CN109921428B

CN109921428B - 一种三相电抗器励磁有载调压系统

Info

Publication number: CN109921428B
Application number: CN201910274385.3A
Authority: CN
Inventors: 张江; 杲其盛
Original assignee: Shanghai Guoqi Energy Co ltd
Current assignee: Shanghai Guoqi Energy Co ltd
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2039-04-08
Also published as: CN109921428A

Abstract

本发明提出了一种三相电抗器励磁有载调压系统，包括三相电抗器和有载调压电路单元；三相电抗器包括主电感绕组和励磁绕组；有载调压电路单元包括一降压交流接触器、升压交流接触器、两个端子交流接触器、续流接触器单元和旁路短接单元；主电感绕组串联在负载和电网之间；励磁绕组与旁路短接单元、续流接触器单元分别并联；降压交流接触器分别与主电感绕组的尾端、励磁绕组的首端连通；升压交流接触器分别与主电感绕组的首端、励磁绕组的尾端连通；端子交流接触器分别短接在励磁绕组的首端和尾端。本发明在电网和负载之间串联三相电抗器励磁有载调压，实现了有载调压，不需要电力变压器具有分接绕组及有载分接开关。

Description

一种三相电抗器励磁有载调压系统

技术领域

本发明属于低压变电和配电领域，尤其涉及一种三相电抗器励磁有载调压系统。

背景技术

目前，电力系统主要采用分接开关调节变压器绕组抽头进行无载调压或有载调压。由于变压器的无载调压操作需要变压器断电，造成用电设备停电，这种方式不常用，所以会采用变压器加分接开关有载调压方式调压。有载分接开关称为：OLTC，可带负载调节变压器一次绕组或二次绕组抽头，通过改变变压器一次绕组和二次绕组的电压比实现电压调节。

但上述有载分接开关在工作过程中存在以下缺陷：1)需要多个过渡电阻维持分接过程的负载电流，过渡电阻既要承受变压器分接端压差环流，还要承受负载电流，所以过渡电阻功率很大；2)过渡电阻需要集成在分接开关总成中，考虑散热和绝缘的要求，使得安装难度增大；3)由于电阻引线受电磁力的作用以及高电压大电流的作用，较容易出现击穿或开路，发生分接过程断流、产生高压电弧，引起分接开关损坏，造成停电，而有载分接开关的维修难度大、耗时又多，所以造成的损失很大；4)有载调压分接开关寿命较短，定期维护保养的技术要求很高，有统计说明，分接开关故障占变压器故障率20％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三相电抗器励磁有载调压系统，依据电磁学理论，利用电抗器的自感电势来调节输出电压，并最终实现三相自动有载调压，解决了现有技术中由于依赖于变压器的分接绕组，以及由此派生的分接开关而造成的上述技术问题。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种三相电抗器励磁有载调压系统，包括三相电抗器和有载调压电路单元；所述三相电抗器包括主电感绕组和励磁绕组；所述有载调压电路单元包括一降压交流接触器、升压交流接触器、两个端子交流接触器、续流接触器单元和旁路短接单元；

所述主电感绕组串联在负载和电网之间；所述励磁绕组与所述旁路短接单元、续流接触器单元分别并联；所述续流接触器单元在所述端子交流接触器切换的过程中，先于所述端子交流接触器闭合，然后在所述端子交流接触器完成切换后，再断开；

