特种变压器用有载分接开关的选择与计算_朱强

第47卷第8期2010年8月

TRANSFORMER

Vol.47August No.82010

特种变压器用有载分接开关的选择与计算

朱强

（上海华明电力设备制造有限公司，上海200333）

摘要：介绍了电炉变压器和整流变压器配套的有载分接开关的选用和计算，并给出了计算实例。关键词：特种变压器；分接开关；计算中图分类号：TM403.4

文献标识码：B

文章编号：1001－8425（2010）08－0045－06

Selection and Calculation of On-Load Tap-Changers for

Special Transformer

ZHU Qiang

（Shanghai Huaming Power Equipment Co.,Ltd., Shanghai 200333, China ）

Abstract ：The selection and calculation of on -load tap -changers for furnance and rectifier transformers are introduced. The calculation example is presented. Key words ：Special transformer ；Tap-changer ；Calculation

1概述

随着国民经济的发展，特种变压器在电力、冶金、石油、化工和轨道交通等领域中得到广泛应用。与电力变压器相比，它们在结构和原理上相同，但是其功能与负载特性截然不同。特种变压器主要有电炉变压器、整流变压器、牵引变压器、试验变压器及矿用变压器等几大类，本文中笔者主要探讨电炉变压器和整流变压器配套用的有载分接开关的选用和计算。

的中部。在设置单独调压绕组的情况下，调压绕组与一次绕组的连接方式有线性调压、正反调压和粗细调压三种。

2.2第三绕组调压(串联变压器调压)

第三绕组调压是在主变压器的油箱里增加一台

串联变压器，主变压器、串联变压器的低压绕组串联。利用设置在主变压器的单独调压绕组给串联变压器高压供电。通过改变主变压器调压绕组的分接来改变施加在串联变压器高压绕组的电压，使串联变压器低压绕组的电压改变。在调压过程中，由于串联变压器高压绕组匝数固定不变，而施加串联变压器高压绕组的电压是变化的，所以对串联变压器来说，它仍属于变磁通调压，但主变压器铁心磁通是恒定不变的。

2特种变压器的调压方式

2.1

变磁通直接调压

电力变压器是通过调节一次绕组匝数来适应电网电压的波动以维持二次电压的恒定。调压时变压器铁心磁通不变，称为恒磁通调压。

特种变压器是在一次电压不变的情况下，利用改变一次测绕组接入电路中的线匝数来改变每匝电压，从而改变二次绕组的电压。调压时绕组每匝电压的改变，引起铁心磁通的变化，这种调压方式称为变磁通直接调压。

