关模型。 采用simpowersystem中的理想开关， 内部电阻 取0.001，初始状态设为0或1；缓冲电阻和电容分 别取10和1F。 变压器高、低压侧分别通过三只 开关切换，实现绕组2与绕组3、绕组6与绕组7的 串并联转换。 （3）开关控制模块。 四只开关控制模块用来控制六只开关切换，通 过改变开关控制模块的参数即可改变调容时刻。 （4）电源模块。 采用50Hz交流电源，幅值为8 164V。 3.2结果及分析 （1）对于负载较重时的情况，高、低压侧串联改 并联，高、低压侧开关同时动作(t1=t2=0.225s，u1=/4) 的情况及负载较轻时，高、低压侧并联改串联，高、低 压侧开关同时动作（t1=t2=0.225s，u1=/4）的情况分 别进行仿真，结果如图4和图5所示。 结果显示，在 VT3 VT4 K3 23 图2调容开关原理图 Fig.2Diagram of power regulation switch i + - + - v 控制开关2 多线圈变压器 控制开关4 m + - v m m2 g1 m2 g1 m2 g1 m2 g 1 2 g 1 2 g1 4 4+ 3 3+ 2 2+ 1 1+5 5 +6 6 +7 7 +8 8 图3有载调容变压器的仿真模型 Fig.3Simulation model of on-load power regulation transformer 6 李晓慧、 常文平、 李吉浩： 配电变压器的有载调容设计第 11 期 任一时刻高、低压侧开关同时动作，高压侧闭合，开 关将会出现数十倍正常值的过电流，低压侧断开开 关会出现数十倍正常值甚至数百倍正常值的过电 压。 （2）对负载较重时，高、低压侧串联改并联，高、 低压侧开关不同时动作（t1=0.2s，t2=0.201 22s，u1=0， i2=0）的情况及负载较轻时，高、低压侧并联改串 联，高、低压侧开关不同时动作（t1=0.2s，t2=0.201 6s， u1=0，i2=0）的情况分别进行仿真，结果如图6和图 7所示。 结果显示，通过控制高、低压侧开关的动作时 刻，可以有效地抑制过电压和过电流。当选择高压侧 开关动作时刻（t1）使得u1=0时，可有效消除高压侧 过电流，高压侧调容开关承受的瞬时电流和电压峰 值分别小于20A和1 500V；当选择低压侧开关动作 时刻（t2）使得i2=0时，可有效消除低压侧过电压， 低压侧调容开关承受的瞬时电流和电压峰值分别小 于400A和50V。 暂态调容开关可采用晶闸管3。 4 有载调容变压器的节能分析 以S9-315/10、S9-1600/10两种配电变压器为 例，其联结组为Yyn0，电压为10kV/0.4kV。假设每相 高、低压绕组均分成四部分，采用绕组串并联。高、低 压绕组不同串并联比例在不同负载下的磁密、 单位 铁损4，5、损耗对比如表1所示。 由表1可以看出，315kVA的小型变压器，在 15%额定负载时功率消耗减少约370W，15%以下额 定负载功率消耗减少更多。按15%以下额定负载年运 -60 -40 -20 0 20 40 60 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 电流/A 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s -200 -150 -100 -50 0 50 电流/A (a)高压侧开关瞬态电流 电压/V 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s -1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500 2 000 电压/V -1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (b)高压侧开关瞬态电压 电流/A -1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s -1 000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1 000 电流/A (c)低压侧开关瞬态电流 -60 -40 -20 0 20 40 60 -2 000 0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 电压/V 电压/V 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (d)低压侧开关瞬态电压 图4高、低压侧串联改并联开关同时动作的仿真结果（t1=t2=0.225s，u1/4） Fig.4Switch synchronous action simulation results (t1=t2=0.225s，u1/4) during converision of HV and LV side from series to parallel 7 第 47 卷 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s -50 0 50 100 150 200 250 电流/A 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 电流/A (a)高压侧开关瞬态电流 -1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500 -1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500 电压/V电压/V 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (b)高压侧开关瞬态电压 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 电流/A -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 电流/A 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (c)低压侧开关瞬态电流 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s -2 000 -1 500 -1 000 -500 0 500 -500 0 500 1 000 1 500 2 000 电压/V 电压/V 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (d)低压侧开关瞬态电压 图5高、低压侧并联改串联开关同时动作的仿真结果（t1=t2=0.225s，u1/4） Fig.5Switch