有载调压自耦变压器在电网应用中可以串接在电力变压器后面，以较大的调压范围来调整变压器输出电压，它可以在30%的范围内对电网电压进行自动调节，以满足稳定变压器输出电压的要求；也可以挂在6-35kV电网上，配合无功补偿装置，对电网进行无功精细补偿。

    通常的无功补偿装置是采用多组投切无功补偿的方式进行补偿，有时会出现过补或欠补的现象，补偿不精细，设备利用率不高。投切时有较大的涌流和操作过电压，致使设备使用寿命缩短。

    电容器退出运行时有一定的残余电荷，必须放电到一定程度才能重新投入，否则会使电容器老化或损坏。而采用有载调压自耦变压器则可通过改变输出电压来调节电容器两端电压从而改变电容补偿装置的输出无功容量，从而实现无功的精细补偿，改滞后调节为实时调节，可以很好的满足系统无功变化的需要。

    1、自耦变压器的工作原理

    图1为自耦变压器的原理接线图。这种变压器看起来只有一个绕组，低压绕组是高压绕组的一部分，所以它也叫单绕组变压器。自耦变压器高压绕组AX由低压绕组ax和另一绕组Aa串联而成。Aa绕组通常叫串联绕组，ax绕组为高压侧与低压侧所共有，通常叫公共绕组。

    图1自耦变压器原理接线图

    公共绕组和串联绕组是通过“电磁感应”和“电”的直接连接两种关系耦合起来的，用来改变一、二次电压和在一、二次之间传输电能，所以这种变压器叫自耦变压器。

    设P1N、P2N、PN分别代表自耦变压器的额定输入容量、额定输出容量和额定容量，在忽略励磁电流和损耗的情况下，则有：

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

    式中：KW-自耦变压器的电压比，KW=W1/W2＞1

    设PC为上部串联绕组容量，PG为下段公共绕组容量，则：

    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，自耦变压器上段串联绕组的容量等于下段公共绕组的容量，也叫结构容量或型式容量。自耦变压器的铁心选择是以结构容量来计算的。

    式中：WC-串联部分绕组匝数；W1-高压部分绕组匝数；W2-低压部分绕组匝数；KS-效益系数，亦即自耦变压器的结构容量与额定通过容量之比。

    由于KW＞1，可以看出自耦变压器的串联绕组容量或公共绕组容量都小于自耦变压器的额定容量，这就是自耦变压器的突出优点。电压比愈接近于1，PC或PG愈小，亦即效益系数就愈小，自耦变压器经济型就愈好。

    设P2T为二次侧实际输出容量，也就是实际通过的容量，也叫“通过容量”，因为：P2T=U2I2=U2I1+U2IG

    由于自耦变压器有“电”连接的特点，我们将电源直接传到二次侧的容量，称作“电传导容量”，以Pcd表示，即上式中的U2I1；由于电磁感应关系由电源传给二次侧的容量，叫“电磁容量”，也叫结构容量或计算容量，以Pdc表示，即上式中的U2IG，则

    P2T=Pcd+Pdc

    从上两式可以看出，自耦变压器与普通变压器不同，一方面靠电磁感应关系传送容量，另一方面，还可以从电源直接传送容量。因而自耦变压器二次侧从电源吸收的容量为电磁容量与电传导容量之和。

    在忽略励磁电流和损耗的情况下，当自耦变压器一次侧为额定电压、额定电流时，二次侧所通过的容量即为铭牌所标出的额定容量PN；因为在进行自耦变压器电磁设计计算时，它的尺寸、重量和铁心截面是由电磁传送容量所决定，故自耦变压器公共绕组的电磁容量叫“结构容量”或“型式容量”，它是自耦变压器设计的一个重要参数。

