有載調(diào)壓自耦變壓器在電網(wǎng)應用中可以串接在電力變壓器后面，以較大的調(diào)壓范圍來調(diào)整變壓器輸出電壓，它可以在30%的范圍內(nèi)對電網(wǎng)電壓進行自動調(diào)節(jié)，以滿足穩(wěn)定變壓器輸出電壓的要求；也可以掛在6-35kV電網(wǎng)上，配合無功補償裝置，對電網(wǎng)進行無功精細補償。

    通常的無功補償裝置是采用多組投切無功補償?shù)姆绞竭M行補償，有時會出現(xiàn)過補或欠補的現(xiàn)象，補償不精細，設備利用率不高。投切時有較大的涌流和操作過電壓，致使設備使用壽命縮短。

    電容器退出運行時有一定的殘余電荷，必須放電到一定程度才能重新投入，否則會使電容器老化或損壞。而采用有載調(diào)壓自耦變壓器則可通過改變輸出電壓來調(diào)節(jié)電容器兩端電壓從而改變電容補償裝置的輸出無功容量，從而實現(xiàn)無功的精細補償，改滯后調(diào)節(jié)為實時調(diào)節(jié)，可以很好的滿足系統(tǒng)無功變化的需要。

    1、自耦變壓器的工作原理

    圖1為自耦變壓器的原理接線圖。這種變壓器看起來只有一個繞組，低壓繞組是高壓繞組的一部分，所以它也叫單繞組變壓器。自耦變壓器高壓繞組AX由低壓繞組ax和另一繞組Aa串聯(lián)而成。Aa繞組通常叫串聯(lián)繞組，ax繞組為高壓側(cè)與低壓側(cè)所共有，通常叫公共繞組。

    圖1自耦變壓器原理接線圖

    公共繞組和串聯(lián)繞組是通過“電磁感應”和“電”的直接連接兩種關(guān)系耦合起來的，用來改變一、二次電壓和在一、二次之間傳輸電能，所以這種變壓器叫自耦變壓器。

    設P1N、P2N、PN分別代表自耦變壓器的額定輸入容量、額定輸出容量和額定容量，在忽略勵磁電流和損耗的情況下，則有：

    P1N=I1NU1N=（I2N/KW）（KWU2N）=I2NU2N=P2N=PN

    式中：KW-自耦變壓器的電壓比，KW=W1/W2＞1

    設PC為上部串聯(lián)繞組容量，PG為下段公共繞組容量，則：

    PC=I1NUC=I1N(WC/W1)U1N=I1N((W1-W2)/W1)U1N=(1-1/KW）P1N==(1-1/KW）PN=KSPN

    PG=IGU2N=(I2N-I1N)U2N=(I2N-I2N/KW）U2N=(1-1/KW）P2N=KSPN

    KS=PG/PN=1-1/KW=WC/W1

    亦即：PC=PG，自耦變壓器上段串聯(lián)繞組的容量等于下段公共繞組的容量，也叫結(jié)構(gòu)容量或型式容量。自耦變壓器的鐵心選擇是以結(jié)構(gòu)容量來計算的。

    式中：WC-串聯(lián)部分繞組匝數(shù)；W1-高壓部分繞組匝數(shù)；W2-低壓部分繞組匝數(shù)；KS-效益系數(shù)，亦即自耦變壓器的結(jié)構(gòu)容量與額定通過容量之比。

    由于KW＞1，可以看出自耦變壓器的串聯(lián)繞組容量或公共繞組容量都小于自耦變壓器的額定容量，這就是自耦變壓器的突出優(yōu)點。電壓比愈接近于1，PC或PG愈小，亦即效益系數(shù)就愈小，自耦變壓器經(jīng)濟型就愈好。

    設P2T為二次側(cè)實際輸出容量，也就是實際通過的容量，也叫“通過容量”，因為：P2T=U2I2=U2I1+U2IG

    由于自耦變壓器有“電”連接的特點，我們將電源直接傳到二次側(cè)的容量，稱作“電傳導容量”，以Pcd表示，即上式中的U2I1；由于電磁感應關(guān)系由電源傳給二次側(cè)的容量，叫“電磁容量”，也叫結(jié)構(gòu)容量或計算容量，以Pdc表示，即上式中的U2IG，則

    P2T=Pcd+Pdc

    從上兩式可以看出，自耦變壓器與普通變壓器不同，一方面靠電磁感應關(guān)系傳送容量，另一方面，還可以從電源直接傳送容量。因而自耦變壓器二次側(cè)從電源吸收的容量為電磁容量與電傳導容量之和。

    在忽略勵磁電流和損耗的情況下，當自耦變壓器一次側(cè)為額定電壓、額定電流時，二次側(cè)所通過的容量即為銘牌所標出的額定容量PN；因為在進行自耦變壓器電磁設計計算時，它的尺寸、重量和鐵心截面是由電磁傳送容量所決定，故自耦變壓器公共繞組的電磁容量叫“結(jié)構(gòu)容量”或“型式容量”，它是自耦變壓器設計的一個重要參數(shù)。