在一次绕组上设置调压分接抽头的情况下，调2.3自耦变压器调压

自耦变压器调压是由自耦变压器和固定变比的

特种变压器组成的，自耦变压器与特种变压器可以组装在同一个油箱内，也可以分开。

2.4三种调压方式的特点对比

三种调压方式的特种变压器的特点和适用场合

见表1。

3电炉变压器分接开关的选择

46

表1

特种变压器的特点和适用场合

第47

卷

Table 1

项目

变磁通直接调压

Characteristics and application of special transformer

第三绕组调压

HV

主变压器串联变压器

A a

自耦变压器调压

LV W D

一次侧

二次侧

自耦调压器

固定变比特种变压器

调压原理图

W T W G X

W G

W T

W G ′

W D ′

①结构简单，绕组采用同心绕组常设置单独的调压绕组。

①调压范围广，调压分接头间匝数相等时二次电压等①自耦变压器调压的公共中点必须可靠接地，以防高压侧单相接地故障时引起低压侧过

式排列或交错式排列，同心式级差相等。

②一次电压不受分接开关绝缘水平的限制，可由电压。如一、二次侧电压等级相同，公共中点可

②当自耦变压器分接头间匝数相等时，特种③与前二种调压方式相比，在整个调压过程中阻抗变化小。

②一次绕组的各分接头间匝63kV ～220kV 高压直接降低到电炉所需的低压，省去了不接地。数相等时，二次电压级差不等。中间变电站。如果要求二次电压级差相等，

则必须采用交叠式绕组，通过合，分接开关位于第三绕组侧，其级容量和绝缘水平可调节各分接间的匝数，使二次灵活地选择，便于选择一个安全系数高的分接开关。特

电压级差相等。

③调压回路紧凑，调压绕组的电压和电流可以任选组变压器低压电压的等级差也相等。

④主变压器调压绕组以及串变压器高低压绕组的容④对于单相产品，可采用三柱截面不等的铁特种变压器绕组，另一柱为公共旁轭，从而可

③二次电压最高时，一次绕量取决于调压范围，其值远小于电炉变压器的输出容心，一柱装自耦调压绕组，一柱装固定变比的组闲置部分最大，过电压侵入量。时，闲置部分的端部易产生电绝缘很不利。

点

⑤调压绕组经特殊设计可接补偿电容器，以提高网络得到较经济的设计。

⑤对于容量较大的产品，由于受到运输条件

⑥由于主变压器一直在恒磁密下工作，充分利用了材的限制，采用分开式结构更为有利。但此时应

接母线，最好将母线封闭起来，以防止短路。这

压振荡，对绕组和分接开关的的功率因数。

④二次电压最低时，铁心磁料，所以容量较大、调压范围较大的产品能设计得较为尽量缩短自耦变压器与特种变压器之间的连密最低，这对调压范围较大的经济。产品来说，最好采用D/Y变换来调压。

⑦由于带有串联变压器，主、串变压器低压绕组串联，是因为自耦变压器的阻抗极小，万一发生短结构复杂，所以常常做成一个“8”字形低压绕组整体。制路，将会产生极大的短路电流和电磁力，有可造工艺难度大，耗时多。

能使自耦变压器损坏。

⑧在负分接时，负载损耗大，最低二次电压下的负载损耗与最高二次电压相差无几，阻抗电压增值较大。

适用场合

适用于35kV 及以下，调压范压器。采用变磁通直接调压的特种变压器，如果在技术上是可行的，通常是较为经济的。

第三绕组调压方式适用于一次电压较高（63kV 及以

自耦变压器调压方式主要适用于35kV 及以下的系统电压的整流变压器。

围在20%以下的中小型特种变上）及大中容量的电炉变压器和整流变压器。

3.1电炉变压器负载特性

电炉变压器按用途可分为电弧炉变压器、矿热

I /I N 1.21.0

炉变压器、电渣炉变压器及工频感应炉变压器等。就电弧炉变压器而言，冶炼钢材的工艺过程分为三个时期，即熔化期、氧化期和还原期。其负载特性如图

1所示，在熔化期负载电流允许1.2倍额定电流控制，允许持续时间最大为2.5h 。在整个熔炼过程中，

电弧经常处于短路状态，短路可达数十次，甚至上百次，因此要求变压器能在工作短路条件（2.5～3倍额）2.54.5

h

图1电弧炉变压器负载图

Fig.1Load diagram of arc furnance transformer

第8期朱强：特种变压器用有载分接开关的选择与计算

表2

分接开关最大额定通过电流的允许降容限度（Ⅰ）

47

电炉变压器分接开关的选用取决于变压器的负载特性和调压方式。由于分接开关制造厂对变压器电磁计算参数了解甚少，无法进行分接开关切换参数的精确计算。因此，要求变压器制造厂提供变压器的铭牌数据和调压电路图。分接开关制造厂按此来确定分接开关切换参数和绝缘上的最大电压负荷。

