「新技术分享」晶闸管辅助熄弧混合式变压器有载分接开关

电气分享社区 2022年8月15日 1597浏览

新能源的大量接入导致电网电压波动更加频繁，动态调节变压器变比是维持区域电网电压稳定的重要手段，而有载分接开关（OLTC）则是在不停电情况下调节变压器变比的关键设备。目前国内110kV及以上电压等级大容量变压器采用的OLTC按熄弧介质可分为油中熄弧和真空熄弧两种。

油中熄弧式OLTC由于熄弧过程通过铜钨触头对在绝缘油中拉弧完成，多次切换后触头会发生严重烧蚀，绝缘油在电弧的作用下分解会产生可燃性气体，还会产生微量金属颗粒，因此需要定期对绝缘油和电极表面进行维护；真空熄弧式OLTC熄弧时的截流会造成电压过冲，严重时会造成变压器分接绕组绝缘损伤，此外真空灭弧室中的触头开距要明显小于油中的开距，一旦发生真空失效便易发生短路事故，因此对工艺控制的要求极高。

针对上述问题，中国电力科学研究院有限公司和山东泰开电力设备有限公司联合研制了晶闸管辅助熄弧混合式OLTC，它采用电力电子器件作为灭弧器件，持续通流由金属触头来完成，兼顾了低通态损耗与无弧切换。此外还通过特殊的机械结构与动作时序设计实现了晶闸管的无源触发（触发过程无需二次电源与控制回路），并建立了晶闸管模块在切换完成后的退出机制，实现了产品的免维护与长寿命。

（视频展示）

基本原理

项目组提出了一种结合现有KM型分接开关和混合式有载分接开关切换原理的改进型晶闸管辅助熄弧混合式有载分接开关切换原理，具体包括：

（一）串联双断口改进型KM开关原理

项目组结合现有KM型有载分接开关结构的特点，通过将KM型开关的并联双断口改进为串联双断口，利用伸缩触头技术控制晶闸管门极与阴阳极之间接通的时间差，为晶闸管模块的无源触发创造了条件。KM型并联双断口改进为串联双断口的示意图如图2-1和图2-2所示。

图2-1

KM型开关切换原理图

（并联双断口）

图2-2

改进型KM开关原理图

（串联双断口）

（二）晶闸管模块无源触发原理

图2-3 晶闸管无源触发原理图

图2-3所示为晶闸管模块无源触发的原理图，10和13、11和12分别是2对机械开关的触头。以A—B电流从11—12支路流过，需要断开该开关支路为例：当断开11—12支路时，触头上的电压触发了晶闸管T（反接的一对），二极管D2提供门极电流，二级管D1用于防止反向门极电压，电流立即从10—13支路流过。导通半个周波后因失去触发电平而随电流过零自然关断，持续的电流不超过0.5个周期（设计时按照0.5个周期时间考虑并考虑机械误差，控制在12毫秒左右），随后10、13无弧分断。合上开关支路时，由于10—13支路是先合上的，晶闸管无触发不导通，此时不产生电弧，接着11—12闭合，触头接触瞬间产生的小电弧电压触发晶闸管T导通，电弧熄灭，11—12完全闭合后旁路晶闸管回路强迫关断晶闸管电压，由机械触头载流。这种调压装置的优点是不需要时间控制回路；晶闸管触发靠机械开关的操作完成；晶闸管的额定容量要求不高；晶闸管的失控不会损坏分接头和变压器，该机构的简化电路如图2-4所示。

图2-4 晶闸管无源触发机构简电路

图2-5 混合式开关结构示意图

最终形成的混合式有载分接开关结构如图2-5所示，其切换过程为：由CD—EF切换过程，AB支路闭合—CD支路断开—MN支路闭合—AB支路断开—EF支路闭合—MN 支路断开，至此CD—EF切换完成；由EF—CD切换过程，MN 支路闭合，EF支路断开，AB支路闭合，MN支路断开，CD支路闭合，AB支路断开，至此EF—CD切换完成。

（三）混合式OLTC切换过程

晶闸管辅助熄弧混合式OLTC由机械开关与晶闸管熄弧回路组成，通过机械开关的一系列动作按照特定时序将晶闸管模块接入并触发，由晶闸管电流过零自然关断完成熄弧，最后将晶闸管模块退出。

现以从1分接切换到2分接为例，切换过程中负荷电流的转向过程如表2-1所示。

表2-1 晶闸管辅助熄弧混合式有载分接开关在切换过程中的负荷电流转向过程

序号	切换开关的动作状态	负荷电流的流动途径（红色标注线条所示）
1	开关处于1分接，CD支路闭合
2	C’’D’’主触头打开，AB触头闭合，A’B’触头闭合
3	C’D’悬浮触头打开，触发对应晶闸管模块
4	晶闸管模块过零熄弧，CD触头打开，负荷转移至已经闭合的AB支路
5	MN触头闭合，M’N’触头闭合，形成双电阻桥接
6	A’B’悬浮触头打开，触发对应晶闸管模块
7	晶闸管模块过零熄弧，AB触头打开，桥接断开，负荷经过渡电阻MN支路转移至及2分接
8	E’F’悬浮触头打开，触发对应晶闸管模块
9	晶闸管模块过零熄弧，EF触头打开，E’’F’’主触头闭合，负荷经EF支路转移至及2分接