synchronous action simulation results（t1=t2=0.225s，u1/4）during conversion of HV and LV side from parallel to series 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s -60 -40 -20 0 20 40 60 电流/A电流/A -30 -20 -10 0 10 20 30 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (a)高压侧开关瞬态电流 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s -1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500 -1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500 电压/V电压/V 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (b)高压侧开关瞬态电压 8 李晓慧、 常文平、 李吉浩： 配电变压器的有载调容设计第 11 期 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s -1 000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1 000 电流/A -1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500 电流/A 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (c)低压侧开关瞬态电流 -60 -40 -20 0 20 40 60 电压/V -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 电压/V 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (d)低压侧开关瞬态电压 图6高、低压侧串联改并联开关不同时动作的仿真结果（t1=0.2s，t2=0.201 22s，u1=0，i2=0） Fig.6Switch nonsynchronous action simulation results（t1=0.2s，t2=0.201 22s，u1=0，i2=0）during conversion of HV and LV side from series to parallel (b)高压侧开关瞬态电压 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 电压/V -1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500 电压/V -1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (a)高压侧开关瞬态电流 电流/A -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 电流/A 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (d)低压侧开关瞬态电压 50 100 150 200 -600 -400 -200 0 200 400 电流/A -200 -150 -100 -50 0 电流/A 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s 电压/V -2 000 -1 500 -1 000 -500 0 500 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 电压/V 0.20.180.160.140.120.10.080.060.040.020 时间/s (c)低压侧开关瞬态电流 图7高、低压侧并联改串联开关不同时动作的仿真结果（t1=0.2s，t2=0.201 6s，u1=0，i2=0） Fig.7Switch nonsynchronous action simulation results（t1=0.2s，t2=0.201 6s，u1=0，i2=0) during conversion of HV and LV side from parallel to series 9 第 47 卷 行时间9个月计算，年节能2431kWh，约2000元人 民币，10年节能20000元。 设备一次投资约6000元 7 000元，3年4年可收回成本。 5 结束语 本文中笔者提出的采用晶闸管控制的变压器有 载调容方案， 可根据负载情况实现动态调容及自动 控制，克服了无励磁调容人工调节的繁琐，节约了人 力和物力。 该方案可有效抑制调容开关瞬时过电压 和过电流，具有良好的可靠性，一次投资成本低，节 能效果显著，具备实际的应用和推广价值。 参考文献： 1王金丽， 盛万兴.调容变压器仿真分析J.变压器， 2009，46(7):19-23. 2姚志松，姚磊.新型配电变压器结构、原理和应用M. 北京：机械工业出版社出版，2006. 3王云亮.电力电子技术M.北京： 电子工业出版社， 2006. 4张植保.变压器原理与应用M.北京： 化学工业出版 社，2007. 5尹克宁.变压器设计原理M.北京：中国电力出版社， 2003. 表1不同负载下高、低压绕组不同串并联比例时的损耗对比 Table 1Loss comparison of HV and LV windings with different series-parallel ratioes under different loads 容量 /kVA 节能 /W 1 600 369 串并联比例 全部并联 全部并联 3.51.51.53.5 负载率 /% 100 20 高压绕组 串联匝数 367 367 1 268 低压绕组 串联匝数 14 14 48 空载损耗 /W 负载损耗 /W 总损耗 /W 2 32013 97516 295 2 3205592 879 166192358 316全部串联734283272 2362 563 3.51.51.53.5612245921 3981 990889 全部并联 15 367142 3203142 634 3.51.51.53.5612245927861 3781 256 315 全部并联100761296503 4204 070 全部并联 20 76129650136