CN105632727A - 变压器有载调压分接开关及有载调压变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变压器有载调压分接开关由分接开关单元和开关控制电路组成，所述的分接开关单元为两个继电器开关触点和对应的触点保护电路组成：两个开关触点的一端与对应的变压器绕组抽头连接，另一端并联后与电源连接两个开关触点保护支路分别是MOS管和二极管与辅助继电器触点串联电路，它们分别与相应的开关触点两端并联，多个这样的分接开关单元并联，即可组成多绕组分接分开关。开关控制电路控制所有的主开关、辅助开关和MOS管按一定的时间顺序动作，完成变压器绕组的切换。本发明的变压器有载调压分接开关与现有的有载调压分接开关比较具有分接速度快、分接时无涌流且电流连续、操作简单可靠性高和体积小、重量轻、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种交流调压设备，特别是一种通过改变变压器初级端绕组匝数改变变压器次级输出电压的有载调压分接开关和带有有载调压分接开关的变压器。
背景技术
电力变压器在运行中，由于进线电压变化或负载的变化会引起输出电压的变化，通过改变电力变压器初级端绕组匝数可以改变次级的输出电压，从而达到调整或稳定电压的目的。使用分接开关改变线圈的匝数，可以达到改变输出电压的目的。变压器的有载调压就是在变压器不断电的正常工作状态下，带负载调节分接开关改变变压器初级的匝数(ON-LOADTAPCHANGING)，这就是有载调压分接开关要完成的任务。目前常用的有载调压分接开关主要还是机械式的，如美国专利USP2374974提供的变压器有载调压分接开关，其基本原理和现在常用的变压器有载调压分接开关没有太大的变化。机械式有载分接开关是将开关触头浸在变压器油中，一般开关的体积很大，并且由于分接开关在动作时会产生电弧，而造成变压器油的变质，所以一般有载调压分接开关需要定期换油，造成运行成本很高。美国专利USP6563723和USP7355369等提出使用电子开关解决分接开关在变压器抽头变化时产生的打火和拉弧的问题，即使用IGBT或晶闸管作为过渡转换开关，但实际工作时电子开关的导通时间要求在几十毫秒以上，所以对电子开关的耐压和电流都提出很高的要求。中国专利CN201410680074.4公开了一种变压器有载调压分接开关及开关控制方法，仅使用了两支二极管作为过渡转换开关，即用二极管实现了IGBT和晶闸管等电子开关的功能，控制电路简单可靠。但这种分接开关在动作时，当两组开关在转换的瞬间，由于无法精确控制辅助继电器的闭合或断开的时间，两组辅助开关回路会产生短路电流，会造成断流或绕组短路的情况，这会在调压绕组上产生涌流缩短开关的寿命。
发明内容
本发明目的是提供一种带有电子式有载调压分接开关的变压器，变压器使用这种无油、非真空技术且没有机械转动机构调压分接开关，使得有载调压变压器的体积和重量大大降低，并且提高了变压器的可靠性，降低了运行成本。使用本发明提供的一种电子式有载调压分接开关的变压器，其外形和体积与普通变压器差不多，电压调整简单方便。这种变压器可以连续、动态的调整电压，并且在开关切换线圈时不会产生电流涌流和绕组短路，开关触点不会打火或拉弧，使变压器在有载调压的工作状态可以稳定的工作，克服了目前现有技术存在的上述不足，是一种理想的有载调压设备。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种变压器有载调压分接开关由分接开关单元和开关控制电路组成，所述的分接开关单元为两个继电器开关触点和对应的触点保护电路组成：两个开关触点的一端与对应的变压器绕组抽头连接，另一端并联后与电源连接，一个开关触点保护支路是MOS管与辅助继电器触点串联电路另一个开关触点保护支路二极管与辅助继电器触点串联电路，它们分别与相应的开关触点两端并联；多个这样的分接开关单元并联，即可组成多绕组分接分开关。
