CN101958195A - 一种变压器无弧有载分接开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器无弧有载分接开关，包括与变压器的绕组连接的至少两个静触头和与出线端子连接的由切换开关驱动电机拖动的动触头，还包括：第一双向开关和第二双向开关，其中，每一个所述静触头的一端分别连接变压器绕组的不同抽头，所述动触头包括一端与出线端子固定连接的第一双向开关、直通触头和第二双向开关，所述动触头的第一双向开关、直通触头和第二双向开关的另一端在移动过程中依次与所述每个静触头连接。本发明的变压器无弧有载分接开关可以实现变压器绕组抽头的无弧切换，且成本低、工作可靠。

Description

一种变压器无弧有载分接开关

技术领域

本发明涉及变压器领域，尤其涉及一种变压器无弧有载分接开关。

背景技术

在现有技术中，运行中的配电变压器，由于一次侧电压(电网电压)、负载大小和性质的变化，二次侧电压可能会有较大的变化。我国配电变压器覆盖35kV以下电压等级，为了使负载电压维持在规定范围(±5％UN)，保证用电设备的正常需要，必须对配电变压器进行调压。

变压器有载调压的基本原理是从变压器某一侧(一般为高压侧)的线圈中引出若干分接头，通过有载分接开关，在不切断负荷电流的情况下，由一个分接头切换至另一分接头，以变换有效匝数，达到调节电压目的。有载调压变压器由二部分构成，一部分是变压器本体，与通常变压器不同的是引出多个抽头，另一部分是有载分接开关，可分别由不同厂家供货再组装获得。

常用变压器有载分接开关有机械式和真空式两大类。机械式有载分接开关有一体式和分体式两种结构。

一体式机械有载分接开关中绕组抽头直接围成一圆形体，每个抽头构成一个静触头。动触头由带过渡电阻的触头和直通触头构成，可采用单过渡电阻、双过渡电阻或多过渡电阻型式，动触头由切换开关驱动电机拖动实现静触头切换。

分体式机械有载分接开关由开关选择器和切换开关构成。开关选择器由两个圆环组成，分别连接单数和双数抽头，由切换开关驱动电机拖动开关选择器动触头分别连通一个抽头，开关选择器两个动触头输出作为切换开关的两个静触头，每个静触头安装过渡电阻，构成双电阻结构，稳态时只有一个触头与输出电缆连接。切换开关的动触头只有一个直通触头，由切换开关驱动电机拖动由一个静触头切换至另一静触头。

真空分接开关一般采用分体式结构，由分接选择器切换绕组抽头。切换开关的静触头分别连接一只真空开关，两静触头之间安装一只过渡真空开关，过渡真空开关与其中一个静触头之间安装过渡电阻。三只真空开关输出有两种结构：固定连接和移动连接。固定连接方式中三只真空开关输出可短接后与绕组固定连接，只通过控制真空开关实现电流在不同抽头转移。移动连接方式采用一个动触头，动触头只有一个直通触头，由切换开关驱动电机拖动由一个静触头切换至另一静触头，移动过程中实时判断动触头位置实现真空开关的断合控制，保证变压器绕组不开路，绕组抽头不短路。

存在的问题有：机械式分接开关在抽头切换过程中产生电弧，引起触头烧蚀；真空分接开关采用固定式结构时断态真空开关一直承受电压，需按系统电压设计，当采用移动式结构时由于真空开关断合时间慢，动触头的运动速度需与之配合，不易控制。

并且，上述分接开关都需要过渡电阻，增加损耗。

目前还有一种全电子式分接开关结构，由晶闸管等电力电子器件构成电子开关，每个变压器绕组抽头连接一只电子开关，通过一定的时序控制实现抽头切换，并且不需要过渡电阻。该方案对电子开关耐压要求高，结构复杂，价格昂贵。

还有一种机电混合式分接开关结构，相当于将机械式分接开关的双过渡电阻分别用反并联的晶闸管代替，通过控制晶闸管的断合与直通触头的移动位置配合实现抽头切换。该方案中由于晶闸管是半控器件，在动触头移动时实现晶闸管通断的时序配合比较困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是使分接开关实现变压器绕组抽头的无弧切换，且成本低、工作可靠。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提出了一种变压器无弧有载分接开关，包括与变压器的绕组连接的至少两个静触头和与出线端子连接的由切换开关驱动电机拖动的动触头，还包括：第一双向开关和第二双向开关，其中，