Table 2

Reduction limits Ⅰof maximum rated currents in tap-changer

CV 型有载分接开关

CM 型有载分接开关

CMI800560A 640A 720A

CMI1200840A 960A 1080A

CVI/Ⅲ350SV Ⅲ500CMI/Ⅲ500CMI/Ⅲ600200A 250A 300A

300A 350A 400A

350A 400A 450A

420A 480A 540A

分接开关变压器电弧炉变压器矿石炉变压器电渣炉变压器

表3某一电炉变压器参数

3.2.1分接开关最大额定通过电流的选择

考虑电炉变压器经常处于长期超铭牌容量运

容量

Table 3

电压

Parameters of a furnance transformer

高压绕组电流

分接开关位置位置范围选择

低压绕组二次电压

级差

级电压

行，因此在选择分接开关的额定电流时，应考虑电炉变压器的超铭牌容量电流，表2给出了CV 型、CM 型分接开关最大额定通过电流的允许降容限度。

/kVA[***********][***********]186112127

/V/A169.7172.9176.4179.9183.6187.5191.5195.7200.0204.6209.4

/V101.8104.9108.1111.4114.9118.4122.0125.7129.6133.6137.7142.0146.4151.1155.9160.9166.1171.6177.3

/V3.13.23.33.53.53.63.73.944.14.34.44.74.855.25.55.7

/V1065.81067.71068.51099.61066.11064.21061.[***********]084.51123.61111.81122.[1**********]62.6

[***********]4

K K+

123456789K 1234

K-56789

3.2.2分接开关绝缘水平的计算

由于特种变压器调压范围的增加，当无励磁分

接开关、选择开关或分接选择器处于最大负分接的位置时，变压器“工频电压升高”到不可忽视的程度。变压器绕组及分接开关的绝缘等级要求比工作电压等级高。

下面通过一电炉变压器实例来计算分接开关的绝缘水平。

【实例1】某一电炉变压器参数见表3，高压调压电路图见图2。一次绕组为D 接，其电压相量如图

[**************]

3所示。

二次电压“+”分接时为101.8V ～133.6V ，“－”分接时分133.6V ～177.3V ，由此得出：△U +=31.2%，△U -=

13000

214.4

1516171819

32.7%，总的调压范围为△U ≈64%，则一次绕组的匝

数比为1.64。

此时相邻两相绕组末端间的电压为：

U E =（1.642+0.642－2×1.64×0.64cos120°）1/2×35=

71.3kV

即分接开关的绝缘等级选63kV 等级，设备最高电压为72kV 。

A

B

C

注：△U =U 2max -U 2min ，正反调压时，需分别计算正、负分接的调压范围。

2min

U E

1

+-

k 98

21

k

+-98

21

+-

k 98

0. 6

4

图3

21

D 接电压相量图

Fig.3Voltage vectorgram during delta connection

3.2.3分接开关内部绝缘水平的计算

有载分接开关的分接选择器或选择开关(与变

图2高压调压原理图

) 0. 64

48

表4

第47

卷

CV 型、CM 型开关最大最小分接间的绝缘水平

Table 4Insulation level between maximum tap and minimum one of CV and CM tap-changers

CM 型有载分接开关

A 级选择器1.2/50μs 135

工频

CV 型有载分接开关

D 级选择器

DE 级选择器1.2/50μs 550

工频

B 级选择器1.2/50μs 265

工频

C 级选择器1.2/50μs 350

工频

10个触头1.2/50μs 200

工频

12个触头1.2/50μs 180

工频

14个触头1.2/50μs 170

工频

1.2/50μs 460

工频

[***********]

笼式或筒式结构。因此，调压绕组处于闲置时的电压就体现在分接选择器（或选择开关）上下相邻（或左右相邻）触头上，称之为最大与最小分接间。由于电炉变压器的调压范围大，在闲置的调压绕组上将产生不可忽视的电压振荡。因此，分接开关内部绝缘水平主要是最大

