CN104009485A - 一种电力变压器附加调节电容无功方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力变压器附加调节电容无功方法及其装置，在电力降压变压器每相负荷绕组的首端和离首端的固定匝数处引出的抽头间形成一个固定绕组，另在每相负荷绕组侧附加独立的1～4个调节绕组，采用调节机构将所述调节绕组和固定绕组串联联接起来再和电容器组C和限流电感L串联联结后再接于所述负荷绕组的另一端，组成一个电容无功调节装置。通过调节机构改变调节绕组电压的大小和极性，作用于电容器组C和限流电感L上的电压就是电力变压器附加产生的可控电压，从而调节电容所发出的无功。本发明不产生高次谐波，晶闸管开关等调节元件工作电压低，较之现有技术，减少了一个成本较大的辅助变压器，使电容无功补偿装置占地面积很小，装置成本更低。具体实施考虑了装置故障不影响变压器对负荷供电。

Description

一种电力变压器附加调节电容无功方法及其装置

技术领域

本发明属于产生可控电压源调节电容器组端电压实现电容无功的调节技术，尤其涉及一种电力变压器附加调节电容无功方法及其装置。 

背景技术

无功补偿装置是电力系统广泛应用的一次调节控制装置，它不仅可实现三相或单相无功平衡，进行电网调压、调节功率因素，还可实现三相间无功和有功的任意分配，因而实现“负载对称”和“电源对称”。传统的无功补偿装置——机械开关投切电容器组（MSC）根本不可能完成上述重任。近十年来国内研制发展并正在推广应用多种基于晶闸管控制的动态无功补偿装置，例如晶闸管控制电抗器+滤波器（TCR+FC）、晶闸管过零投切电容器（TSC）、磁控电抗器MCR+MSC、静止无功发生器CTATCOM等。它们响应速度快，能快速频繁调节，对电力系统的调节控制起到了十分显著的作用。 

但这些动态无功补偿装置均存在一定的问题。大都产生高次谐波，为解决此问题，有的回路多，组成设备多；有的结构复杂；有的损耗大 ，因而它们的造价都比较贵，特别是静止无功发生器CTATCOM。它们还有一个最大缺点，作为调节元件的晶闸管都直接承受接入母线的网络电压或2倍网络电压，不仅增加了装置成本，而且装置能直接接入的工作母线电压均受到一定限制（目前最高35KV），也影响了对电力系统的调节控制效果。 

基于发明专利《调节电容无功功率的方法及所用装置》专利号为ZL031358241所实施的并以投入试运行的10KV级晶闸管控制电容的无功补偿装置(TCC)，有效地解决了上述问题，且使装置成本显著下降。但又带来一个新的问题，需要一个独立的辅助变压器，虽然它的容量只及补偿装置容量的三分之一，但该辅助变压器的造价仍然昂贵，要占到整个TCC装置成本的25%左右，且增加占地面积；而电容无功补偿装置，大都紧邻电力变压器（或主变压器）安装，普通的电力变压器都有电压调节装置，在小范围内调节用电设备的端电压。TCC型电容无功补偿装置也属电力变压器的用电设备，它所需的电压调节范围要比普通用电设备的电压调节范围大得多，不能采用电力变压器普通电压调节装置，只能根据TCC装置电容电压调节要求，利用电力变压器，全新设计独立的调压方法，作为可控电压源，调节电容的端电压来调节电容无功，这就是本发明提出的背景。 

发明内容

本发明要解决的技术问题： 提供一种电力变压器附加调节电容的无功方法及其装置，以解决现有晶闸管控制电容的无功补偿装置(TCC)需要一个独立的辅助变压器的问题。该问题是，虽然辅助变压器的容量只及补偿装置容量的三分之一，但它增加占地面积，且接线并不优化，造价较高，要占到整个TCC装置成本的25%左右。 

本发明技术方案：

一种电力变压器附加调节电容无功方法，在电力变压器每相负荷绕组的首端和离首端的固定匝数处引出的抽头间形成一个固定绕组，另在每相负荷绕组侧附加独立的1～4个调节绕组，采用调节机构将所述调节绕组和固定绕组串联联接起来再和电容器组C和限流电感L串联联结后再接于所述负荷绕组的另一端也就是末端，组成一个电容无功调节装置；通过调节机构改变调节绕组电压的大小和极性，作用于电容器组C和限流电感L上的电压就是电力变压器附加产生的可控电压，从而调节电容所发出的无功。