所述降压交流接触器分别与所述主电感绕组的尾端、励磁绕组的首端连通；

所述升压交流接触器分别与所述主电感绕组的首端、励磁绕组的尾端连通；

所述端子交流接触器分别短接在所述励磁绕组的首端和尾端；

升压状态时，所述降压交流接触器、励磁绕组尾端的端子交流接触器断开；所述升压交流接触器闭合、励磁绕组首端的端子交流接触器闭合以连通励磁回路；

降压状态时，所述升压交流接触器、励磁绕组首端的端子交流接触器断开；所述降压交流接触器闭合、励磁绕组尾端的端子交流接触器闭合以连通励磁回路。

优选地，所述励磁绕组包括依次串联的第一绕组、第二绕组和第三绕组；

所述第二绕组首端连通所述第一绕组的尾端；所述第二绕组的尾端连通所述第三绕组的首端；

所述第一绕组的尾端、第二绕组的尾端分别串联一端子交流接触器。

优选地，所述升压状态包括第一升压工况、第二升压工况和第三升压工况；

其中，第一升压工况时，所述升压交流接触器、位于所述励磁绕组首端的端子交流接触器闭合；

第二升压工况时，所述升压交流接触器、位于第一绕组的尾端的端子交流接触器闭合；

第三升压工况时，所述升压交流接触器、位于第二绕组的尾端的端子交流接触器闭合。

优选地，第一升压工况时，输出电压等于103％输入电压；第二升压工况时，输出电压等于105％输入电压；第三升压工况时，输出电压等于107％输入电压。

优选地，所述降压状态包括第一降压工况、第二降压工况和第三降压工况；

其中，第一降压工况时，所述降压交流接触器、位于所述励磁绕组尾端的端子交流接触器闭合；

第二降压工况时，所述降压交流接触器、位于第二绕组尾端的端子交流接触器闭合；

第三降压工况时，所述降压交流接触器、位于第一绕组尾端的端子交流接触器闭合。

优选地，所述续流接触器单元包括续流交流接触器和与所述续流交流接触器串联的续流电阻。

优选地，进一步包括一断路器；所述断路器与所述续流交流接触器串联；所述断路器闭合处于常闭状态；当进行升压转换和降压转换时，所述续流交流接触器闭合。

优选地，所述旁路短接单元包括两只常闭型接触器；所述常闭型接触器并联接在所述励磁绕组的首端和尾端；所述常闭型接触器包括4个常闭触点；2只所述常闭型接触器重复连接三相电路中的一相。

优选地，进一步包括一旁路检修单元；所述旁路检修单元为一手操断路器；所述手操断路器短接并联在所述励磁绕组的两端；所述旁路短接单元失电断开后，所述手操断路器闭合以将所述励磁绕组短接。

优选地，进一步包括三相交流互感器；所述三相交流互感器串联在所述电网和主电感绕组之间。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1)在电网和负载之间串联三相电抗器励磁有载调压，通过有载调压电路单元和控制单元调节三相电抗器励磁电压，在电源上叠加可调电势，实现有载调压，不需要电力变压器具有分接绕组及有载分接开关。

2)在出现故障时，旁路检修单元可以快速恢复供电；

3)不停止供电的情况下对一些故障进行维修。

附图说明

图1为现有技术中OLTC变压器有载调压方框图；

图2为本发明一实施例的三相电抗器励磁有载调压系统的工作状态图；

图3为本发明一实施例的三相电抗器励磁有载调压系统的电气原理图。

其中，1三相电源输入端，2-三相电流互感器，3-主电感绕组，4-第一绕组，5-第二绕组，6-第三绕组，7-有载调压电路单元，8-调压输出端，9-续流接触器单元，10-降压交流接触器，11-旁路短接单元，12-专用试验端子，13-升压交流接触器，14-旁路检修单元，15-OLTC变压器分接开关，16-三相电抗器励磁有载调压系统，17-电力变压器。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的三相电抗器励磁有载调压系统进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1所示，传统OLTC变压器有载调压方式是将OLTC变压器分接开关15放置在电力变压器的高压绕组侧，通过有载分接开关切换电力变压器17的高压绕组分接端进行电压比调节。U_out表示输出电压，U_in表示输入电压，Nm表示高压输入绕组基础匝数，Ku表示OLTC有载分接开关的调节系数，N₁表示高压输入绕组实际匝数，N₂表示变压器副边低压输入绕组匝数。电压关系式：N₁＝N_m*K_u；U_out＝U_in*N₂/N₁，调节K_u可以控制U_out。OLTC调压方式为：通过分接开关调节变压器匝数比已达到调节电压的目的，调压过程的开关和过渡电阻直接串联在电网和负载间。为了能实现有载调压，通过有载分接开关的操作先连接过渡电阻，让过渡电阻短时承担匝间环流和全部负载电流，再接通变压器的目标分接端，最后再断开过渡电阻的方式完成有载调压。