每一个所述静触头的一端分别连接变压器绕组的不同抽头，所述动触头包括一端与出线端子固定连接的第一双向开关、直通触头和第二双向开关，所述动触头的第一双向开关、直通触头和第二双向开关的另一端在移动过程中依次与所述每个静触头连接。

其中，所述动触头在移动过程中分别处于下述四种状态，第一状态为仅所述直通触头的另一端与其中一个所述静触头连接；第二状态为所述第一双向开关和所述直通触头的另一端均与其中一个所述静触头连接；第三状态为所述第一双向开关和第二双向开关分别与相邻的两个所述静触头连接；第四状态为所述直通触头和所述第二双向开关的另一端均与其中一个所述静触头连接。

其中，所述静触头只包括第一静触头和第二静触头，所述第一静触头连接第一分接选择器的输出端，所述第一分接选择器的多个输入端分别连接变压器绕组的单数抽头，而所述第二静触头连接第二分接选择器，所述第二分接选择器的多个输入端分别连接变压器绕组的双数抽头。

其中，还包括控制模块，用于通过所述切换开关驱动电机对所述动触头进行机械运动的控制、对所述第一双向开关和第二双向开关进行触发控制以及对所述第一分接选择器和所述第二分接选择器进行选择控制。

其中，每一个所述双向开关由第一单向开关和第二单向开关反向串联而成。

其中，所述第一双向开关并联电阻。

其中，所述第二双向开关并联电阻。

其中，每一个所述单向开关为IGBT。

其中，还包括分接选择器驱动电机，所述控制模块包括有载分接开关控制器和切换开关控制器，所述有载分接开关控制器包括第一通讯单元、分接选择器动触头和切换开关动触头控制单元和第二通讯单元，所述第一通讯单元用于接收上位机的控制指令，所述分接选择器动触头和切换开关动触头控制单元用于通过所述切换开关驱动电机控制所述动触头的机械运动并通过分接选择器驱动电机进行所述第一分接选择器和所述第二分接选择器的选择控制，所述第二通讯单元用于向所述切换开关控制器的第三通讯单元发送切换启动信号并从所述切换开关控制器的第三通讯单元接收切换开关状态信号，所述切换开关控制器包括第三通讯单元和触发控制单元，所述触发控制单元用于配合所述机械运动进行所述第一双向开关和第二双向开关的触发控制。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：通过使用双向开关以及对双向开关的触发时序控制，实现了有载分接开关的无弧切换，并且结构简单、工作可靠。

附图说明

图1a为本发明一个实施例的变压器无弧有载分接开关的结构示意图；

图1b为本发明另一个实施例的变压器无弧有载分接开关的结构示意图；

图2为本发明的实施例的控制单元的结构示意图；

图3a、3b、3c、3d和3e本发明的切换开关的动触头移动过程示意图；

图4a、4b、4c和4d是控制单元控制双向开关的每个单向开关的触发时序图；

图5a为具有并联过渡电阻的本发明一个实施例的变压器无弧有载分接开关结构示意图；

图5b为具有并联过渡电阻的本发明的另一个实施例的变压器无弧有载分接开关结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1a所示，为本发明一个实施例的变压器无弧有载分接开关的结构示意图，其包括与变压器的绕组连接的静触头J1、静触头J2以及更多的静触头(未示出)和与出线端子N连接的由切换开关驱动电机拖动的动触头D，动触头D包括一端固定连接于出线端子N的第一双向开关S1、直通触头K和第二双向开关S2，静触头J1、静触头J2以及更多的静触头随着动触头D的移动与位于动触头上的第一双向开关S1、直通触头K和第二双向开关S2依次连接。

如图1b所示，为本发明另一个实施例的变压器无弧有载分接开关的结构示意图，变压器的绕组分接头为J1、J2、J3、J4等，其中单数分接头与第一分接选择器的静触头连接，双数分接头与第二分接选择器的静触头连接。第一选择器的动触头R1经分接选择器驱动电机拖动可与变压器单数某分接头接通，第二选择器的动触头R2经分接选择器驱动电机拖动可与变压器双数某分接头接通。R1和R2又作为切换开关的静触头，切换开关的动触头D在切换开关驱动电机拖动下依次与某个静触头连接。动触头D包括一端与出线端子N固定连接的第一双向开关S1、直通触头K和第二双向开关S2。第一触头R1和第二触头R2随着切换开关驱动电机的运行依次与位于动触头D上的第一双向开关S1、直通触头K和第二双向开关S2连接。