所述电力变压器包括双绕组降压变压器、三绕组降压变压器和自耦降压变压器。 

对于有二个负荷绕组的三绕组降压变压器和自耦降压变压器，所述的附加调节电容无功的方法在其中一个负荷绕组侧进行或在二个负荷绕组侧同时进行。  

所述的调节机构由晶闸管开关通过桥接方式构成、由“电—机”复合开关通过桥接或三开关联接方式构成或由机械开关通过抽头联接或抽头-桥式联接构成。

所述的电容无功调节装置，通过1或2个断路器QF1、QF2并联接在电力变压器负荷绕组的固定绕组抽头和电力变压器负荷绕组的另一端端头之间。 

包括所述断路器在内的整个电容无功调节装置和电力变压器各绕组抽头、端头间的联结均采用隔离插头联接。 

所述的自耦降压变压器为不带电力负荷的双绕组自耦降压变压器时，则负荷绕组即为一次绕组，电容无功调节装置和电力变压器各绕组间的联接采用直接联结，电容无功调节装置和电力变压器构成整体用一个断路器接入电网。 

本发明的有益效果： 

电网的现有无功补偿技术分两大类：一是传统的用机械开关投切电容器组（MSC），它们的特点是：投切电容器组，冲击电流大，不能快速频繁调节，且按组分级，一般4～8级，回路数多，占地面积大，虽然单位容量造价不高，但也不太低；二是现代的动态无功补偿装置，如前述的TCR+FC、MCR+MSC、CTATCOM等，它们的造价都很高，且TCR+FC回路数多，占地面积大；基于发明专利[1]研发的新型动态无功补偿装置——TCC装置，虽然回路少，单位容量造价显著下降，但存在一个辅助变压器，它增加占地面积，且接线并不优化，造价较高，仍占装置成本的25%左右。若果将本发明用于晶闸管控制电容的无功补偿装置，可取消发明[1]TCC装置所需的辅助变压器，单位容量造价要比发明[1]TCC装置约可降低21%，而且占地面极大大縮小

以10KV、6000千乏的国内几种无功补偿装置为例，实际调查了当前国内无功补偿置几种组成设备的价格，对本发明的电容无功补偿装置和国内通用的几种无功补偿装置的造价进行了详细计算，将它们的各项经济性能进行比较，如表1所示。

从表1所示各项经济性能比较看出，发明[1]TCC组成设备总价较之于国内2个典型广泛应用的动态无功补偿装置（TCR+FC，MCR+MSC）低，装置损耗小，占地面积小。而本发明应用的晶闸管控制电容动态无功补偿装置不仅较之于发明[1]TCC, 还较之于目前国内电力系统广泛应用的真空断路器投切电容器组（MSC）造价更低，装置损耗更小，占地面积更小。 

附图说明：

图1为电力变压器为双绕组或三绕组时本发明接线示意图； 

图2为电力变压器为自耦降压变压器时本发明接线示意图；

图3为电力变压器为自耦降压变压器不带负荷时本发明接线示意图；

图4为本发明调节机构采用晶闸管开关时“桥接”接线示意图；

图5为本发明调节机构采用“电—机”复合开关时“桥接”接线示意图；

图6为本发明调节机构采用“电—机”复合开关时“三开关”接线示意图；

图7为本发明调节机构采用每相接线是由2个带多“抽头”的调节绕组串联接线示意图；

图8为本发明调节机构采用只由一个带多个“抽头”的调节绕组接线示意图；

图9为本发明大容量电容无功调节装置和电力变压器内部绕组接线示意图；

图10为本发明实施例AB相接线示意图。

图1中TD代表任一个降压双绕组的结线，A和B是高压一次绕组的端头，a和b是用于接负载的低压负荷绕组的端头。a3是负荷绕组离a端固定匝数处的一个抽头，a和a3构成固定绕组， a1b1、a2b2……是附加的两个（可1个或多个）调节绕组。各绕组的端头电压分别如图中所示。在外部控制器作用下，几个附加调节绕组的等效匝数及极性可通过调节机构来改变，因而它们的合成电压的大小和极性可改变。 