如图2所示，本发明是在电网和负载之间串联三相电抗器励磁有载调压系统16进行三相电抗器励磁有载调压，通过调节三相电抗器励磁电压，在电源上叠加可调电势，实现有载调压，不需要电力变压器具有分接绕组及有载分接开关。U_out表示输出电压，U_in表示输入电压，Δe表示三相电抗器可调励磁形成的自感电势，Δe的幅值和极性可调。电压关系式：U_out＝U_in+Δe，调节Δe可以改变U_out。由于励磁绕组的电源电压可单独设计，方便器件选型，同时三相电抗器需要产生的Δe只有电网电压的7％，所以电抗器容量和励磁绕组及励磁回路的控制器件工作电压低、电流小。

如图3所示，上述三相电抗器励磁有载调压系统的具体结构如下：包括三相电抗器和有载调压电路单元7；三相电抗器包括主电感绕组3和励磁绕组；主电感绕组3串联在负载和电网之间；另外在电抗器铁芯上加装、上述励磁绕组，在励磁绕组上加载同频同相电压，通过切换励磁绕组首端和尾端的电流方向来改变极性，主电感绕组3上得到相应的自感电势(Δe)，电网的电源电压(U_in)叠加自感电势(Δe)后变为U_out供电到负载，即：U_in+Δe＝U_out；考虑到方案的可实施性及今后的产品设计便利，在本实施例中，把电网电源直接作为励磁电源使用，这样便于交流接触器的电压选型、便于三相电抗器的设计。作为励磁电源，可以选择三相0.4KV电源，也可以选择三相0.66KV或1.140KV，这些电压等级都属于低压电源，同时也有相适应的交流接触器配套，所以，励磁电源是可以直接取自电网，也可以通过一个小容量三相电源变压器升压取得。这样可以方便设计选型。有载调压电路单元7包括一降压交流接触器10、升压交流接触器13、两个端子交流接触器、续流接触器单元9和旁路短接单元11；降压交流接触器10、升压交流接触器13、两个端子交流接触器KM1、KM4的作用是将励磁电压分送到不同的励磁绕组抽头上来调节励磁磁通；旁路短接单元11、续流接触器单元9分别与励磁绕组并联；续流接触器单元9在端子交流接触器切换的过程中，续流接触器单元9先于所述端子交流接触器闭合，然后在端子交流接触器完成切换后，再断开续流接触器单元9。在有载调压过程中，必须保持三相电抗器励磁绕组的主磁通受控，所以接触器在切换励磁绕组电源的过程中，续流接触器单元9的作用是保证励磁绕组不断流；旁路短接单元11的作用是：如果主电感绕组3上有电流流过，此时励磁绕组必须有相应的电流以抑制磁通，否则励磁绕组会成为升压绕组，所以需要选择旁路短接单元11将励磁绕组首尾短接，保持励磁绕组为一通路；降压交流接触器10(KM01)分别与主电感绕组3的尾端、励磁绕组的首端连通；升压交流接触器13(KM02)分别与主电感绕组3的首端、励磁绕组的尾端连通；端子交流接触器KM1、KM4分别串联短接在励磁绕组的首端和尾端；升压状态时，降压交流接触器10(KM01)断开，将升压交流接触器13(KM02)闭合、励磁绕组首端的端子交流接触器KM4闭合以连通励磁回路，将励磁电源由励磁绕组的尾端送入，可以实现电压提升，降压状态时，升压交流接触器13(KM02)断开，降压交流接触器10(KM01)闭合、励磁绕组尾端的端子交流接触器KM1闭合以实现连通励磁回路，将励磁电源由励磁绕组的首端送入，可以实现电压降低。