进一步的，所述的开关控制电路由电源、单片机、电流互感器和控制信号接收模块等电路组成；开关控制电路控制所有的主开关、辅助开关和MOS管按一定的时间顺序动作，完成变压器绕组的切换，并保证总有一个开关触点处于闭合状态。
进一步的，所述开关控制电路的电源可以由变压器调压绕组或电流互感器提供。
进一步的，所述主开关和辅助开关可以是磁保持继电器。
进一步的，所述开关控制电路的开关控制信号可以是无线信号。
所述的所述的变压器有载调压分接开关的控制方法，包括以下步骤：
(1)如要完成电源端A与变压器抽头1连接到与抽头2连接的转换，则要完成打开K1并闭合K2：①首先在电流正半周期间闭合K11并使T1进入预备导通状态；②接下来电流负半周期间，打开K1并闭合K21；③接下来的电流正半周期间，使T1截止，打开K11并闭合K2；④之后打开K21即完成了K1打开K2闭合的过程。
(2)如要完成电源端A与变压器抽头2连接回到与抽头1连接的转换，则要打开K2并闭合K1：①首先在电流负半周期间闭合K21；②在接下来电流正半周期间，打开K2并闭合K11；③在接下来的电流负半周期间，在电流由正变负的瞬间是T1导通，之后打开K21并闭合K1；④之后打开K11即完成了K2打开K1闭合的过程。
进一步的，所述有载调压分接开关直接固定安装在变压调压绕组的引出端子上。
进一步的，所述有载调压分接开关安装在有载调压变压器的引出端子里面，变压器调压线圈接到绝缘子的下面
本发明的有益效果为：
提供一种可靠实用的变压器有载调压分接开关，动作时开关触点不产生打火或拉弧，对变压器绕组不会造成短路，绕组切换速度快，真正实现了无涌流、电流连续绕组的切换。由于触点在切换过程中没有损耗和变压器绕组中没有电流突变的的特点，可以让变压有载调压分接开关频繁动作且不会对开关和变压器的寿命有任何的影响。本发明的变压器有载调压分接开关的上述优点，使变压器可以真正实现动态的有载调压，而这是传统变压器有载调压无法实现的。与现有的变压器有载调压分接开关相比本发明的变压器有载调压分接开关还具有体积小、重量轻和成本低的优点。
附图说明
下面根据附图对本发明做进一步详细说明。
图1、本发明的变压器有载调压分接开关的分接开关单元电路原理图；
图2、本发明的变压器有载调压分接开关控制电路原理方框图；
图3、本发明的变压器有载调压分接开关动作顺序示意图之一；
图4、本发明的变压器有载调压分接开关动作顺序示意图之二；
图5、本发明的变压器有载调压分接开关实施例之一；
图6、本发明的变压器有载调压分接开关实施例之一；
图7、本发明的三相变压器有载调压分接开关实施例；
图8、本发明的三相有载调压变压器调压分接开关位置示意图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明一种变压器有载调压分接开关，由分接开关单元和开关控制电路组成，所述的分接开关单元为两个继电器开关触点和对应的触点保护电路组成：两个开关触点的一端与对应的变压器绕组抽头连接，另一端并联后与电源连接，一个开关触点保护支路是MOS管与辅助继电器触点串联电路，另一个开关触点保护支路二极管与辅助继电器触点串联电路，它们分别与相应的开关触点两端并联；多个这样的分接开关单元并联，即可组成多绕组分接分开关。如K1为主开关触点，MOS管T1与辅助开关触点K11串联组成K1的触点保护支路并联在K1两端，B1、D1、C1和R1组成MOS管驱动电路，D11为MOS管T1的保护二极管，在开关动作过程中不起作用；K2为另一个开关触点，二极管D21和辅助继电器触点K21串联组成K2的触点保护支路并联在K2两端。
开关控制电路由电源、单片机、电流互感器和控制信号接收模块等电路组成；开关控制电路控制所有的主开关、辅助开关和MOS管按一定的时间顺序动作，完成变压器绕组的切换，并保证总有一个开关触点处于闭合状态。