图2中，AX是高压一次绕组，ax是接负载的自耦低压绕组，且a为自耦抽头，aa3为固定绕组，a1x1、a2x2…是附加的两个（可1个或多个）调节绕组。各绕组的端头电压分别如图中所示。同样在外部控制器作用下，几个附加调节绕组的等效匝数及极性可通过调节机构来改变，因而它们的合成电压的大小和极性可改变。 

图3中电力变压器不带负荷，则负荷侧的自耦抽头a即为A，其余接线特征同图2，但绕组端头编号分别为AB、aa3 、a1b1、a2b2，因为这种三相接线均结成三角形。aa3构成固定绕组， a1b1、a2b2……是附加的两个（可1个或多个）调节绕组。同样在外部控制器作用下，几个附加调节绕组的等效匝数及极性可通过调节机构来改变，因而它们的合成电压的大小和极性可改变。 

图4中TK1～TK8表晶闸管开关，它们均由两个（或两串）反向并联的晶闸管构成。它们的通断组合可使二次调节绕组a1b1、a2b2正接、反接或不接，从而改变两个附加绕组的等效匝数，进而改变变比K，以改变装置发出的无功Q_C。 

图5 “桥结”和图4“桥结”作用原理完全一样，但二者开关本体结构不一样。晶闸管开关是由两个或两串反并联晶闸管对构成，而“电—机”复合开关是由小电流晶闸管开关和机械开关并联复合构成。二者晶闸管开关工作方式不相同，复合开关的造价要比纯晶闸管开关低。这种实施方案，适合于频繁调节，但调节的快速性受到制约，因为复合开关内部还有一个动作时序。 

图6 中“三开关”法指每个调节单元只采用三个开关，就可实现该单元调节绕组的“正接”“反接”或“不接”，但每个调节绕组的匝数此“桥结”法增加一倍。此方法既可采用纯晶闸管开关，也可采用“电—机”复合开关。图中TK1～TK6表晶闸管开关，限流电感L接于二调节单元间，当L故障时，可快速闭锁晶闸管开关和断路器QF来切除。 

图7中调节机构为每相结线是由2个带多抽头的调节绕组串联构成，一组x3x2x1a0实现”正极性”联结，另一组x7x6x5a0实现“反极性”联结，x4a0为“不接”。各抽头匝数根据调节要求确定，机械开关QC1～QC7可采用装于变压器内的带负荷调整的分接开关，也可装于变压器外由多个真空泡构成。 

图8中所示调节机构结线只由一个带多个“抽头”的调节绕组组成，调节绕组级性的改变，可采用“桥结”开关来实现。各开关可采用机机械开关或者复合开关；图中FK1～ FK7表复合开关。 

图9中QF1、QF2是接在装置两端的断路器，QSV是隔离插头装置，电容器C和限流电感L分接在调节机构的两端，若电容无功装置容量不是很大，限流电感L勿需专门的保护，QF2也可不用。若采用晶闸管开关装置作调节机构，限流电感L可接在二个调节单元之间（如图6所示），此时，可闭锁晶闸管开关来切断电感L的故障电流。 

图10中的变压器是一个自耦降压变压器，因三相要接成三角形，一次绕组端头为A和B，因变压器不带负荷，自耦抽头a即为一次绕组端头A，原接负载的自耦低压绕组端头a、b就为一次绕组端头A、B，固定绕组aa3实为一次绕组的一部份，调节绕组a1b1、a2b2为二次绕组。 调节机构采用“桥接”晶闸管开关装置。为防止晶闸管开关装置故障电流过大，电容器组C和限流电感L分接在调节机构的两端。整个三相装置用断路器接入电网。 