U d /%

U dmax 100%

其选用分接开关的技术要求各不相同。

无论是何种电解工艺的要求，都提出整流变压器必须具有电压调节的要求，如图4所示。

1

100

△U 2

电解大最

解槽数

最小电

234

U d /%

与最小分接间的绝缘水平。表4给出了

△U

CV 型、CM 型开关最大最小分接间的绝

缘水平。

根据电力变压器选用分接开关内部绝缘水平的确定方法，35kV 绕组的输入冲击电压梯度值为U 0=200kV(1.2/50μs) ，

U dH U dmin

槽数

806040200

20

40

60

80100

铝电解电解

0I s

起始电流I d /%

100

△U 1

铜

起始电流I d /%（b ）各种电解槽的外特性

10kV 绕组的输入冲击电压梯度值为U 0=75kV(1.2/50μs) ，最大与最小间距上的冲击电压平均梯度为K =2.7，最大为K =3.5，最大与最小间距上的最大冲击电压负荷U m 为：

（a ）电解工艺要求的电压调整

△U 1—起动电流限制在I s 时必要的△U 1；△U 2—由于电解槽的分批投入需要的△U ；△U —需要总的电压调整；1—双氧水电解；2—锌电解；3—水银阴极食盐电解；4—隔膜式食盐电解。

图4硅整流装置的电压调整

··U m =K △U U 0=2.7×32.7%×200=176.6kV

因此，可以选用CV Ⅲ350D/63-10191W，此分接开关最大与最小间的冲击耐压为200kV ，满足要求。若按最大K =3.5计算，则U m =229kV，略微超出了范围，为提高分接开关的绝缘裕度，保证分接开关可靠运行，建议对分接开关进行加强绝缘水平的处理，可将动触头的铸铝支架进行环氧绝缘粉未喷涂，并且静触头1、K 和9挡3个触头周边倒角E-R3，改善触头电场分布。

Fig.4Voltage regulation of silicon rectifier

为了满足负载特性的要求，有载调压整流变压器应具有以下特点：

①二次侧电压（因硅整流单向导电性又称为阀侧电压）不大于1000V ，电流可高达100kA 左右，单

台容量从数十到数万千伏安。

②电解负载要求电流保持恒定，昼夜连续，且过

载系数较高。

③电流和电压波形发生畸变，含有高次谐波，谐波分量超过10%。

④为保证电解槽恒电流工作制和电解工艺的要求，阀侧电压调压频繁，每天调压的次数通常为10～80次，个别地方甚至达100次以上。

⑤阀侧电压的调压范围通常很大，调压倍数X =U =2～∞，“∞”表示阀侧电压的输出变化中U

2max

2min

和零之间。阀侧电压的调压范围△U =U -U 。

2max

△U 从食盐化工电解的45%到铝电解的95%。

整流变压器的调压方式主要为变磁通直接调压、串联变压器调压和自耦变压器调压三种方式。整3.2.4分接开关级电压的计算

变磁通直接调压的电炉变压器一次侧级电压可

以通过二次侧相应电压级差与相应变比进行估算。即U S =K u ·（U 2（n +1）-U 2n ），K u =U 1/U 2n =K i ，计算结果见表

3。

4整流变压器

4.1

整流变压器的负载特性和特点

作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。工业用的整流直流电源大部分是由交流电网通过整流变压器与整流器所组成的整流设备而得到，