图2所示的开关控制电路由电源、单片机、电流互感器和控制信号接收模块等电路组成；电源电路为单片机MCU、主开关继电器和辅助开关继电器提供工作电源，电源电路的电源从调压绕组取得，调压绕组的输出经过降压、整流滤波和稳压后为单片机和继电器供电，10KV变压器的一个调压绕组的电压一般为250V，通过调压绕组取电简单方便，这样可以简化开关控制电路结构并提高电路的可靠性。如果是110KV以上的变压器，每个调压绕组的电压也很高，开关控制电路从调压绕组取电成本会比较高，一般这么高电压的变压器容量都是很大的，一般空载电流也很大，所以可以通过互感器取电。
有载调压分接开关的控制信号可以通过有线的方式直接控制开关控制电路，当母线电压不是很高时，可以采用电信号控制光耦的方式，如果母线电压很高，可采用光纤传输控制信号的办法。本发明提出一种无线传输控制信号的方式，采用无线控制可以容易的解决控制端与有载调压分接开关之间的绝缘和爬电的问题，控制信号接收模块可以采用红外或无线通讯方式，红外通讯简单不易受干扰，但红外通讯要求发射和接收模块之间不能有遮挡，变压器有载调压分接开关由于绝缘和防尘的要求，开关一般需要密封，红外信号容易被屏蔽。而采用超高频无线通讯的方式，可以实现发射模块与接收模块之间无死角的接收与控制，无线接收可以采用蓝牙、Zigbee或Wifi等通讯方式。如此，有载调压分接开关相当于挂在电源母线上的开关组，电源母线通过开关组与不同的负载连接，控制器(图1、图2中未画出)通过无线信号可以控制开关组中不同的开关的闭合和断开，开关控制电路控制所有的主开关、辅助开关和MOS管按一定的时间顺序动作，完成变压器绕组的切换，在开关切换的过程中，要保证总有一个开关触点处于闭合状态，这可以降低开关组的耐压要求。图1实施例中，只画出了2个变压器绕组抽头，n个变压器绕组抽头配合n组开关，可以实现n个抽头变压器的有载调压。
为了保证在变压器不通电时有载调压分接开关的主开关组总有一个开关触点处于闭合状态，主开关使用的继电器可以是磁保持继电器，即使有载调压分接开关在不通电的状态也有一组开关处于闭合状态。另外使用磁保持继电器还可以减少开关控制电路的耗电，这样可以减小变压器有载开关的体积并降低整个分接开关的成本。
下面结合图3和4说明的变压器有载调压分接开关控制方法：
(1)如要完成电源端A与变压器抽头1连接到与抽头2连接的转换(绕组减少)过程，即完成打开K1并闭合K2：①在电流正半周期间(A为正、B为负，t1到t2的期间)，闭合K11并给B1发脉冲，经过二极管D12整流、C1滤波后为T1的导通建立电压；②在接下来的电流负半周期间(A为负、B为正，t2到t3的期间)打开K1并闭合K21，在开关触点K1打开的瞬间MOS管T1导通，由于D21反向偏置，电流从K11和MOS管支路流过；③在接下来电流正半周期间(A为正、B为负，t3到t4的期间)，在电流从负变正的瞬间，停止给B1发脉冲，MOS管T1将截止，二极管D2将立刻导通，在MOS管T1截止、二极管D21导通瞬间，电流从K21和二极管D21的支路流过，通过绕组的电流瞬时从K1支路转到K21支路，转换瞬间电流变大且电流连续变化，之后闭合K2并打开K11，当K2闭合瞬间，电流走K2支路，机械触点开关在闭合时触点会发生抖动，当K2抖动瞬间断开时，二极管D2会立刻导通，电流转为通过K21支路保持电流的连续，K2再闭合时电流又会改走K2支路，反复几次K2稳定闭合；④在接下来的电流负半周期间(A为负、B为正，t3到t4的期间)，打开K21即完成了K1打开K2闭合的过程，由于K2处于闭合状态，K21打开不会产生任何影响。