图1a的本发明实施例的变压器无弧有载分接开关为一体式有载分接开关，而图1b的本发明实施例的变压器无弧有载分接开关是分体式分接开关，其特点是包括分接选择器和切换开关两部分，分接选择器在空载时选择抽头，然后由切换开关实现有载切换。分接选择器由两个圆环组成，分别连接单数和双数抽头，由分接选择器驱动电机拖动选择器动触头分别连通一个抽头，分接选择器两个动触头输出作为切换开关的两个静触头，这与常规有载分接开关相同。在1a-1b图中L、N分别代表绕组进线和出线端子；S11、S12、S21至S22表示电力电子开关，其每一只为单向开关，由两只反串联构成双向开关，即第一单向开关S11和第二单向开关S12构成第一双向开关S1，而第三单向开关S21和第四单向开关S22构成第二双向开关S2。

图1a-1b中的第一单向开关S11、第二单向开关S 12、第三单向开关S21和第四单向开关S22可采用IGBT或MOSFET等全控器件，这些器件的特点是正向可承受高电压，反向不承受电压，一般与之反并联一只二极管，构成单向开关。若需双向可控，可将双只单向开关反串联构成双向开关，如图1a-b所示。以第一单向开关S11和第二单向开关S12构成的第一双向开关S1为例，当不施加触发信号时，两只单向开关都处于关断状态，该双向开关处于断态；当第一单向开关S11承受正电压时，向第一单向开关S11施加触发信号，该单向开关与第二单向开关S 12的二极管构成通路，即第一双向开关S1导通；当第二单向开关S12承受正电压时，向第二单向开关S12施加触发信号，该单向开关与第一单向开关S11的二极管构成通路，即第一双向开关S1导通；如果承受正电压的单向开关没有施加触发信号，而向反串联的另一只单向开关施加触发信号，该双向开关也不能导通；当第一单向开关S11和第二单向开关S12同时施加触发信号时，无论电压方向如何，该双向开关处于通态。

图2所示为本发明的控制模块结构示意图。控制模块由有载分接开关控制器、切换开关控制器构成。

有载分接开关控制器包括第一通讯单元、第二通讯单元、分接选择器动触头和切换开关动触头控制单元。其中，第一通讯单元的作用是：与上位机通信，获取上位机发来的动触头调节指令，切换过程结束后回复工作状态；第二通讯单元的作用是：向切换开关控制器的第三通讯单元发送切换启动信号，并从第三通讯单元接收切换开关状态数据；分接选择器动触头和切换开关动触头控制单元的作用是：控制分接选择器驱动电机和切换开关驱动电机的运行，从而使其从初始位置移动至目标位置。

与切换开关就近布置的切换开关控制器包括第三通讯单元、触发控制单元、故障检查和参量计算单元。触发控制单元的作用是：通过第三通讯单元接收到有载分接开关控制器发来的启动指令后，依据一定时序进行双向开关的控制，实现绕组抽头的无弧切换；故障检查和参量计算单元的作用是：判断双向开关的工作状态，有故障时向有载分接开关控制器发送故障信号，并停止切换过程，计算切换开关的电参量，为双向开关的时序控制提供数据。

图1a-1b所示的两种变压器无弧有载分接开关结构，切换开关的动作机理基本相同，都是在一个绕组抽头接通工况下，通过对第一双向开关S1、第二双向开关S2时序控制与机械运动配合，实现绕组抽头的无弧切换，将负荷电流顺利过渡到下一抽头，实现调压目的。分接选择器的工作原理与现有技术的常规有载分接开关部分相同。当分接选择器动作结束后，切换开关开始动作，下面以图1b为例解释切换开关的工作过程。

参考图1b，切换开关有第一静触头R1和第二静触头R2，根据有载分接开关控制器的指令，可以将动触头D由第一静触头R1切换至第二静触头R2，或由第二静触头R2切换至R1。设稳态时动触头D的直通触头K与第一静触头R1连接，负载电流经绕组端L、绕组、分接选择器至第一静触头R1，并经直通触头K连接动触头D至出线电缆N，从而构成电流通路。假设当收到上位机指令由第一静触头R1切换至第二静触头R2时，有载分接开关控制器控制动触头移动的过程如图3a-e所示，为了简化，只示出了切换开关部分。

