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摘要：針對采用電氣元件組裝電力智能調壓器存在體積大、故障點多的問題，提出了研制有載分接機械開關的解決方案，從總體思路、具體結構、運行分析等方面對該方案進行分析，并通過實例證明，該方案具有結構緊湊，運行穩定，制造成本低，通流能力大等特點。

關鍵詞：變壓器；智能調壓器；傳動機構；有載分接開關

長期以來，因為傳統變壓器輸出電壓固定不變，末端合格電壓供電能力弱，再加上我國廣大農村特別是高原山區、牧區、湖區等邊遠地區廣泛存在點多分散、面廣量大，近變壓器用戶實際電壓偏高、遠變壓器用戶實際電壓嚴重偏低等問題[1-3]。國家關于“十三五”期間實施新一輪農村電網改造升級工程意見要求，實施新一輪農村電網改造升級工程，是加強農村基礎設施建設，加快城鄉基本公共服務均等化進程的重要舉措，對促進農村消費升級、帶動相關產業發展和拉動有效投資具有積極意義。各地區、各有關部門和相關企業要進一步提高思想認識，加強組織、規范管理，落實責任、密切配合，切實完成好新一輪農村電網改造升級各項任務。為配合國家農村電網改造升級工程，經過了大量分析和多次試驗，最終確定了采用新型自耦變壓器、有載分接開關、線路自動監測與控制等技術的電力智能調壓器方案。

1電力智能調壓器

電力智能調壓器主要服務于農村、偏遠山區電網，針對其點多分散、面廣量大，近變壓器電壓偏高、遠變壓器電壓嚴重偏低等特點，采用12個調節檔位精細調節，并且調檔時不能斷電。圖1為電力智能調壓器電氣原理。由圖可以看出，該裝置主要由1個自耦變壓器、13個電氣開關、2個分裂電抗器和1個可控硅無觸點電子開關組成，A為輸入端，A1為輸出端。當輸出端A1電壓符合gB/T12325—2008《電能質量供電電壓偏差》規定的標準時，系統可設置為KMA3（旁路）接通，此時調壓器不工作；當系統監測到輸出端電壓低于標準時，系統指示KMA2（升壓）接通，根據需要升壓的數值大小，通過8個選擇開關某2個開關的接通實現升壓，共有3個升壓檔次（KA7、KA8為過渡位置不升不降），如果只接通其中1個開關，則可以實現電壓的精細調節，此時為6檔升壓；當系統監測到輸出端電壓高于標準時，系統指示KMA1（降壓）接通，根據需要降壓的數值大小，通過8個選擇開關某2個開關的接通實現降壓，共有3個降壓檔次（KA1、KA2為過渡位置不升不降），如果只接通其中1個開關，則可以實現電壓的精細調節，此時為6檔降壓。從以上開關動作來看，整個開關切換過程中均無燃弧。切換其他檔位或降壓模式時，與此動作類似[4-6]。在電力智能調壓器研制初期，選擇開關、切換開關、升降壓開關和旁路開關等13個開關均采用交流接觸器、繼電器等電氣元件制作，這樣三相調壓器就需要39個開關，直接影響是導致設備體積過大，用戶安裝時造成諸多不便。在試制過程中發現，由于線路點位太多，造成故障點增多，出現故障時需一一排查，難度增大，再者在大電流調壓器時，交流接觸器、繼電器等電氣元件則故障頻發，無法承擔大電流的沖擊，選用額定電流大的電器元件比較困難，成本成倍增加[7-8]。在試驗中遇到上述問題后，研制了一種專門用于電力智能調壓器的有載分接機械開關，根據調壓器的有載無燃弧有規律的運行特點，采用旋轉式機械傳動機構，很好的解決了采用電氣元件的缺點。該裝置具有結構緊湊，運行穩定，制造成本低，通流能力大等特點。

2有載分接機械開關

2.1總體思路

根據圖1分析，選擇開關與切換開關等其他開關動作特點是：在電壓不需要調節時，旁路開關KMA3是接通的，升壓開關KMA2和降壓開關KMA1可事先接通其中的一個，切換開關KM9、KM10和電子開關SSRA也可事先接通，而八個選擇開關則是全部斷開的；在電壓需要調節時，升壓時，需先接通升壓開關KMA2，選擇開關處于整檔位時，旁路開關KMA3必須是斷開的，而切換開關KM9、KM10和電子開關SSRA則根據無弧切換的需求配合動作。降壓時，需先接通降壓開關KMA1，其余開關配合動作。從以上分析可知：需提供一個動力源，在機械開關動作時既相互關聯，又互不干擾，運動時保證各個開關的穩定性和協調性，從而實現電力調壓器的各項功能，旋轉式機械傳動機構可滿足于該功能。