技术优势

晶闸管辅助熄弧混合式OLTC采用电力电子器件作为灭弧器件，持续通流由金属触头来完成，兼顾了低通态损耗与无弧切换。此外还通过特殊的机械结构与动作时序设计实现了晶闸管的无源触发（触发过程无需二次电源与控制回路），并建立了晶闸管模块在切换完成后的退出机制，实现了产品的免维护与长寿命。

（1）根本解决切换过程电弧使绝缘油劣化的问题

油中熄弧式OLTC虽然结构相对简单，通态损耗低，但其在切换过程中产生电弧，导致机械触头烧损和绝缘油污染。真空熄弧式OLTC较好的改善了绝缘油污染问题，很大程度上提高了OLTC机械寿命和触头电气寿命，减少了维护量。但其切换过程中仍然会有电弧产生，熄弧时的截流还会造成电压过冲，而且其真空灭弧室对工艺控制的要求极高。

混合式OLTC采用基于串联双断口回路的晶闸管无源可靠触发方案，利用电流过零自然熄弧，根本解决了切换过程中的电弧使变压器油劣化的问题。

（2）机械结构上完全可替代传统OLTC，且不存在电力电子器件通态损耗问题

混合式OLTC在油中熄弧式变压器OLTC的基础上，改进切换开关触头结构，实现晶闸管模块的接入，并保证机械结构上与油中熄弧式有载分接开关的可替代性。

通过重新设计机械断口，实现晶闸管模块动作的时序控制，确保切换过程中由晶闸管模块续流，而长期载流由机械触头实现；提出了利用伸缩触头机构运动方向上的高度差进行时序控制的方法，切换完成后晶闸管回路退出，由机械触头长期载流根本解决了混合式OLTC的通态损耗问题。

（3）晶闸管模块无二次触发电路，结合退出机制，保证晶闸管模块动作可靠

晶闸管模块的触发不依靠外接触发电路，不加装二次控制电路，确保晶闸管模块的可靠动作；无源触发原理的成功应用使得晶闸管模块彻底摆脱了电磁干扰对触发可靠性的影响，晶闸管退出机制的建立也使其寿命大大延长，基本解决了晶闸管模块的可靠性问题。

晶闸管模块与机械切换回路并联，电子电路与机械相互独立；晶闸管只在切换时起到转移电弧的作用，不切换时没有电流通过，不承受耐压，电流靠主触头通过，电压靠机械断口承受。

晶闸管模块与机械切换回路并联，电子电路与主回路相互独立；晶闸管采用无源触发，无二次系统，抗干扰能力强，简单可靠；晶闸管只在切换时起到瞬间（10毫秒以内）转移电弧作用，正常载流靠主触头通电，晶闸管处于被旁路状态，晶闸管中无电流流过，不会发热，电磁兼容性强，并且不会产生误动作。

现阶段取得的成果

已完成35kV、110kV和220kV混合式OLTC的样机研制，依据现行标准通过了型式试验，成为目前唯一成功按照现行OLTC标准通过型式试验的混合式OLTC。产品在喀麦隆、巴基斯坦等国家的水电站升压变压器中应用，在国内湖北电力、西藏电力、中广核风电有限公司等30多台变压器中应用，产品的现场运行情况良好。

2015年3月通过中国电机工程学会组织的新技术鉴定，鉴定委员会一致认为“项目研究成果创新了有载分接开关切换技术，达到国际领先水平”。

2016年混合式OLTC写入了国家电网公司新技术目录（2016版）。

2017年11月获得中国电力企业联合会2017年全国各电力职工技术成果奖一等奖，“110kV电力变压器用晶闸管辅助熄弧混合式有载分接开关的研制与应用”。

2018年获国家电网有限公司职工技术创新“双越之星”优秀成果奖银奖，“晶闸管辅助熄弧混合式变压器有载分接开关”。

2019年在修订版的国标《GB/T 10230.1-2019 分接开关第1部分：性能要求和试验方法》中，将无弧OLTC 作为真空型OLTC和非真空型OLTC之外的第三种OLTC型式，同时将混合式OLTC定义为无弧OLTC的主要型式。

2019年获中国电力科学研究院有限公司专利奖。

2021年获国家电网有限公司专利奖二等奖。

图4-1 110kV和220kV混合式OLTC切换芯子

图4-2 晶闸管辅助熄弧混合式OLTC切换开关设计图

文章来源：EPTC

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