第8期朱强：特种变压器用有载分接开关的选择与计算49

直接调压原理相同。的限值，即有载分接开关触头对周围介质的稳定温升，在油环境中不超过20K （在空气环境中，不超过

4.2有载分接开关切换参数的选择

在选择分接开关参数时，必须考虑整流变压器

35K ～65K ，视触头材料而定）。

有载分接开关一般能最低限度地满足

的负载特性和相应的调压方式。

4.2.1分接开关最大额定通过电流的选择

考虑到整流变压器因谐波电流、超铭牌容量运

IEC60214-1：2003、GB10230.1-2007标准中规定的

短路强度要求。通常，分接开关只能承载短路电流，而不能在短路情况下完成分接变换操作。按照

行电流和分相调压中D 接绕组环流等因素的作用，额外增加分接开关负载电流，表5给出了CV 、CM 型开关最大额定通过电流允许降容使用的限度。

表5

IEC60214-1：2003、GB10230.1-2007的规定，施加于

分接开关的短路电流2s 有效值为最大额定通过电

流值的10倍～20倍（视变压器短路阻抗值的大小）。

分接开关最大额定通过电流的允许降容限度（Ⅱ）

Table 5

分接开关

变压器

冶金电解变压器化工电解变压器

Reduction limits Ⅱof maximum rated currents in tap-changer

CV 型有载分接开关

CM 型有载分接开关

CMI800560A 640A

CMI1200840A 960A

CVI/Ⅲ350SV Ⅲ500CMI/Ⅲ500CMI/Ⅲ600200A 200A

300A 300A

350A 400A

420A 480A

5.2分接开关绝缘水平的验证对于分接开关主绝缘水平（对

地、Ⅱ类分接开关的相间）等级要比实际电压等级提高一个等级选择，通过【实例1】的计算得以验证。

分接开关内部绝缘水平的验

4.2.2分接开关绝缘水平的选择

由于整流变压器调压范围的增加，如无励磁分

证最主要是同相最大与最小分接间绝缘水平、任一分接的相间绝缘水平，参照表4。对于选用其他型号的有载分接开关，请参照该产品技术数据给出的绝缘水平。

过电压是特种变压器的多发事件。为防止其危害，保证特种变压器的安全运行，除应在变压器上采取避雷器限制过电压和R -C 阻容过电压吸收装置的措施外，分接开关应设置级间过电压保护装置。

接开关、选择开关或分接选择器处于最大负分接位置时，变压器“工频电压升高”到不可忽视的程度。变压器绕组及分接开关的绝缘等级要求比工作电压等级高。因此，选用分接开关主绝缘水平的等级（对地或Ⅱ类分接开关的相间）要选比工作电压等级高一个绝缘等级为宜。

分接开关的内部绝缘水平选择与电炉变压器相同，主要是核算呈现在同相最大与最小分接间的绝缘水平。整流变压器其余参数和要求的验证方法与电炉变压器一致，这里不再敷述。

5.3过渡电阻匹配的验证

过渡电阻的匹配遵循以下原则：

（1）最大通过电流考虑1.2倍I N 过载电流。（2）电流较大时，匹配系数n 取大，减少环流，减

5分接开关选用的验证

在选择合适的分接开关参数之后，必须验证下述与分接开关参数相关的额定值。

轻过渡触头的切换任务。

（3）级电压较大时，匹配系数n 取小，降低主通断触头上的恢复电压，利于安全切换。

（4）为降低过渡电阻连续切换后的温升，电阻元件圆丝（或扁带）的电流密度应选用为j 0=60A/mm2。

（5）对于变磁通直接调压的变压器，由于级电压不等的原因，过渡电阻值必须满足最高级电压和最大分接电流的切换要求。

电阻匹配系数n 根据实际情况而定，可以为

5.1分接开关负载电流的验证

特种变压器往往存在超铭牌容量运行状态，在

选用分接开关时必须考虑到，它不能限制变压器负载能力。分接开关所有连续承载电流的触头和电路，它们的尺寸设计必须承受变压器额定负载和允许超铭牌容量运行时产生的全部电流强度。

若变压器超铭牌容量运行条件是符合

0.5～1.0之间，但必须核算产生的环流加载到过渡触

头上的切换任务能否承受，建议估算出每一级的级电压，并核算每一级的切换任务。

IEC60214-2：2004、GB10230.2-2007《分接开关第

2部分：应用导则》的规定，分接开关的最大额定通过电流至少是变压器最大负分接电流的1.2倍，或者当触头载流为1.2倍最大额定通过电流时，其温5.4分接绕组电位连接的验证