(2)如要完成电源端A与变压器抽头2连接回到与抽头1连接的转换(绕组增加)过程，即完成打开K2并闭合K1：①首先在电流负半周期间(A为负、B为正，t6到t7的期间)闭合K21；②在接下来电流正半周期间(A为正、B为负，t7到t8的期间)，打开K2并闭合K11，打开关触点K2打开瞬间，二极管D2导通，电流从K21和二极管D2的之路流过，K2触点两端承受的电压为0.7V，故K2断开时不会产生拉弧并且通过绕组的电流不间断；而K11闭合时由于D1处于截止，K11没有电流通过不会打火；在电流由正变负的瞬间，给B1发脉冲，MOS管T1导通有很小的电流通过；③在接下来的电流负半周期间(A为负、B为正，t8到t9的期间)，在电流由负变正的瞬间，二极管D21截止，电流从K21支路转到K11支路，保证通过变压器绕组的电流连续；之后打开K21并闭合K1，当K1闭合时，电流会走K1支路，机械触点开关在闭合时触点会发生抖动，当K1抖动瞬间断开时，MOS管T1会立刻导通，电流转为通过K11支路保持电流的连续，K1再闭合时电流又会改走K1支路，反复几次K1稳定闭合；同时在这电流负半周期间打开K21，由于二极管D2承受方向电压，K21在断开时不会产生拉弧；④之后在接下来电流正半周期间(A为正、B为负，t9到t10的期间)，打开K11即完成了K2打开K1闭合的过程，由于K1处于闭合状态，K11打开不会产生任何影响。
MOS管的作用是在两个主开关转换时提供瞬间的分流支路，用电子开关的控制准确性弥补辅助机械开关的动作时间不确定性，该支路工作在短时间的直流状态，所以用晶闸管或IGBT等其它类似功能的电子器件也可以替代。MOS管的导通时间很短，一般不超过四分之一交流电周期，所以可以充分利用其过流特性。
图1所示为最简单的两个输出端的调压分接开关，两个这样的分接开关单元并联即可组成图3所示的三端调压分接开关，组合过程中省去了一个主开关、一个辅助开关和一个二极管，依照这个原理可以组成具有更多调压端子的分接开关。开关的动作顺序依照图3和图4所述，一般技术人员即可设计，在此不再赘述。
变压器有载调压分接开关的开关组是由多个开关触点组成，如果任意两组开关触点同时闭合，就会造成变压器绕组的短路，这将引起变压器的发热和损耗增加。为了防止由于继电器触点卡住或烧粘引起变压器绕组短路的情况，本发明提出一种如图6所以的变压器有载调压分接开关的电路结构，有载开关的开关组所使用的继电器K1-K5为单刀双掷开关，这就保证所有继电器的触点不论在任何位置，电源A端只能与变压器绕组的一个抽头连接，任意两个变压器抽头之间不会发生短路情况。每组开关由两个开关串联，这是为了提高开关的耐压，上述分析可知，主开关和辅助开关在闭合断开时触点都不承受电压，所以多个开关触点串联在闭合和断开时都不会发生打火或拉弧复燃的情况。在更高等级的有载调压分接开关上，可以使用更多的主开关和辅助开关串联，相应的二极管和MOS管也需多支串联提高耐压。图中主开关辅助保护支路与图1的电路结构类似，变压器绕组抽头变换时开关组动作的动作顺序图3和图4所述的顺序一样，一般技术人员很容易理解，在此不再赘述。
图7是10KV干式变压器使用三相有载调压分接开关的实施例，10KV干式变压器的调压绕组一般在绕组的中部有两组，连接上调压绕组抽头和下调压绕组抽头的位置即可实现调整输出电压的目的，本实施例中调压分接开关也可分为上、下两组，如A调压绕组对应了KA1和KA2为上调压绕组分接开关，KA3、KA4和KA5对应下调压绕组分接开关，改变KA1、KA2和KA3、KA4、KA5的开关触点的组合，即可实现输出电压的调整。变压器绕组抽头变换时开关组动作的动作顺序可参照图3和图4所述原理制定，一般技术人员很容易理解，在此不再赘述。
图8是10KV干式有载调压变压器的有载调压分接开关安装位置示意图，三相的分接开关安装在变压器绕组中部调压引出端子的位置，由于有载调压分接开关体积小重量轻，可以直接与调压绕组引出端子连接，从而大大减小了有载调压变压器的体积。通过操作无线控制器可以控制A相、B相、C相有载调压分接开关的单独动作，当某一相有载调压分接开关接收到动作信号后，将检测电流信号并按照开关动作的时序实现开关的转换，完成电源与绕组的切换，从而达到调整输出电压的目的。