具体实施方式：

本发明的发明原理：

根据电力变压器绕组不同接线，本发明有两种不同的接线原理。

当电力变压器为双绕组或三绕组接线时，可采用图1所示的原理接线1，图中TD是一个降压变压器的接线，A和B是高压一次绕组的端头，a和b是用于接负载的低压绕组也就是负荷绕组的端头，a₃是负荷绕组a端的一个抽头，aa₃构成固定绕组； a₁b₁、a₂b_2……是附加的两个（可1个或多个）调节绕组；各绕组的端头电压分别如图中所示。在外部控制器作用下，几个附加调节绕组的等效匝数和极性可通过调节机构来改变，因而它们的合成电压U _2H 的大小和极性可改变。这样，负荷绕组ab、固定绕组aa₃、调节绕组a₁b₁、a₂b₂就构成和电容器组C相串联的可控电压源，当忽略装置各回路电阻电抗时，电容器组C所发出的无功： 

……………(1)

式中，Uc——电容器组端电压，Xc——电容器组C的基波容抗，U ₂ ——负荷绕组端电压，U ₂₃ ——固定绕组的端电压，U _2H ——二个调节绕组的等效合成电压。

在控制器作用下，用调节机构来改变U _2H 的大小和极性，就可调节电容无功Qc的大小，合理选择U ₂ 大小和U _2H 调节范围，就可确定Qc调节范围。 

设(——负荷绕组额定电压），当=～时，则的调节范围为， 

～, 即～

式中，=——电容无功装置额定容量，=——最大可控电压与负荷绕组额

定电压比。

当电力变压器为自耦降压变压器时，可采用图2所示的接线原理接线。图2中，AX是高压一次绕组，ax是接负载的自耦低压绕组也就是所述的负荷绕组，且a为自耦抽头，aa₃为固定绕组，a₁x₁、a₂x₂…是两个调节绕组（可1个或多个）。图中调节机构的作用和电压U ₂ 、U ₂₃ 、U _2H 的定义完全同原理接线1，其作用原理完全同图1，电容器无功Qc公式的推证有： 

…………..(2)

通过调节机构改变几个附加调节绕组等效匝数和极性，就可调节U _2H 大小和极性，就可调节Qc大小。同样合理选择U ₂ 大小及U _2H 的调节范围，就可确定Qc的调节范围。

当电力变压器为自耦降压变压器且不带电力负荷时，采用图3所示的原理接线，它的特征是，电力变压器不带负荷，则负荷绕组的自耦抽头a即为A，负荷绕组电压U ₂ ＝一次侧电网电压U ₁ ，根据原理接线1或2的推证，忽略变压器绕组漏抗压降，电容器无功Qc的调节原理公式仍为： 

=…………..(3)

 式中，X _C ——电容器组容抗，U _2H ——二个调节绕组的等效合成电压, ，

—— 一次侧电网电压，且=

通过调节机构改变几个附加调节绕组等效匝数和极性，就可调节U _2H 大小和极性，就可调节和Qc大小。同样合理选择U ₂₃ 大小及U _2H 的调节范围，就可确定Qc的调节范围。

具体实施：

本发明在实施过程中，需要解决二个问题：

A、调节机构的构成及各绕组匝数的配合：

原则上可采用变压器电力电子调压以及“机械开关”调压的各种方法。

1）可采用通用的晶闸管开关多段“桥结”方法（见图4），图4所示调节机构采用通用的晶闸管开关二段（可多段）“桥结”方法来实现，如图中虚线框内所示（下同），图中TK1～TK8表晶闸管开关，它们均由两个或两串反向并联的晶闸管构成；它们的通断组合可使二次调节绕组a1b1、a2b2正接、反接或不接，从而改变两个二次绕组的等效匝数，进而改变变比K，以改变装置发出的无功Q _C ；这种实现方法可快速频繁调节电容无功，属于动态无功补偿范畴。 

2）采用电子——机械开关相组合的“电—机”复合开关构成多段“桥结”法，如图5所示。图5“桥结”和图4“桥结”作用原理完全一样，但二者开关本体结构不一样，工作方式不相同。 “电—机”复合开关的造价要比纯晶闸管开关低，复合开关构成调节机构的实施方法，外部控制完全同晶闸管开关“桥结”，可实现“过零”接入，“过零”断开，接入时冲击电流小，断开时无过电压，可频繁调节，但“通”“断”过程开关内部动作时序较长。这种实施方案，只适合于频繁调节，调节的快速性受到制约。 