    3.0自動調(diào)壓自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點

    3.1自動調(diào)壓自耦變壓器的原理接線圖

    自動調(diào)壓自耦變壓器的原理接線圖見圖2：

    圖2自動調(diào)壓自耦變壓器原理接線圖

    從自動調(diào)壓自耦變壓器原理圖可以看出，變壓器為恒磁通等差調(diào)壓，有載分接開關(guān)選用角接開關(guān)，以便于低壓出線的引出。

    3.2最大額定容量及調(diào)壓范圍的選擇

    有載調(diào)壓自耦變壓器的最大額定容量及調(diào)壓范圍取決于有載分接開關(guān)的選擇，現(xiàn)有的有載分接開關(guān)，在BF系列中，最大額定通過電流為400A，最大額定級電壓為600V，最大分接位置數(shù)為9；CV型開關(guān)最大額定通過電流為350A，最大分接位置數(shù)為14；SV型最大額定通過電流為500A，最大額定級電壓最高均為1500V，最大分接位置數(shù)為12。

    3.2.1用于穩(wěn)定電網(wǎng)電壓用有載調(diào)壓自耦變壓器的最大額定容量的選擇

    用于穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的有載調(diào)壓自耦變壓器其在運行當中容量是保持不變的，其最大額定容量取決于有載開關(guān)的最大額定通過電流及調(diào)壓范圍，如35kV有載調(diào)壓自耦變壓器，選用BF型開關(guān)，調(diào)壓范圍為±10%，則最大額定容量為：Se=1.732x400x35x0.9=21823kVA；如調(diào)壓范圍為0-20%，則最大額定容量為：Se=1.732x400x35=24248kVA。

    3.2.2用于無功補償用有載調(diào)壓自耦變壓器的最大額定容量及調(diào)壓范圍的選擇

    用于無功補償用油載調(diào)壓自耦變壓器的工作原理是基于S=2πfCU2，故其輸出電壓越低，有載調(diào)壓自耦變壓器的輸出容量越小，其輸出容量是與輸出電壓與額定電壓之比的平方成正比，即：

    Si=(Ui/UN)2SN

    式中：Si-自耦變壓器第i級的輸出容量；Ui-自耦變壓器第i級輸出電壓；UN-自耦變壓器額定電壓；SN-自耦變壓器額定容量。

    故其最大容量是在額定工作電壓時的容量，即額定容量。如10V有載調(diào)壓自耦變壓器，其調(diào)壓范圍為-40～0%，調(diào)壓級數(shù)為9級，如選用BF型有載分接開關(guān)，則其最大額定容量為：Se=1.732x10x400=6928kVA，其最大調(diào)壓范圍為-8x600/5774x100=-83（%），即其對額定電壓的調(diào)壓范圍從17%調(diào)整到100%，其最大調(diào)容范圍可從2.9%調(diào)整到100%。如BF型有載分接開關(guān)用在35V電網(wǎng)上，則其最大調(diào)壓范圍為-8x600/20210x100=-23.7（%），即其對額定電壓的調(diào)壓范圍從76.3%調(diào)整到100%，其最大調(diào)容范圍為可從58%調(diào)整到100%。

    3.3技術(shù)參數(shù)

    以用于無功補償?shù)挠休d調(diào)壓自耦變壓器為例，電壓等級為10kV：

    1)產(chǎn)品型號：OSZ-6000/10.5；

    2)電壓調(diào)節(jié)范圍：40%～100%Un，9級調(diào)壓；

    3)聯(lián)結(jié)組別：YNa0，三相三線星形接法；

    4)絕緣水平：LI75/AC35；5)產(chǎn)品總損耗：小于額定容量的0.2%；

    6)最大阻抗電壓應小于1.5%。

    7)調(diào)壓方式：有載調(diào)壓，9級連續(xù)可調(diào)。

    8)冷卻方式：ONAN；

    4具體實施方案

    4.1設計產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)

    本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點是其輸出容量隨輸出電壓的變化而變化，其具體技術(shù)參數(shù)見表1。

    鐵心截面積：465.6cm2每匝電壓：17.83V/匝公共匝數(shù)：204匝串聯(lián)匝數(shù)：136匝分接匝數(shù)：17匝

    每級電壓：303.1V/匝

    在表1中，各級的型式容量計算公式如下：

    SXi=3IGiUCix10-3kVA

    式中：SXi-第i分接的型式容量，kVA；IGi-第i分接的公共電流，A；UCi-第i分接的輸出電壓，V。

    4.2鐵心直徑的選取

    鐵心直徑的選取與電力變壓器相同，但其容量則按最大型式容量來選擇計算。

    在用于電容補償?shù)挠休d調(diào)壓自耦變壓器中，由于其形式容量都較小，在設計中可用長圓形結(jié)構(gòu)的鐵心形式。

    4.3各分接段繞組的設計

    為方便分析以上技術(shù)數(shù)據(jù)，可將以上數(shù)據(jù)匯集成如下電流圖進行分析：

    圖3自動調(diào)壓自耦變壓器各級電流分配示意圖

    將調(diào)壓部分作為串聯(lián)繞組，布置在公共繞組的外部。從上圖可以看出，公共繞組的最大通過電流為79.2A。串聯(lián)繞組的各個分接段的輸入電流和公共電流均不相同，如在9分接。