对于工作电压更高的变压器，如110KV以上的变压器，调压绕组的电压可能会超过单只继电器触点的耐压，这种情况下可以采用多支继电器的串联实现高压绕组的切换。使用这种方法理论上可以实现任意高电压的变压器的有载调压，同样可以保证分接开关动作时触点不打火不拉弧且没有电流突变，而使用传统的有载调压技术根本无法实现的。110KV以上的变压器一般为油浸式，本发明的有载调压分接开关可以浸在变压器油中，安装在距离调压线圈引出端子最近的地方，这需要对开关做防油处理。由于本发现提供的有载调压分接开关的体积很小，所以放在变压器地高压引出线的绝缘端子内，变压器调压绕组接到高压绝缘子的下面与有载调压分接开关连接，即可组成有载调压变压器，这种带有有载调压功能的变压器与普通的变压器外形几乎没有区别。
本发明的有载调压分接开关也可以设置在变压器的输出端实现有载调压，其原理与放在变压器输入端的有载调压分接开关是一样的。
使用时，在功能方面：本发明提供的变压器有载调压分接开关在切换变压器绕组时，在变压器绕组中不产生短路电流，变压器的输入电流和输出电流是连续的，这是传统的变压器有载调压分接开关无法实现的，其优点在于不产生变压器的损耗，不造成电源污染。另外，由于开关在动作时不打火、不拉弧，这将大大延长开关的使用寿命，同时也使得变压器有载调压可以实现频繁和动态的调整，这对提高电网的供电质量大有益处。
在节能方面：本本发明提供的变压器有载调压分接开关无需使用外接电源，直接采用电流互感器供电，一组开关的耗电在1W以下，这是传统的有载调压分接开关根本无法相比的。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种变压器有载调压分接开关由分接开关单元和开关控制电路组成，所述的分接开关单元为两个继电器开关触点和对应的触点保护电路组成：两个开关触点的一端与对应的变压器绕组抽头连接，另一端并联后与电源连接，一个开关触点保护支路是MOS管与辅助继电器触点串联电路另一个开关触点保护支路二极管与辅助继电器触点串联电路，它们分别与相应的开关触点两端并联；多个这样的分接开关单元并联即组成多绕组分接分开关。
2.根据权利要求1所述的变压器有载调压分接开关，其特征在于：所述的开关控制电路由电源、单片机、电流互感器和控制信号接收模块等电路组成；开关控制电路控制所有的主开关、辅助开关和MOS管按一定的时间顺序动作，完成变压器绕组的切换，并保证总有一个开关触点处于闭合状态。
3.根据权利要求1所述的变压器有载调压分接开关，其特征在于：所述开关控制电路的电源可以由变压器调压绕组或电流互感器提供。
4.根据权利要求1所述的变压器有载调压分接开关，其特征在于：所述主开关继电器和辅助继电器可以是磁保持继电器。
5.根据权利要求1所述的变压器有载调压分接开关，其特征在于：所述开关控制电路的开关控制信号可以是无线信号。
6.根据权利要求1-5所述的所述的变压器有载调压分接开关的控制方法，包括以下步骤：
(1)如要完成电源端A与变压器抽头1连接到与抽头2连接的转换，则要完成打开K1并闭合K2：①首先在电流正半周期间闭合K11并使T1进入预备导通状态；②接下来电流负半周期间，打开K1并闭合K21；③接下来的电流正半周期间，使T1截止，打开K11并闭合K2；④之后打开K21即完成了K1打开K2闭合的过程。
(2)如要完成电源端A与变压器抽头2连接回到与抽头1连接的转换，则要打开K2并闭合K1：①首先在电流负半周期间闭合K21；②在接下来电流正半周期间，打开K2并闭合K11；③在接下来的电流负半周期间，在电流由正变负的瞬间是T1导通，之后打开K21并闭合K1；④之后打开K11即完成了K2打开K1闭合的过程。
7.根据权利要求1-5所述的所述的有载调压变压器，其特征在于：所述有载调压分接开关直接固定安装在变压调压绕组的引出端子上。
8.根据权利要求1-5所述的所述的有载调压变压器，其特征在于：所述有载调压分接开关安装在有载调压变压器的引出端子里面，变压器调压线圈接到绝缘子的下面。
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