    3.0自动调压自耦变压器的结构特点

    3.1自动调压自耦变压器的原理接线图

    自动调压自耦变压器的原理接线图见图2：

    图2自动调压自耦变压器原理接线图

    从自动调压自耦变压器原理图可以看出，变压器为恒磁通等差调压，有载分接开关选用角接开关，以便于低压出线的引出。

    3.2最大额定容量及调压范围的选择

    有载调压自耦变压器的最大额定容量及调压范围取决于有载分接开关的选择，现有的有载分接开关，在BF系列中，最大额定通过电流为400A，最大额定级电压为600V，最大分接位置数为9；CV型开关最大额定通过电流为350A，最大分接位置数为14；SV型最大额定通过电流为500A，最大额定级电压最高均为1500V，最大分接位置数为12。

    3.2.1用于稳定电网电压用有载调压自耦变压器的最大额定容量的选择

    用于稳定电网电压的有载调压自耦变压器其在运行当中容量是保持不变的，其最大额定容量取决于有载开关的最大额定通过电流及调压范围，如35kV有载调压自耦变压器，选用BF型开关，调压范围为±10%，则最大额定容量为：Se=1.732x400x35x0.9=21823kVA；如调压范围为0-20%，则最大额定容量为：Se=1.732x400x35=24248kVA。

    3.2.2用于无功补偿用有载调压自耦变压器的最大额定容量及调压范围的选择

    用于无功补偿用油载调压自耦变压器的工作原理是基于S=2πfCU2，故其输出电压越低，有载调压自耦变压器的输出容量越小，其输出容量是与输出电压与额定电压之比的平方成正比，即：

    Si=(Ui/UN)2SN

    式中：Si-自耦变压器第i级的输出容量；Ui-自耦变压器第i级输出电压；UN-自耦变压器额定电压；SN-自耦变压器额定容量。

    故其最大容量是在额定工作电压时的容量，即额定容量。如10V有载调压自耦变压器，其调压范围为-40～0%，调压级数为9级，如选用BF型有载分接开关，则其最大额定容量为：Se=1.732x10x400=6928kVA，其最大调压范围为-8x600/5774x100=-83（%），即其对额定电压的调压范围从17%调整到100%，其最大调容范围可从2.9%调整到100%。如BF型有载分接开关用在35V电网上，则其最大调压范围为-8x600/20210x100=-23.7（%），即其对额定电压的调压范围从76.3%调整到100%，其最大调容范围为可从58%调整到100%。

    3.3技术参数

    以用于无功补偿的有载调压自耦变压器为例，电压等级为10kV：

    1)产品型号：OSZ-6000/10.5；

    2)电压调节范围：40%～100%Un，9级调压；

    3)联结组别：YNa0，三相三线星形接法；

    4)绝缘水平：LI75/AC35；5)产品总损耗：小于额定容量的0.2%；

    6)最大阻抗电压应小于1.5%。

    7)调压方式：有载调压，9级连续可调。

    8)冷却方式：ONAN；

    4具体实施方案

    4.1设计产品的相关技术数据

    本产品的结构特点是其输出容量随输出电压的变化而变化，其具体技术参数见表1。

    铁心截面积：465.6cm2每匝电压：17.83V/匝公共匝数：204匝串联匝数：136匝分接匝数：17匝

    每级电压：303.1V/匝

    在表1中，各级的型式容量计算公式如下：

    SXi=3IGiUCix10-3kVA

    式中：SXi-第i分接的型式容量，kVA；IGi-第i分接的公共电流，A；UCi-第i分接的输出电压，V。

    4.2铁心直径的选取

    铁心直径的选取与电力变压器相同，但其容量则按最大型式容量来选择计算。

    在用于电容补偿的有载调压自耦变压器中，由于其形式容量都较小，在设计中可用长圆形结构的铁心形式。

    4.3各分接段绕组的设计

    为方便分析以上技术数据，可将以上数据汇集成如下电流图进行分析：

    图3自动调压自耦变压器各级电流分配示意图

    将调压部分作为串联绕组，布置在公共绕组的外部。从上图可以看出，公共绕组的最大通过电流为79.2A。串联绕组的各个分接段的输入电流和公共电流均不相同，如在9分接。

    其输入电流为329.9A，输出电流为329.9A，电流从输入端通过有载分接开关的电流端子直接流过到输出端，在自耦变压器中的公共电流为0A；在8分接，输入电流为297.8A，而公共电流为15.7A，输出电流为313.4A；而在1分接时，其输入电流为118.8A，公共电流为79.2A，输出电流为198.0A。