当动触头D的直通触头K从第一静触头R1位置移动至第二静触头R2位置，机械动作是一个连续过程，所用时间为毫秒数量级。在此移动过程中，第一双向开关S1的第一单向开关S11和第二单向开关S12以及第二双向开关的第三单向开关S21和第四单向开关S22通过一定的时序配合，实现由第一静触头R1至第二静触头R2的无弧切换，电子开关的开关时间在微秒量级，完全可以在机械移动过程中完成切换，原因在于电气过程所需时间远远小于机械动作完成时间。

本发明的变压器无弧有载分接开关实现其无弧切换的关键是，电气切换过程必须在机械过程的不同移动位置时控制双向开关的断合，并且断合过程必须依据一定的时序，以避免负载开路或绕组短路。

参考图3a，第一静触头R1与动触头D的直通触头K的一端连接，并且第一双向开关S1和第二双向开关S2不与任何静触头连接，此时所有四只电子开关都处于关断状态，当收到切换指令后，立即向第一单向开关S11和第二单向开关S12发触发信号，使之导通。

当动触头D移动至图3b位置时，第一双向开关S1和静触头K与第一静触头R1连接，而第二双向开关S2不与任何静触头连接，由于直通触头K电阻小，虽然第一单向开关S11和第二单向开关S12已导通，但是负载电流仍然从直通触头K流过，随着动触头D移动，当移动至图3c位置时，第一静触头R1与直通触头K断开，负载电流转移至第一双向开关S1，此时第一双向开关S1和第一静触头R1连接，第二双向开关S2和第一静触头S2连接，而直通触头K不与任何静触头连接。

当动触头位于图3c位置时，第一双向开关S1和第二双向开关S2搭在第一静触头R1和第二静触头R2之间，此时是切换开关动作的关键环节，在此实现绕组抽头的无弧切换，并避免负荷开路或绕组短路。由于第二双向开关S2处于断态，必然承受第一静触头R1和第二静触头R2之间的绕组电压，当第二静触头R2没有与第二双向开关S2连接时，第二双向开关S2处于浮空状态，开关电压降为零，当动触头D移动到第一双向开关S1和第二双向开关S2分别与第一静触头R1和第二静触头R2都连接时，第二双向开关S2才有电压降，所以通过判断第二双向开关S2是否承受电压作为第二静触头R2与第二双向开关S2连接的判据，从而省去了机械位置判断机构。当切换开关控制模块检测到第二双向开关S2承受电压时，即开始由第一双向开关S1向第二双向开关S2的切换过程，此时需要负载电流的方向数据，设电流从第一静触头R1流向动触头D为正，即电流i＞0，反之为i＜0。根据负载电流方向和切换开关方向(由第一双向开关S1至第二双向开关S2还是由第二双向开关S2至第一双向开关S1)，共有四种工况，如图4所示。

图4a和图4b表示由第一双向开关S1向第二双向开关S2的切换过程，图4c和图4d表示由第二双向开关S2向第一双向开关S1的切换过程，下面以图4a为例解释该切换过程，该工况为电流i＞0，且由第一双向开关S1切向第二双向开关S2。

假设当动触头D处于图3c所示位置时，电流由第一静触头R1经第一双向开关S1流向动触头D，即电流i＞0，电流经第一单向开关S 11开关管和第二单向开关S12的二极管流通，如图4a所示，在t1时刻关断第二单向开关S12，并不影响电流流通；延时一定时间，例如3微秒，保证第二单向开关S12可靠关断；在t2时刻触发第三单向开关S21导通，负载电流转移至第三单向开关S21，并经第四单向开关S22的二极管流通，此时由于第二单向开关S12和第四单向开关S22都不导通，从而保证绕组不短路，负载电流也不断路，延时一定时间至t3，保证第三单向开关S21可靠开通；在t3时刻关断第一单向开关S11，负载电流全部转移至第三单向开关S21上，并延时至t4，保证第一单向开关S11可靠关断；在t4时刻开通S22，使第二双向开关S2完全开通，第一双向开关S1完全关断。

当电流全部转移至第二双向开关S2时，随着动触头D的移动，第一双向开关S1与静触头R1断开时，不会引起负载开路，当继续移动至图3d位置时，动触头D的直通触头K与第二静触头R2连接，同时第二双向开关S2也与第二静触头R2连接，由于直通触头K电阻远小于第二双向开关S2，电流转移至K，当检测到第二双向开关S2电流突然减小至接近零时，即可判断动触头D的直通触头K已与第二静触头R2连通，即可去掉第二双向开关S2触发信号，关断第二双向开关S2。