    其輸入電流為329.9A，輸出電流為329.9A，電流從輸入端通過有載分接開關(guān)的電流端子直接流過到輸出端，在自耦變壓器中的公共電流為0A；在8分接，輸入電流為297.8A，而公共電流為15.7A，輸出電流為313.4A；而在1分接時，其輸入電流為118.8A，公共電流為79.2A，輸出電流為198.0A。

    在同一分接段，有正向或反向電流流過，故在選取分接段導線電流時，按最大通過電流選取，如在第7分接段，正向輸入電流為267.2A，反向公共電流則為15.7A，故選取267.2A為最大通過電流來選取導線截面。

    由于各分接段的最大通過電流均不同，故在設計時可根據(jù)各分階段電流來確定相應的導線截面，以節(jié)省原材料，降低產(chǎn)品制造成本。但導線規(guī)格不易選擇過多，最好是選擇一種導線，當電流大時就采用多根并聯(lián)的方式，有利于串聯(lián)繞組的繞制。

    如在上述實例中，第8分接段最大通過電流為297.8A，其一半電流為148.9A，而第4段分接最大通過電流為185.6A，這樣，就可以選擇1-4段分接為一根導線，而5-8段分接段采用2根導線并聯(lián)的方式，電流密度在設計時互相兼顧一下，可以得到很好的經(jīng)濟效果。

    4.4絕緣結(jié)構(gòu)設計

    主結(jié)緣結(jié)構(gòu)設計按10V級設計即可。本文主要討論的是公共繞組與串聯(lián)（即調(diào)壓）繞組之間的絕緣。

    圖4所示為公共繞組與串聯(lián)繞組排列示意圖。

    圖4公共繞組與串聯(lián)繞組排列示意圖

    4.4.1確定繞組間的試驗電壓

    由于本文敘述的自耦變壓器為恒磁通調(diào)壓，既每匝電勢保持不變，故無論在那個分接，串聯(lián)繞組與公共繞組的電壓差始終為6062-3637=2425（V），在感應試驗時則為2425x2=4850（V）。在確定公共繞組與串聯(lián)繞組之間的絕緣時，以感應電壓US=4850V來確定期間的絕緣距離即可。

    4.4.2絕緣結(jié)構(gòu)確定

    公共繞組與串聯(lián)繞組之間的絕緣是用0.12電纜紙粘絕緣紙板條形成，可將它看成由純絕緣油隙組成。

    首先計算出油隙的平均場強，并與表2中的油隙最小擊穿場強進行比較，以確定絕緣結(jié)構(gòu)的合理性。

    油隙的平均場強計算如下：

    EP=US/d

    式中：EP-油隙平均電場強度，kVUS-繞組間的感應耐壓試驗值，kVd-繞組間油隙，mm

    然后用均勻電場下的油隙最小擊穿場強Edmin與油隙平均場強EP進行比較，確定絕緣裕度K：

    K=Edmin/EP≥2.5

    在本產(chǎn)品中：

    EP=US/d=4.85/5=0.97kV

    K=Edmin/EP=11.7/0.97=12.1＞2.5

    在本產(chǎn)品中，公共繞組與串聯(lián)繞組間的絕緣距離的確定，除考慮其絕緣強度外，還要考慮繞組的散熱問題。

    5阻抗電壓的計算

    在計算阻抗電壓時，因在第一檔時，所有的調(diào)壓部分都作為串聯(lián)繞組，故在第一檔工作時的阻抗電壓最大。在第九檔時，電流直接從高壓輸入端通過有載分接開關(guān)的電流端子流出到低壓輸出端，在自耦變壓器中無電流流過，此時的阻抗電壓為0，損耗亦為0。故在計算阻抗電壓時，只要計算第一檔的阻抗電壓即可。

    自耦變壓器的阻抗電壓計算與普通的電力變壓器計算基本相同，只不過在阻抗電壓前乘效益系數(shù)的平方即可。設UP為按正常電力變算出的阻抗電壓，UZ為自耦變壓器的阻抗電壓，則有：

    UZ%=KS2UP%

    6結(jié)束語

    本文對自動調(diào)壓自耦變壓器的結(jié)構(gòu)及其應用進行了詳細的介紹，并主要對應用于無功補償?shù)淖詣诱{(diào)壓自耦變壓器的原理、設計參數(shù)的計算及絕緣結(jié)構(gòu)等進行了分析與實例計算，為其設計提供了一個參考方法。

    自動調(diào)壓自耦變壓器產(chǎn)品的開發(fā)，也是隨著電網(wǎng)質(zhì)量的不斷提高而推出的新產(chǎn)品，它即能滿足穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的要求，以利于長距離輸送電網(wǎng)能量，又可作為對無功補償裝置提供電源的設備，對電網(wǎng)無功進行精細補償。