在本实施例中，励磁绕组进一步设计为三段，包括依次串联的第一绕组4、第二绕组5和第三绕组6；第二绕组5首端连通第一绕组4的尾端；第二绕组5的尾端连通第三绕组6的首端；第一绕组4的尾端、第二绕组5的尾端分别串联一端子交流接触器KM3、KM2；即三相电抗器中每相励磁绕组设计三个抽头，加上首尾两个端头，各相励磁绕组共有4个端头，三相共12个端头。这部分控制选择四个端子交流接触器，这四个端子交流接触器的元件标识符为KM1、KM2、KM3、KM4。

在本实施例中，主电感绕组3的绕组标幺值匝数为1，主电感绕组3端子编号A～a、B～b、C～c同名端头端“*”设计在绕组A、B、C一侧；第一绕组4的组标幺值匝数为13.28，第一绕组4端子编号x4～x3、y4～y3、z4～z3同名端头端“*”设计在绕组x4、y4、z4一侧；第二绕组5的绕组标幺值匝数为5.72，第二绕组5的端子编号x3～x2、y3～y2、z3～z2同名端头端“*”设计在绕组x3、y3、z3一侧；第三绕组6的绕组标幺值匝数为13.3，第三绕组6端子编号x2～x1、y2～y1、z2～z1同名端头端“*”设计在绕组x2、y2、z2一侧。

在本实施例中，三相电抗器励磁调压输出端8，用以连接各种三相或单相负载；三相电源输入端1用于连接电网三相电源。

在本实施例中，升压状态包括第一升压工况、第二升压工况和第三升压工况；其中，第一升压工况时，升压交流接触器13KM02、位于励磁绕组首端的端子交流接触器KM4闭合，实现输出电压等于103％输入电压；第二升压工况时，升压交流接触器13(KM02)、位于第一绕组4的尾端的端子交流接触器KM3闭合，实现输出电压等于105％输入电压；第三升压工况时，升压交流接触器13KM02、位于第二绕组5的尾端的端子交流接触器KM2闭合，输出电压等于107％输入电压；对应的，降压状态包括第一降压工况、第二降压工况和第三降压工况；其中，第一降压工况时，降压交流接触器10(KM01)、位于励磁绕组尾端的端子交流接触器KM1闭合，实现输出电压等于97％输入电压；第二降压工况时，降压交流接触器10(KM01)、位于第二绕组5尾端的端子交流接触器KM2闭合，实现输出电压等于95％输入电压；第三降压工况时，降压交流接触器10(KM01)、位于第一绕组4尾端的端子交流接触器KM3闭合，实现输出电压等于93％输入电压；将励磁绕组首尾短接，可以消除三相电抗器主电感的自感电势，即：U_in＝U_out，就形成了功能性的电压调节档位0％，即旁路功能，输入电源电压与输出电压相等。

在本实施例中，续流接触器单元9包括续流交流接触器KM5和与续流交流接触器串联的续流电阻R1、R2、R3，续流电阻的电阻外壳贴装温度开关。关于续流电阻R1、R2、R3的选型计算原则为：满足三相电抗器流过负载额定电流时，电抗器处于最大自感电势需要的容量计算(只有负载容量7％)，假定电网电压为线电压400V,加载在电阻上的电压只有154V，如果此时负载容量为1000KVA，那么电阻值为4.3～4.7Ω，电阻上流过的电流为44.07A，由于该电阻属于短时工作制，其参与运行的时间极短约200毫秒，所以可以与电阻厂家协商选择。考虑到电阻存在失效的可能性，为便于不停电在线更换，加装一个具有电磁分励功能的断路器QF4；断路器QF4与续流交流接触器KM5串联；断路器QF4正常情况下处于闭合状态，当所述续流电阻R1、R2、R3出现过温时，断路器QF4被分励断开，同时发出报警信号。续流交流接触器KM5在励磁调节过程中做短时闭合，用于维持励磁绕组中的励磁电流。当励磁调节结束时，续流交流接触器KM5断开。