3）调节机构用多段“三开关”构成实施： 

调节机构开关采用多段“桥结”法，无非是利用每段的桥结开关的不同组合，实现对该段的调节绕组进行“正接”、“反接”或“不接”，以改变几个调节绕组的等效匝数。为实现这种基本功能，本发明方法的实施也可采用图6的接线方法，它的每个调节绕组的匝数此“桥结”法增加一倍，但只采用三个开关，就可实现该绕组的“正接”“反接”或“不接”，故称为“三开关”法。此方法既可采用纯晶闸管开关，也可采用复合开关。此方法的特点是：开关数要此“桥结”减少25%，但有的开关工作电压要提高一倍，且调节绕组匝数增加一倍。此种方法经济性能并不可取，但在某些特定情况下提供了调节机构实现的灵活性，图中TK1～TK6表晶闸管开关，限流电感L接于二调节单元间，当L故障时，可快速闭锁晶闸管开关和断路器QF来切除。

“桥结”或“三开关”联结，调节绕组匝数比一般近似确定为1：3：9（具体比值按调节要求进行程序优化确定），调节绕组和固定绕组匝数配合由调节范围而定。 

4）调节机构采用纯机械开关、电磁开关构成或者和晶闸管开关混合构成。图7、图8接线构成典型应用例，图7接线每相是2个带多抽头的调节绕组串联构成，一组x₃x₂x₁a₀实现”正极性”联结，另一组x₇x₆x₅a₀实现“反极性”联结，x₄a₀为“不接”。各抽头匝数要根据调节要求确定，机械开关可采用装于变压器内的带负荷调整的分接开关，也可装于变压器外由多个真空泡构成。图8接线只由一个带多个“抽头”的调节绕组组成，调节绕组级性的改变，可采用“桥结”开关来实现。 

上述调节机构的实现方法，只是从技术角度提出，如何选用，要根据无功调节要求，用技术经济比较来确定。 

 B、电容无功装置对主变压器的快速隔离：

本发明的实施，除了上述调节机构的各种实现方法外，还必须解决一个十分重要的实际问题，电力变压器附加产生可控电压来调节电容无功，其电容无功装置的调节机构及有关部件和电力变压器的绕组紧密联接，电容无功装置故障时按要求只能自己停运退出检修，绝不允许停止该电力变压器对负荷的供电。

这一点，电容无功装置具体接线设计时除按常规要求外，本发明还提供下列新措施： 

1）装置两端和电力变压器绕组的联结点要配置断路器，除装置本身投退运行操作外，装置内部故障时也能可靠被切除退运。

2）当采用晶闸管开关作为调节机构元件时，装置故障时保护装置应使晶闸管开关快速闭锁，以快速断开故障电流。合理配置电容无功装置的组成元件的电路联结位置，充分发挥电抗器的限流作用和晶闸管开关的闭锁隔离作用。 

3）包括断路器在内的装置各部件和变压器绕组之间的联结，必须采用隔离插头联结，一旦装置停电，需退出检修，可快速操作隔离插头和电力变压器各绕组隔离。这种隔离插头装置，可仿手车式断路器的隔离插头设计。 

4) 当装置被切除后，一般情况装置调节机构和变压器绕组间不会存在电流，可使装置快速隔离变压器。若遇个别情况，装置调节机构元件（如晶闸管，变压器抽头开关）本身故障造成变压器绕组短接而造成变压器跳闸停电。此时可快速隔离断开装置，恢复主变压器供电； 

图9所示大容量电容无功装置和电力变压器内部绕组联结例，图中QF1、QF2是接在装置两端的断路器，QSV是隔离插头装置，电容器C和限流电感L分接在调节机构的两端，若电容无功装置容量不是很大，限流电感L勿需专门的保护，QF2也可不用。若采用晶闸管开关装置作调节机构，限流电感L可接在二个调节单元之间（如图6 所示），此时，可闭锁晶闸管开关来切断电感L的故障电流。