2.2具體結構

圖2為電力智能調壓器設計的旋轉式傳動有載分接機械開關主要由底盤部分、筒體部分、主軸部分、傳動系統部分四大部分組成。

2.2.1底盤部分如圖3所示，底盤部分主要由下端蓋、軸承、動觸塊、彈簧掛銷、拉簧、支架、靜觸塊、連接銅線等零部件組成。以上零部件導電零件為銅件，絕緣零部件為PA66增強尼龍。底盤部分通過下端蓋固定在筒體部分上。底盤部分除了連接件功能以外，主要是升降壓開關KMA1、KMA12的集成底座。動觸塊在拉簧的作用力下可與2個靜觸塊分別接觸導電，相當于KMA1、KMA12升降壓開關。動觸塊上設置一個齒槽，與主軸部分上的撥塊相互配合，來實現升降壓開關的開合。

2.2.2筒體部分如圖4所示，筒體部分主要由絕緣套筒、導電銅環、導電塊、連接銅板、絕緣塊、接線柱等零部件組成。以上零部件導電零件為銅件，絕緣零部件為PA66增強尼龍。筒體部分的結構為分層配置，4個絕緣套筒分別與導電銅環、導電塊和絕緣塊相配合。導電銅環、導電塊和絕緣塊設計成凹形結構，便于定位安裝；導電銅環、導電塊上設置有接線柱，便于引出接線；絕緣塊將中間部分導電塊均分成5個導電單元，將上下兩部分分隔成2個導電單元。如圖4所示，筒體部分在中間部位安裝有5個均分的導電塊，每個導電塊外部均安裝有接線柱，作為引出通電，內部圓弧面與主軸部分上的動觸頭光滑接觸。上下2個導電銅環和2個導電塊外部也安裝有接線柱，作為引出通電，內部圓弧面與主軸部分上的動觸頭光滑接觸。根據圖1所示的電氣原理圖，所對應的具體開關名稱如圖4所示。由此看來共可代替圖1虛線框內的11個電氣開關。

2.2.3主軸部分如圖5所示，主軸部分主要由主軸、撥塊、動觸頭、壓簧、動觸頭架、蓋板等零部件組成。以上零部件導電零件為銅件，絕緣零部件為PA66增強尼龍。 主軸部分2個動觸頭分別安裝在2個動觸頭架上，動觸頭與筒體部分的導電銅環和導電塊滑動接觸，其預緊力由壓簧提供。動觸頭架固定在主軸上隨主軸旋轉運動。主軸下端還安裝一撥塊，其與底盤部分上的動觸塊相互作用，以實現升降壓開關的開合。2個動觸頭架是完全相同的零件，安裝時反向安裝即可。在端部設置一蓋板，用于定位和安裝動觸頭，防止動觸頭滑落。為保證動觸頭與筒體部分的導電銅環和導電塊光滑接觸，需對動觸頭圓弧部位進行研磨加工，以保證接觸導電的通流能力，減小接觸電阻[9-10]。主軸上端通過軸承與傳動系統部分的主軸齒輪等相連接，下端與底盤部分下端蓋通過軸承連接。

2.2.4傳動系統部分如圖6所示，傳動系統部分主要由步進電機、電機座、電機齒輪、上端蓋、軸蓋、主動齒輪、小齒輪、編碼器齒輪、編碼器、軸承、軸承蓋等零部件組成。該部分零部件為系統動力部分，不參與導電，部分是金屬件，部分為絕緣材料PA66增強尼龍制成。傳動系統部分通過上端蓋在筒體部分上，步進電機通過安裝在上端蓋上的電機座固定，電機軸上安裝一電機齒輪，編碼器也一并安裝在電機座上，編碼器主軸上安裝一編碼器齒輪。主軸齒輪、小齒輪和軸蓋與主軸部分的主軸相連接實現傳動。步進電機啟動時，由電機齒輪帶動主軸齒輪旋轉，主軸齒輪同步帶動主軸和小齒輪轉動，小齒輪帶動編碼器齒輪旋轉，將轉動信號傳遞給編碼器。編碼器精確控制主軸轉動角度。

