摘要：介绍两种结构智能型有载调容调压变压器的原理及组成，分析两种结构的技术性能，比较两种结构主要原材料消耗及工时定额。通过计算实例，分析两种结构变压器技术性能和成本指标。为该节能型配电变压器做出推广和运用。
关键字：智能型有载调容调压变压器；技术性能；成本；
0 引言
变压器是电力系统中的主要设备之一，我国变压器自身损耗占全国发电量的3%以上，而降低变压器自身损耗是主要的节能措施，因此我国开发了各种类型的节能变压器。其中就包括智能型有载调容调压变压器，该类型变压器也入选了《国家电网公司重点推广新技术目录(2017版)》。我公司也自主研发了该智能型有载调容调压变压器，该变压器具有大小两个容量档位用来自动调容，并具有有载调压功能。当负荷较轻或接近空载时,变压器在不停电的情况下，自动由大容量调为小容量运行，既大幅度降低了空载损耗，又克服了停电人工操作的麻烦，真正达到节能、智能化目的。该变压器主要应用于负荷呈交替规律变化、平均负荷率低于25%、短时性或季节性负荷波动大、电压越限时间长的配电台区。例如：季节性负荷变化幅度大的农村电网、昼夜负荷变化显著的居民小区、商业区、写字楼、非全日制生产企业、交通路灯等运用场所。
1 工作原理及组成
1.1工作原理
智能型有载调容调压变压器是通过有载调容调压开关，改变高压绕组的星（Y）角（D）接转换和低压绕组的串并联转换来实现有载调容调压如图1所示。在大容量调为小容量时，由于低压匝数增加约倍（实际匝数取整），铁心磁通密度降低约倍，硅钢片单位损耗和磁化容量将大幅降低，空载损耗、空载电流、噪音等也相应大幅降低，最终达到降损节能的目的。变压器在带负荷的状态下，智能控制器通过对变压器低压侧的电流监测来判断当前负荷的大小，并根据容量整定值来判定相关的制约条件，如果满足既定条件就会发出相应的指令给有载调容调压开关，开关会根据指令进行自动地切换分接位置，以及对高压线圈进行星接--角接切换，低压侧串联--并联切换，在不需要停电的情况下完成变压器容量的转化。其次可以对变压器低压侧的电压监测判断当前电压的大小，并根据电压整定值来判定相关的制约条件，改变线圈一次侧匝数来调整原/副边匝数比，在不需要停电的情况下完成有载调压的过程。保证低压侧的电压质量，提高系统功率因数，减少无功消耗。
大容量时连接图
小容量时连接图
图 1 有载调容调压原理图
1.2组成
智能型有载调容调压变压器主要包括器身、油箱、有载调容调压开关、智能控制器。器身及油箱基本类似于普通油浸配变。有载调容调压开关分垂直圆筒式和水平方盒式如图2所示，垂直圆筒式开关布置在器身的一侧，水平方盒式开关布置在器身的顶部。智能型控制器外挂于油箱的侧部。垂直圆筒式开关通过低压侧外部的接线端子，套上相应型号的电流互感器获取电流信号。水平方盒式开关通过低压侧内部与端子连接的引线，套上相应型号的电流互感器获取电流信号，最终电流信号传输至智能型控制器。智能型控制器有手动和自动调容调压两种控制方式，能根据负载大小和电压高低，准确控制有载调容调压开关动作，具备监测运行参数、记录运行数据、指示运行状态、本地通信以及发出闭锁告警信号等功能。并在此基础上扩展了外接 GPRS 或以太网通信模块，具备远程通信以及与智能配电终端间相互通信的功能。
垂直圆筒式结构
水平方盒式结构
图 2 有载调容调压变压器两种结构
2 技术分析
对于智能型有载调容调压变压器，机械行业标准JB/T 10778及国家电网标准Q/GDW 10731等有详细的技术要求，主要技术参数如表1所示。
表 1 S13-M.ZT型有载调容调压变压器的技术参数表
2.1有载调容调压开关的性能
垂直圆筒式有载调容调压开关分型号为SYTXYL，该开关是一种复合式电阻过渡埋入式有载调容分接开关，开关有隔离变压器的单独油室，利用变压器油作绝缘和灭弧介质，其结构简单，体积紧凑，便于用户检修和换油。开关安装于箱盖法兰上，箱盖上为机械传动部分，由单相电机带动二级蜗轮蜗杆做减速传动，利用弹簧“过死点”后释放的能量推动拨槽件由拨槽件推动槽轮，作传动一定角度的运动，完成开关的操作任务。在动触头支架的主动触头和辅助触头之间，由过渡电阻作切换过程中的限流作用；开关的动静触头上镶嵌铜钨合金，使开关的电气寿命满足规定的技术指标。