举例说明：

应用本发明，来构成一个10KV，6000千乏的新型功态无功补偿装置，AB相具体结线见图10，图中的变压器是一个自耦变压器，因三相要接成三角形，一次绕组端头为A和B，因变压器不带负荷，自耦抽头a即为一次绕组端头A，原接负载的自耦低压绕组端头a、b就为一次绕组端头A、B，固定绕组aa₃实为一次绕组的一部份，调节绕组a₁b₁、a₂b₂为二次绕组。 调节机构采用“桥接”晶闸管开关装置。为防止晶闸管开关装置故障电流过大，电容器组C和限流电感L分接在调节机构两边，可起到限制故障电流的作用。

设二个调节绕组a₁b₁、a₂b₂的匝数为W ₂₁ 、W ₂₂ ，固定绕组匝数为W ₂₃ ，若它们的匝数比设计成W ₂₁ :W ₂₂ :W ₂₃ ≈1:3:4，且利用“桥接”晶闸管开关使每个调节绕组“正接”、“反接”或“不接”，则调节绕组和固定绕组合就可构成9个不同的等效匝数，就可构成9个不同的变比K，根据装置无功Qc的调节公式，就可调节9个不同的补偿无功Qc。设自耦变压器一次绕组的匝数为W ₁₁ ，则接在电容器组C和电感L两端的负荷绕组（含固定绕组）对一次绕组的变比： 

式中，、——调节绕组的接线系数， =｛1，0，－1｝，=｛1，0，－1｝，分别表示调节绕组“正接”、“不接”和“反接”。

当二个调节绕组全部“正接”时，==1

 

当二个调节绕组全部“反接”时，==

==0

 若取=0.664，且=～，并取=（忽略回路电抗）, 

则，  =(1-)²=(0.125～1.0)

该装置在=（0.664～0）范围内有9个不同档次的调节分级，动态调节范围（12.5%～100%）Q_N。

参考文献：发明[1]TCC：发明《调节电容无功功率的方法及所用装置》（专利号ZL031358241）。 

Claims (7)

1.一种电力变压器附加调节电容无功方法，其特征在于：在电力变压器每相负荷绕组的首端和离首端的固定匝数处引出的抽头间形成一个固定绕组，另在每相负荷绕组侧附加独立的1～4个调节绕组，采用调节机构将所述调节绕组和固定绕组串联联接起来再和电容器组C和限流电感L串联联结后再接于所述负荷绕组的另一端，组成一个电容无功调节装置；通过调节机构改变每个调节绕组电压的大小和极性，作用于电容器组C和限流电感L上的电压就是电力变压器附加产生的可控电压，从而调节电容所发出的无功。

2.根据权利要求1所述的一种电力变压器附加调节电容无功方法，其特征在于：所述电力变压器包括双绕组降压变压器、三绕组降压变压器和自耦降压变压器。

3.根据权利要求2所述的一种电力变压器附加调节电容无功方法，其特征在于：有二个负荷绕组的三绕组降压变压器和自耦降压变压器，所述的附加调节电容无功的方法是在其中一个负荷绕组侧进行或在二个负荷绕组侧同时进行。

4.根据权利要求1所述的一种电力变压器附加调节电容无功方法，其特征在于：所述的调节机构由晶闸管开关通过桥接方式构成、由“电—机”复合开关通过桥接或三开关联接方式构成或由机械开关通过抽头联接或抽头-桥式联接构成。

5.根据权利要求1所述的一种电力变压器附加调节电容无功方法，其特征在于：所述的电容无功调节装置，通过1或2个断路器并联接在电力变压器负荷绕组的固定绕组抽头和电力变压器负荷绕组的另一端端头之间。

6.根据权利要求5所述的一种电力变压器附加调节电容无功方法，其特征在于：包括所述断路器在内的整个电容无功调节装置和电力变压器各绕组抽头、端头间的联结均采用隔离插头联接。

7.根据权利要求2所述的一种电力变压器附加调节电容无功方法，其特征在于：所述的自耦降压变压器为不带电力负荷的双绕组自耦降压变压器时，则负荷绕组即为一次绕组，电容无功调节装置和电力变压器各绕组间的联接采用直接联结，电容无功调节装置和电力变压器构成整体用一个断路器接入电网。