在本实施例中，旁路短接单元11包括两只常闭型接触器KM6、KM61；两只常闭型接触器KM6、KM61并联接在所述励磁绕组的首端和尾端常闭型接触器KM6、KM61均包括4个常闭触点；2只所述常闭型接触器重复连接三相电路中的一相。进一步地，选择主触点为常闭型的接触器将励磁绕组首尾短接，在有载电压调节过程中，KM6、KM61始终闭合。由于目前常闭型的接触器只有两组主触点，所以选择KM6、KM61两只接触器组合使用，实际功能是同一个接触器功能。为满足三相回路需要，所以将两只接触器并联使用，用于消除电抗器自感电势，实现旁路功能。

考虑到本发明属于变配电设备，必须具有故障后快速恢复供电的功能，所以加装一旁路检修单元14；旁路检修单元14为一手操断路器QF5；手操断路器QF5短接并联在励磁绕组的两端；旁路短接单元11断开后，手操断路器闭合以将励磁绕组短接。具体的，出现故障时，只要断开设备控制电源，避免旁路短接单元中的常闭型接触器发生线圈得电触点吸合，在此状态下，手操合闸所述手操断路器QF5，将励磁绕组首尾短接，该三相电抗器的主电感电势得以消除，此后可以在不加载励磁电源的条件下，对调压系统所有接触器进行在线维修，合闸QF5可以快速向负载送电，此功能称为旁路维修，因此常态时处于分断位。在断开控制电路电源后，手操合闸该断路器，该断路器将励磁绕组首尾短接，三相电抗器主电感的感生电势Δe＝0,消除了三相电抗器主电感的自感电势，即：U_in＝U_out，就形成了功能性的电压调节档位0％，输入电压与输出电压相等。在旁路检修状态下，可以断开设备的控制电源，进行设备维修，并且不会出现负载断电，实现了在不停止供电的情况下对一些故障进行维修的目的。

在本实施例中，进一步包括三相交流互感器2；三相交流互感器2串联在电网和主电感绕组3之间。

在本实施例中，进一步包括用以连接三相电流互感器2和数字电能表的专用试验端子12。为避免更换电能表时电流互感器二次开路，需要将X2端子闭合，可保护互感器和不停电更换电能表。

本发明在原理基础上，利用(MCU)单片机或可编程逻辑控制器(PLC)采集来自于电网电量(包括电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、有功电能等数据)数据，以及输出端的电量数据，编写相应的控制软件可以实现输出电压自动调节控制。本发明的实施阶段历经方案构思、模型试验、多款容量的工程机实效验证，加入电流互感器、智能数字式电能表、电压变送器、可编程逻辑控制器(PLC)、人机界面(HMI)，再通过软件编程和组态的搭配，已经实现三相电抗器励磁有载调压方式自动化。

本发明的工作过程如下：

1)旁路状态：即：0％，接触器KM6和KM61闭合，输出电压等于100％输入电压。

2)续流：为保障励磁绕组切换过程不出现断流，在QF4已经合闸的前提下，先闭合接触器KM5，并且在励磁绕组被切换的过程中保持接触器KM5闭合，直到切换过程结束，再分断接触器KM5。