    在同一分接段，有正向或反向电流流过，故在选取分接段导线电流时，按最大通过电流选取，如在第7分接段，正向输入电流为267.2A，反向公共电流则为15.7A，故选取267.2A为最大通过电流来选取导线截面。

    由于各分接段的最大通过电流均不同，故在设计时可根据各分阶段电流来确定相应的导线截面，以节省原材料，降低产品制造成本。但导线规格不易选择过多，最好是选择一种导线，当电流大时就采用多根并联的方式，有利于串联绕组的绕制。

    如在上述实例中，第8分接段最大通过电流为297.8A，其一半电流为148.9A，而第4段分接最大通过电流为185.6A，这样，就可以选择1-4段分接为一根导线，而5-8段分接段采用2根导线并联的方式，电流密度在设计时互相兼顾一下，可以得到很好的经济效果。

    4.4绝缘结构设计

    主结缘结构设计按10V级设计即可。本文主要讨论的是公共绕组与串联（即调压）绕组之间的绝缘。

    图4所示为公共绕组与串联绕组排列示意图。

    图4公共绕组与串联绕组排列示意图

    4.4.1确定绕组间的试验电压

    由于本文叙述的自耦变压器为恒磁通调压，既每匝电势保持不变，故无论在那个分接，串联绕组与公共绕组的电压差始终为6062-3637=2425（V），在感应试验时则为2425x2=4850（V）。在确定公共绕组与串联绕组之间的绝缘时，以感应电压US=4850V来确定期间的绝缘距离即可。

    4.4.2绝缘结构确定

    公共绕组与串联绕组之间的绝缘是用0.12电缆纸粘绝缘纸板条形成，可将它看成由纯绝缘油隙组成。

    首先计算出油隙的平均场强，并与表2中的油隙最小击穿场强进行比较，以确定绝缘结构的合理性。

    油隙的平均场强计算如下：

    EP=US/d

    式中：EP-油隙平均电场强度，kVUS-绕组间的感应耐压试验值，kVd-绕组间油隙，mm

    然后用均匀电场下的油隙最小击穿场强Edmin与油隙平均场强EP进行比较，确定绝缘裕度K：

    K=Edmin/EP≥2.5

    在本产品中：

    EP=US/d=4.85/5=0.97kV

    K=Edmin/EP=11.7/0.97=12.1＞2.5

    在本产品中，公共绕组与串联绕组间的绝缘距离的确定，除考虑其绝缘强度外，还要考虑绕组的散热问题。

    5阻抗电压的计算

    在计算阻抗电压时，因在第一档时，所有的调压部分都作为串联绕组，故在第一档工作时的阻抗电压最大。在第九档时，电流直接从高压输入端通过有载分接开关的电流端子流出到低压输出端，在自耦变压器中无电流流过，此时的阻抗电压为0，损耗亦为0。故在计算阻抗电压时，只要计算第一档的阻抗电压即可。

    自耦变压器的阻抗电压计算与普通的电力变压器计算基本相同，只不过在阻抗电压前乘效益系数的平方即可。设UP为按正常电力变算出的阻抗电压，UZ为自耦变压器的阻抗电压，则有：

    UZ%=KS2UP%

    6结束语

    本文对自动调压自耦变压器的结构及其应用进行了详细的介绍，并主要对应用于无功补偿的自动调压自耦变压器的原理、设计参数的计算及绝缘结构等进行了分析与实例计算，为其设计提供了一个参考方法。

    自动调压自耦变压器产品的开发，也是随着电网质量的不断提高而推出的新产品，它即能满足稳定电网电压的要求，以利于长距离输送电网能量，又可作为对无功补偿装置提供电源的设备，对电网无功进行精细补偿。