1. 引言
在我国农村电网负荷具有季节性变化大、用电集中的特点。在农忙用电集中季节，变压器过载运行现象严重，有时甚至出现200%过负载运行现象；而在用电淡季，变压器负荷率较低，常出现“大马拉小车”现象，空载损耗相对增加，造成大量不必要的电力资源浪费[1] [2] 。
目前我国大部分地区使用了无载调容变压器，但是由于需要人工停电调节，使用很不方便。并且多数电工不能掌握正确的使用方法，调容功能在使用中并没有得到充分利用，容易因调节不及时造成烧毁变压器事故。现有的有载调容变压器采用机械式调容开关，其结构复杂，切换时产生电弧，故障率高，调节速度缓慢等缺点。随着电力电子技术的发展，其可靠性逐渐提高，成本也在大幅下降。使采用微处理器直接控制电力电子开关实现容量切换成为可能。快速无弧化的电力电子调容技术取代传统的机械式调容技术，是该领域的发展趋势。
2. 有载调容变压器的调容节能原理
目前，已有的有载调容变压器都只有一大一小两个容量，可以根据负荷的变化调整在不同的容量下运行。主要采取通过调容开关改变绕组联结方式来实现容量的调节，其方法有串并联调容，D-Y调容[3] [4] 。D-Y变换调容配电变压器绕组联结如图1，在大容量时，三相高压绕组三角形连接(D)，小容量时星形连接(Y)。每相低压绕组由三部分组成：一是27%匝数的线段(III段)，另外的73%匝数的线段由两根导线并绕而成两组(I、II段)，每组导线的截面约为I段导线截面的一半(为了减少增加的铁损)。
大容量时I、II段并联后再与III段串联，小容量时三段全部串联。若由大容量调为小容量，低压绕组匝数增加(匝数为173%)，同时高压绕组处于Y接法而每相电压降低为相电压，由于其匝数增加与电压降低的倍数相当，可保证电压比不变[3] [4] 。这样，大容量调为小容量时，高压侧D-Y联结，低压侧并-串联，联结组别则为Dynll-Yyn0。
当大容量调为小容量时，由于低压匝数的增加，铁心磁通密度大幅度降低，而使硅钢片单位损耗变小，空载损耗和空载电流也就降低了，达到了降损节能的目的。为了保持调容配电变压器在大小容量时有相同的电抗电压，小容量一般为大容量的三分之一左右。
3. 无弧有载自动调容配电变压器的调容方案及控制系统的设计
3.1. 无弧有载自动调容系统总体方案
有载自动调容变压器系统的总体结构如图2，主要有自动控制部分、有载调容变压器和调容开关三部分组成。自动控制部分采集变压器低压侧的电压、电流判断当前负荷的大小，根据容量整定值及相关
Figure 1. Structure of on-load capacity regulating transformer
图1. 调容变压器的结构原理
Figure 2. Structure of the arcless on-load capacity regulating
图2. 无弧有载调容系统的总体结构
约束条件，满足设定条件则对有载调容开关发出信号，由有载调容开关根据控制指令完成变压器内部高低压线圈的星、角变换和串并联转换，在不停电的状态下完成对变压器容量的调节。
有载调容开关是变压器实现有载调容的核心部分，有载调容变压器的技术难点也在于有载调容开关及其准确可靠的控制逻辑。有有载调容变压器的调容原理可知，在进行容量变换时，高压侧进行星角变换会产生电弧。
3.2. 自动控制系统
对自动控制系统原理结构如图3所示，主要包括电压、电流模拟量采集与信号处理部分，单片机及外围借口，电力电子开关驱动电路，电力电子开关的保护电路及电源电路等。
无励磁调容开关只能使用在允许瞬时断电，对供电质量要求不高的地方。而随着社会的发展和进步，人们对供电质量的要求越来越高，无弧有载自动调容迫在眉睫。
4. 无弧有载调容开关布置方案及可行性分析
4.1. 无弧有载调容开关的布置方案
对于D-Y调容变压器，高压侧需要两组开关实现星三角变换，每组3个，共6个。低压侧需要进行串并联变换的开关，实现并联每相需要2个共6个，实现串联每相1个共3个。所以低压侧共需要9个开关。具体布置方法如图4所示。低压侧的开关布置Sa11，Sa12；Sb11，Sb12；Sc11，Sc12同时闭合实
Figure 3. Structure of the control system
图3. 自动控制系统结构图
(a) 低压侧开关布置(Secondary side)(b) 高压侧开关布置(Primary side)
Figure 4. The arrangement of the switches of regulating capacity
图4. 高低压侧调容开关的布置
现并联；Sa2，Sb2，Sc2同时闭合实现各相的串联。高压侧开关布置SA2，SB2，SC2同时闭合实现星形连接；SA1，SB1，SC1同时闭合实现三角形连接。(SA1，SB1，SC1)和(Sa11，Sa12；Sb11，Sb12；Sc11，Sc12)同时闭合，高压侧为三角形，低压侧为并联，变压器运行在大容量；(SA2，SB2，SC2)和(Sa2，Sb2，Sc2)同时闭合时高压侧为星形连接，低压侧为串联运行，变压器运行在小容量下。
4.2. 无弧有载自动调容的可行性分析
农村配电变压器多为小容量变压器，现有的10 kV/0.4 kV，SZ11-T型有载调容变压器主要容量范围如表1所示。我们以SZ11-T型有载调容变压器大容量为500 kVA变小容量160 kVA为例，对无弧有载自动调容的可行性进行计算分析。
1) 大容量(500 kVA)时，高压侧三角形连接，SA1，SB1，SC1均承受电压10 kV线电压，额定容量为按500 kVA时，额定电流为，低压侧有两个绕组并联，线电压0.4 kV每个开关只承受0.4 kV × 0.73 = 0.3 kV，电流为
，由于二次侧在大容量时开关所在绕组为并联运行，所以流过电流约361A。
Table 1. The capacity of on-load capacity regulating transformer SZ11-T
表1. SZ11-T型有载调容变压器容量
2) 小容量时(160 kVA)，高压侧为星形连接，SA2，SB2，SC2只承受相电压,此时容量为160 kVA,
；低压侧为串联所承受的电压依然为0.4 kV × 0.73 = 0.3 kV，额定电流为230.9 A。
由以上分析可知所有开关中承受的最大电压为10 kV，最大电流为361 A。目前大功率电力电子器件的额定电压高达万伏，额定电流也已上千安，所以合理组合的大功率电力电子调容开关替代复杂多故障
的机械式有载调容开关是可行的。电力电子开关具有良好的开断和控制特性，但必须为运行中可能出现的涌流留有三分之一或更多的裕度，以防过载烧毁；电力电子器件串联分压满足电压容量的技术已经非常成熟，满足10 kV电压容量的串联技术已在许多领域得到广泛运用[5] -[7] 。
5. 结论
该研究针对农村配电的特点，给出了无弧有载开关的布置方案，对有载自动调容的原理及控制系统的构成进行了分析，探讨了应用电力电子器件实现无弧有载自动调容的可行性。电力电子型无触点有载自动调容配电变压器是实现现代化生产的必然要求，适合应用于农业生产、生活用电的配电系统，具有重大的现实意义，将会是未来农村配电网降损节能重要力量。