当动触头D移动至图3e位置时，第一双向开关S1和第二双向开关S2与第一静触头R1和第二静触头R2都断开，只有直通触头K与R2连接，一个切换过程全部完成。

其余三种工况工作原理基本相同，参考图4b-图4d即可理解，不再重复。

图1a-1b所示的本发明实施例的二种新型变压器无弧有载分接开关，可以在每个双向开关上并联一只过渡电阻，相当于在常规机械式有载分接开关的过渡电阻上并联一只双向开关，如图5a-5b所示。这种结构仍然属于本发明内容的保护范围，其控制原理与没有过渡电阻的情况相同，当双向开关故障结果为开路时，仍可以按常规有载分接开关使用。当双向开关故障结果为短路时，若仅有一只双向开关故障，有载分接开关可以采用单过渡电阻使用，并将故障信号上传至有载分接开关控制模块，并停止切换，以免故障扩大；当两只双向开关都故障并且短路时，若断续切换会引起绕组短路，此时应禁止操作。由于两只双向开关同时故障的几率很小，一般当一只双向开关故障时，应及时维修，避免发展至全故障。

上述过程以单相绕组为例解释了本发明的工作原理和基本构成，图1a-1b和图5a-5b所示的结构都可经过简单扩展，便可用于三相结构，三相有载调压变压器的抽头有三相星形中性点抽头、角形接线端部抽头和角形接线中间抽头等结构，无论哪种结构，都不影响本发明的使用。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种变压器无弧有载分接开关，包括与变压器的绕组连接的至少两个静触头和与出线端子连接的由切换开关驱动电机拖动的动触头，其特征在于，还包括：第一双向开关和第二双向开关，其中，

每一个所述静触头的一端分别连接变压器绕组的不同抽头，所述动触头包括一端与出线端子固定连接的第一双向开关、直通触头和第二双向开关，所述动触头的第一双向开关、直通触头和第二双向开关的另一端在移动过程中依次与所述每个静触头连接。

2.如权利要求1所述的变压器无弧有载分接开关，其特征在于，所述动触头在移动过程中分别处于下述四种状态，第一状态为仅所述直通触头的另一端与其中一个所述静触头连接；第二状态为所述第一双向开关和所述直通触头的另一端均与其中一个所述静触头连接；第三状态为所述第一双向开关和第二双向开关分别与相邻的两个所述静触头连接；第四状态为所述直通触头和所述第二双向开关的另一端均与其中一个所述静触头连接。

3.如权利要求2所述的变压器无弧有载分接开关，其特征在于，所述静触头只包括第一静触头和第二静触头，所述第一静触头连接第一分接选择器的输出端，所述第一分接选择器的多个输入端分别连接变压器绕组的单数抽头，而所述第二静触头连接第二分接选择器，所述第二分接选择器的多个输入端分别连接变压器绕组的双数抽头。

4.如权利要求3所述的变压器无弧有载分接开关，其特征在于，还包括控制模块，用于通过所述切换开关驱动电机对所述动触头进行机械运动的控制、对所述第一双向开关和第二双向开关进行触发控制以及对所述第一分接选择器和所述第二分接选择器进行选择控制。

5.如权利要求4所述的变压器无弧有载分接开关，其特征在于，每一个所述双向开关由第一单向开关和第二单向开关反向串联而成。

6.如权利要求5所述的变压器无弧有载分接开关，其特征在于，所述第一双向开关并联电阻。

7.如权利要求6所述的变压器无弧有载分接开关，其特征在于，所述第二双向开关并联电阻。

8.如权利要求7所述的变压器无弧有载分接开关，其特征在于，每一个所述单向开关为IGBT。

9.如权利要求3-8任一项所述的变压器无弧有载分接开关，其特征在于，还包括分接选择器驱动电机，所述控制模块包括有载分接开关控制器和切换开关控制器，所述有载分接开关控制器包括第一通讯单元、分接选择器动触头和切换开关动触头控制单元和第二通讯单元，所述第一通讯单元用于接收上位机的控制指令，所述分接选择器动触头和切换开关动触头控制单元用于通过所述切换开关驱动电机控制所述动触头的机械运动并通过分接选择器驱动电机进行所述第一分接选择器和所述第二分接选择器的选择控制，所述第二通讯单元用于向所述切换开关控制器的第三通讯单元发送切换启动信号并从所述切换开关控制器的第三通讯单元接收切换开关状态信号，所述切换开关控制器包括第三通讯单元和触发控制单元，所述触发控制单元用于配合所述机械运动进行所述第一双向开关和第二双向开关的触发控制。

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