当分接开关在过整定位置“K ”的变换操作时，

分接绕组产生瞬间电位“悬浮”。为减少转换选择器（）

50

第47

卷

电不熄而造成分接绕组短路现象，必须核算转换选择器触头断口上的恢复电压，来验证是否要安装电阻器的电位连接。

表6给出了不同型号的有载分接开关转换选择器触头上的开断强度允许值。

表6

分接开关转换选择器触头上的开断强度允许值

（1）对于除中性点调压的调压方式的特种变压器，分接开关的外绝缘水平应提高一个等级选择。

（2）调压范围大，必须核算分接开关同相最大与最小间的绝缘水平和任一分接相间的绝缘水平。

（3）考虑过载使用情况，分接开关额定电流的选择应考虑降容使用。

（4）CM 型分接开关A 级选择器、CV Ⅲ350分接开关中14140/14271W（或14273W ）尽量不用。

（5）M Ⅲ350/VⅢ200因无主触头结构、并采用

Table 6Switched strergth limits of contact in transfer selector of tap-changer

分接开关型号恢复电压/kV开断电流/mA

CV 、V 、VCV 型CM 、M 、RM 、VCM 型CMD 、SHZV 、R 、VRC 型

≤15≤35≤35

≤100≤150≤300

E －Cu 作为电弧触头，不适用于特种变压器。

（6）对于63kV ～110kV 的特种变压器，调压范围高达50%以上，且调压级数多达27～35级，需选择CM 型的“加强C 级”或D 级选择器；必要时须安装

电位(电阻器) 连接。

（7）对于操作次数频繁(每年操作次数超过3.5万次) 的分接开关，必须配置在线净油装置。

（8）变压器制造厂必须提供特种变压器的调压原理图和铭牌数据，供分接开关制造厂进行切换参数和绝缘水平的选择与验算。参考文献：

[1][2][3]

张德明. 变压器分接开关选型与使用[M].北京：中国电力出版社. 2005.

张德明. 分接开关选用的探讨[J].变压器，2006，43（6）～

5.5寿命指标

为减少分接开关维护检修量，降低维修成本，对

分接开关的寿命提出下述要求：

（1）分接开关电气寿命不少于20万次。（2）分接开关机械寿命不少于80万次。（3）每年操作次数超过3.5万次的特种变压器要求配置在线净油装置，以延长检修周期(10万次免维修) 。

6结论

特种变压器在结构和原理上与电力变压器基本相同，但由于负载特性、调压方式、调压范围及调压电路的不同，因此对分接开关参数的要求比较高。正确地选择分接开关应遵循以下原则。

2007，44（2）.

崔立君. 特种变压器理论与设计[M].北京：科学技术文献出版社，1996.

收稿日期：2009-09-22作者简介：朱

强（1982-），男，上海市人，上海华明电力设备制造有限公司助理工程师，主要从事有载分接开关设计工作。

≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤

（上接第44页）

半穿越阻抗偏小的原因和可能产生的后果。参考文献：

[1]

保定天威保变电气股份有限公司. 电力变压器手册[M]．

北京：机械工业出版社，2003．

[2]王建民, 贾建刚，刘兰荣，等．移相整流变压器三维漏磁场和短路阻抗的数值仿真研究[J]．变压器，2009，46（4）：1-

4，8.

收稿日期：2009-10-28

作者简介：张亚杰（1973-），男，河北高阳人，保定天威集团特变电气有限公司高级工程师，从事变压器新产品开发工作；

刘新颜（1975-），男，河北满城人，保定天威集团特变电气有限公司高级工程师，从事变压器新产品开发工作；郑

赞（1980-），男，河北辛集人，保定天威集团特变电气有限公司工程师，从事变压器设计工作；

孙新忠（1962-），男，河北正定人，保定天威集团特变电气有限公司总工、教授级高级工程师，长期从事电力及特。