水平方盒式有载调容调压开关分型号为SZYYMZ，该开关是采用双稳态永磁机构，调容及调压过渡电阻投切开关单独采用快速复位的单稳态弹簧及电动操作机构。直线式传动，无拉簧、拐臂、齿轮等易损件。开关寿命长，结构简单，运行可靠，体积紧凑。采用真空灭弧室灭弧，不污染油质，运行不需滤油。设计有多个主弧触头、串联双断口，灭弧性能更好。低压触头接触面积大，所有触头镀银处理，触头电阻小。独立油室，安装于变压器顶盖，与变压器油隔离。可在杆下密码登录设备，进行数据查看及参数调整等操作。可选配远距离通讯配件，在远方进行数据查看及参数调整等操作。电气寿命可做到与变压器同寿命，寿命期内免维护。
2.2负载损耗
垂直圆筒式有载调容调压开关布置在器身一侧，高、低压引线的长度会增加较多，尤其低压引线的长度增加会导致引线损耗的增加，并且低压引线布置紧靠油箱箱壁，在低压大电流的作用下，引线自身会产生涡流损耗，当引线产生的漏磁通流过油箱等金属构件时也会产生涡流损耗，这些都会导致变压器杂散损耗的增加。从而导致负载损耗性能指标的增加，高压引线由于电流较小，可忽略不计。水平方盒式有载调容调压开关布置在器身顶部，高、低压引线直接向上引至开关相应的接线端子，引线长度很短。所增加的引线损耗、杂散损耗可按常规配变考虑。
变压器的负载损耗包括直流电阻损耗、涡流损耗、不完全换位附加损耗、杂散损耗、引线损耗之和，可按下式计算：
Pk=(IH2·RH+IL2·RL)*(1+Kw %+Kb %+Kzs %)+Py
Pk—负载损耗，W
IH、IL—分别为高、低压绕组的额定电流，A
RH、RL—分别为高、低压绕组的直流电阻，Ω
Kw %—漏磁场中绕组导线的涡流损耗占直流损耗的百分数
Kb %—线圈不完全换位附加损耗占直流损耗的百分数
Kzs %—杂散损耗占直流损耗的百分数
Py—引线损耗，W
在计算负载损耗时，可将除直流电阻损耗以外的损耗折算为一个附加损耗系数Kf %,例如一台S13-M.ZT-400（125）大容量档位时，垂直圆筒式比水平方盒式Kf %约大7%。
2.3绕组直流电阻不平衡率
垂直圆筒式有载调容调压开关布置在器身一侧，低压a、b、c三相的引线长度不一致，靠近开关侧的a相引线长度最短，b相引线长度其次，远离开关的c相引线长度最长，如果引线的截面积单考虑满足低压电流的载流量，则低压绕组直流电阻不平衡率很难满足标准“相电阻不大于4%，线电阻不大于2%”的要求。所以必须加大c相相关引线的截面积，适当减小a相相关引线的截面积。还需要考虑在大容量档位时，低压有两部分绕组（a1-x1与a2-x2）需要并联运行时，两部分直流电阻相差过大，导致绕组内部产生较大的环流。所以必须通过详细的计算和布置，把绕组直流电阻不平衡率控制在标准要求的范围之内。而水平方盒式有载调容调压开关布置在器身顶部，低压a、b、c三相的引线长度很短，而且长度基本相等，所以对该性能指标基本不造成影响。
2.4短路阻抗
变压器的短路阻抗性能，可按下式计算：
Uk %—短路阻抗
Ur %—电阻电压降
Ux %—电抗电压降
Se—额定容量，kVA
f—频率，Hz
I—额定电流，A
N—主分接时总匝数
ΣD—等效漏磁面积，cm2
ρ—洛氏系数
K—附加电抗系数
et—每匝电势，V/匝
Hk—平均电抗高度，cm
注意：其中Hk为低压绕组串并联两部分的平均电抗高度与高压绕组电抗高度的平均值。
该类型变压器低压侧大电流引线要与开关连接，低压侧就会产生引线漏磁场，引线则会产生漏电抗，在设计时附加电抗系数K比常规结构要大很多，例如一台S13-M.ZT-400（125）大容量时附加电抗系数约为1.2左右。所以必须合理布置每一根引线的位置，以及引线之间的距离。保证短路阻抗性能指标在大小两个容量档位时，都能控制在标准要求的范围之内。建议采用同相逆并联的方法，将同一相的并联引线分成电流相等方向相反的两组。两组引线相邻布置，这样两个支路的电流在任何瞬间都是大小相等方向相反，可以大大减低引线的电抗，提高设备的功率因素。其次该类型变压器低压线圈安匝分布是不均匀的，漏磁场的分布与低压线圈的布置及几何尺寸有关系。所以短路阻抗不能按照常规变压器的漏磁场分析，应将串、并联两部分分别分析。进过多台产品的实测数据总结后，例如批量生产的S13-M.ZT-400（125）统计，垂直圆筒式大容量阻抗比小容量阻抗平均大1.5%左右。水平方盒式大容量阻抗比小容量阻抗平均大2.5%左右。如标准为4%的短路阻抗，偏差要求在±10%以内。水平方盒式结构比垂直圆筒式结构的短路阻抗偏差范围稍大一些，在设计时必须要更准确，才能保证大、小容量时的短路阻抗性能都能满足标准的要求。
2.5抗短路能力