2.3旋轉式傳動有載分接機械開關的運行分析

該有載分接機械開關是為了解決電氣元器件故障點多而開發的，將數十個電氣開關整合為一體，具有非常高的緊湊型和集成度。機械開關在調壓時線路不斷電，充分保證了用電的安全性和可靠性，經過大量實驗驗證，達到了預期的目標。下面介紹一下開關運行相關程序。有載分接機械開關安裝時預置升降壓開關為升壓狀態，即KAM2升壓開關處于閉合狀態，選擇開關預置為0位，即KAM3旁路開關處于閉合狀態，切換開關KA9、KA10和電子開關SSRA屬于外置開關，事先預置為常閉狀態。當線路電壓某項下降到某一系統設定數值時，智能控制系統發出升壓信號，電力智能調壓器中的KAM2升壓開關已經處于閉合狀態，信號直接控制傳動系統中的步進電機啟動，通過齒輪傳動系統驅動主軸轉動（從圖6看主軸為順時針轉動），從而帶動2個動觸頭同步轉動，具體轉動角度由編碼器控制，從而實現既定的動作。有載分接機械開關在調壓時應保證線路不斷電，即A端輸入，A1端輸出在調壓過程中電路暢通。圖5中2個動觸頭所在位置可確定為初始位置，在此情況下，旁路開關KMA3是接通狀態，其余開關為斷開狀態；當線路電壓下降到某一系統設定數值時，智能控制系統發出升壓信號，電機啟動，通過齒輪傳動組驅動主軸轉動，從而帶動動觸頭和主軸底部的撥塊同步轉動，在動觸頭斷開旁路開關之前，撥塊已帶動動觸塊壓緊到升壓開關靜觸塊上，此時相當于KMA2升壓開關接通，當2個動觸頭全部旋轉到中間第一個導電塊上時，此時相當于KA8、KA7兩個開關接通，從電氣原理圖來看此時既不升壓也不降壓；繼續向下一位置旋轉，當1個動觸頭轉到中間第2個導電塊上時，此時另一個動觸頭尚未離開第1個導電塊，此時相當于KA7、KA6兩個開關接通，此時升壓半擋，KA5、KA6兩個開關接通時為升壓整擋,以此類推，直至升壓15%。當線路需要降壓時，動觸頭回轉，直至到初始位置，旁路開關KAM3接通，繼續回轉，主軸底部的撥塊轉動，帶動動觸塊轉到另一側，壓緊到升壓開關靜觸塊上，此時降壓開關KMA1接通，再回轉與升壓動作相同。其旋轉位置的準確度靠主軸頂端的編碼器控制轉角來保證的。該機械開關的調壓能力為±15%，在此范圍內調壓幅度根據電網電壓確定。在以上開關開合過程中，電子開關SSRA和切換開關通過控制系統密切配合，以防拉弧，具體動作是在選擇開關無論是閉合或者斷開之前，電子開關SSRA和對應的一側切換開關事先斷開。機械開關的整個動作過程中，所有觸頭均為無燃弧動作，這就大大增強了使用壽命和運行的安全性。

2.4有載分接機械開關的應用

該有載分接機械開關樣機試驗成功后，分別安裝于單相和三相電力智能調壓器中進行應用效果驗證。經過幾個月的掛網試驗，實時跟蹤電壓波動情況，結果表明，調壓器整機運行平穩，末端電壓符合設定標準，進而表明有載分接機械開關應用狀況良好，達到了預期設計目的，可以進行推廣應用。

3結束語

有載分接機械開關是為配合國家農村電網改造升級工程而立項，在經過多次失敗的基礎上，經過了大量分析和多次試驗，最終定型的方案。該開關用于山東普益電氣有限公司研制的電力智能調壓器，具有12個調節檔位、精細調節、用戶無瞬間斷電等特點。根據對方案的分析和實際試驗得知，在該裝置中，通過動觸頭和集電環接觸可實現大電流通過，通過2個動觸頭模塊和10個靜觸頭不同位置接觸，可替代8個電氣開關，再加升降壓開關和旁路開關，共可替代11個電氣開關，而且該開關結構緊湊，運行穩定，制造成本低，并且通過加裝SSRA電子開關可實現觸頭無燃弧開合。

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作者：李海國 單位：山東普益電氣有限公司