3)-3％降压状态：即-3％，接触器KM01、KM1闭合，输出电压等于97％输入电压。

4)-5％降压状态：即-5％，接触器KM01、KM2闭合，输出电压等于95％输入电压。

5)-7％降压状态：即-7％，接触器KM01、KM3闭合，输出电压等于93％输入电压。

6)+3％升压状态：即+3％，接触器KM02、KM4闭合，输出电压等于103％输入电压。

7)+5％升压状态：即+5％，接触器KM02、KM3闭合，输出电压等于105％输入电压。

8)+7％升压状态：即+7％，接触器KM02、KM2闭合，输出电压等于107％输入电压。

9)旁路检修状态：不使用接触器，通过合闸断路器QF5，实现不调压输出，输出电压等于100％输入电压。设备因故障或因为调节电压自动切换到旁路状态，KM6和KM61闭合，此时合闸断路器QF5，用断路器QF5代替旁路短接单元11以保持三相电抗器的励磁绕组首尾短接，输出电压等于100％输入电压，三相电抗器励磁有载调压设备不需要续流接触器单元9维持电抗器励磁电流。因此，只要保持断路器QF5合闸，就可以实现不中断负载供电，因此可以断开设备控制电源，对设备进行维修、部件更换。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三相电抗器励磁有载调压系统，其特征在于，包括三相电抗器和有载调压电路单元；所述三相电抗器包括主电感绕组和励磁绕组；所述有载调压电路单元包括一降压交流接触器、升压交流接触器、两个端子交流接触器、续流接触器单元和旁路短接单元；

升压状态时，所述降压交流接触器、励磁绕组尾端的端子交流接触器断开；所述升压交流接触器闭合、励磁绕组首端的端子交流接触器闭合以连通励磁回路；所述升压状态包括第一升压工况、第二升压工况和第三升压工况；其中，第一升压工况时，所述升压交流接触器、位于所述励磁绕组首端的端子交流接触器闭合；第二升压工况时，所述升压交流接触器、位于第一绕组的尾端的端子交流接触器闭合；第三升压工况时，所述升压交流接触器、位于第二绕组的尾端的端子交流接触器闭合；第一升压工况时，输出电压等于103％输入电压；第二升压工况时，输出电压等于105％输入电压；第三升压工况时，输出电压等于107％输入电压；

降压状态时，所述升压交流接触器、励磁绕组首端的端子交流接触器断开；所述降压交流接触器闭合、励磁绕组尾端的端子交流接触器闭合以连通励磁回路；降压状态包括第一降压工况、第二降压工况和第三降压工况；其中，第一降压工况时，所述降压交流接触器、位于所述励磁绕组尾端的端子交流接触器闭合；第二降压工况时，所述降压交流接触器、位于第二绕组尾端的端子交流接触器闭合；第三降压工况时，所述降压交流接触器、位于第一绕组尾端的端子交流接触器闭合。

2.根据权利要求1所述的三相电抗器励磁有载调压系统，其特征在于，所述励磁绕组包括依次串联的第一绕组、第二绕组和第三绕组；

3.根据权利要求1所述的三相电抗器励磁有载调压系统，其特征在于，所述续流接触器单元包括续流交流接触器和与所述续流交流接触器串联的续流电阻。

4.根据权利要求3所述的三相电抗器励磁有载调压系统，其特征在于，续流接触器单元进一步包括一断路器；所述断路器与所述续流交流接触器串联；所述断路器闭合处于常闭状态；当进行升压转换和降压转换时，所述续流交流接触器闭合。

5.根据权利要求1所述的三相电抗器励磁有载调压系统，其特征在于，所述旁路短接单元包括两只常闭型接触器；所述常闭型接触器并联接在所述励磁绕组的首端和尾端；所述常闭型接触器包括4个常闭触点；2只所述常闭型接触器重复连接三相电路中的一相。

6.根据权利要求1所述的三相电抗器励磁有载调压系统，其特征在于，进一步包括一旁路检修单元；所述旁路检修单元为一手操断路器；所述手操断路器短接并联在所述励磁绕组的两端；所述旁路短接单元失电断开后，所述手操断路器闭合以将所述励磁绕组短接。

7.根据权利要求1所述的三相电抗器励磁有载调压系统，其特征在于，进一步包括三相交流互感器；所述三相交流互感器串联在所述电网和主电感绕组之间。