垂直圆筒式有载调容调压变压器高、低压引线较复杂，尤其低压引线，引线之间要求绝缘可靠。引线支撑采用优质电工木。保证足够的机械强度，在短路时保证引线的弯曲应力不大于60～80MPa，建议引线支撑之间的相邻支点距离为250～300mm。以保证有足够的抗短路强度。水平方盒式有载调容调压变压器高、低压引线类似于常规变压器，而且引线长度较短，只需使用绝缘材料将低压软连接隔开并板扎牢固，保证其绝缘可靠。我公司生产的两种结构都能经受住短路承受能力试验，并经过第三方测试，验证其结构是合理可行的。
3 成本分析
3.1主要原材料成本分析
垂直圆筒式和水平方盒式智能型有载调容调压变压器的主要原材料的消耗是不一样的，列举S13-M.ZT-400(125)主要原材料见表2所示，按目前硅钢片20元/kg，电磁线、引线54元/kg，油7.5元/kg，油箱9.5元/kg。垂直圆筒式比水平方盒式主要原材料多5610元，这其中不包含两种有载调容调压开关价格，目前市场上两种开关价格基本一样(含智能控制器)。所以开关的价格因素可以不考虑其中。
表 2 S13-M.ZT-400(125)主要原材料表
3.2制造工时成本分析
在变压器的制造过程中，两种结构的绕线工艺基本一样，但高、低压引线装配过程相差很大，垂直圆筒式增加了很多的引线焊接、排线走线、绑扎固定、绝缘包扎等工作量。我们现场测算过，例如S13-M.ZT-400(125)变压器，水平方盒式装配工时定额约90元，垂直圆筒式大约是水平方盒式的3倍。此结构不但增加了人工成本，还影响了产品的交货期。
4 总结
通过两种结构有载调容调压变压器的比较，开关的性能略有差异，但都能满足机械行业标准JB/T 10778及国家电网标准Q/GDW 10731等的技术要求，选择水平方盒式有载调容调压变压器可以降低硅钢片、铜材、油、油箱等有效材料的消耗，而且还提高了变压器的生产效率，有助于该节能型变压器的推广使用。
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作者简介：
管金超(1985-),男, 工程师,长期从事变压器设计、研发、管理工作。
Technology and Cost Analysis of Intelligent Capacity Regulating and Voltage Regulating Transformers
GUAN Jin-chao1, ZHOU Zheng-qi1, LIU Lei 2, YU Ai-mei1
(1.Taizhou Haitian Electrical Manufacturing Co., Ltd., Taizhou, Jiangsu 225300；2.TaiZhou Institute of SCI&TECH NJUST Taizhou, Jiangsu 225300)
Abstract: This paper introduces the principle and composition of two kinds of intelligent Transformer with load capacity regulation, analyzes the technical performance of the two structures, and compares the consumption of the main raw materials and working hours of the two structures. Through calculating examples, the technical performance and cost indexes of two kinds of Transformers are analyzed. To promote and apply the energy-saving distribution Transformer.
Key words: intelligent on load capacity regulation and voltage regulating transformer; technical performance; cost;
论文作者:管金超1,周正琪1,刘磊2,于爱梅1
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：引线论文; 变压器论文; 低压论文; 圆筒论文; 绕组论文; 阻抗论文; 两种论文; 《电力设备》2018年第27期论文;