趙玉林 董守田 梁秋艷

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣工程系，哈爾濱 150030；2. 佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院農(nóng)機(jī)工程系，黑龍江 佳木斯 154007）

1 引言

變壓器的有載自動(dòng)調(diào)壓是穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的最有效的措施之一，目前人們通常采用機(jī)械式有觸點(diǎn)式自動(dòng)分接開關(guān)。這種開關(guān)改變分接頭時(shí)因產(chǎn)生電弧必須安裝在獨(dú)立的油箱中，且不適合頻繁操作。Cooke G H采用晶閘管作為輔助開關(guān)的有載調(diào)壓分接開關(guān)[1]，解決了切換分接頭產(chǎn)生電弧的問題，但這種結(jié)構(gòu)的分接開關(guān)仍然存在機(jī)械部分，且調(diào)節(jié)速度慢、不能頻繁操作的固有缺點(diǎn)并沒有改變[2]。文獻(xiàn)2的作者采用了輔助變壓器與主變壓器一次側(cè)串聯(lián)，通過由晶閘管改變輔助變壓器二次側(cè)分接頭進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。這種調(diào)壓方法雖然調(diào)節(jié)快，無電弧但由于需要復(fù)雜的輔助變壓器和大容量的晶閘管，因造價(jià)高而限制了這種有載調(diào)壓開關(guān)的應(yīng)用。由于性能和造價(jià)原因，都不適合配電變壓器。

電力電子元件易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制和具有關(guān)斷與導(dǎo)通變換快，變換過程中不產(chǎn)生電弧等優(yōu)點(diǎn)。將其作為變壓器的有載分接開關(guān)將具有造價(jià)低，壽命長(zhǎng)，可頻繁調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹一種基于固態(tài)繼電器作為分接開關(guān)的有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的構(gòu)成、基本原理和個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的主電路及調(diào)壓過程

2.1 無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的主電路

本裝置由變壓器本體、無觸點(diǎn)分接開關(guān)、環(huán)流限制電路、控制單元組成。其主電路接線圖如圖1所示。

圖1 有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器原理接線圖

圖中，w10為變壓器的高壓側(cè)基本工作繞組，只要通電就在工作；w11，w12為高壓側(cè)調(diào)解繞組；w2為配電變壓器低壓側(cè)繞組；SSRi(i=1,2,3,4)為過零型固態(tài)繼電器，具有在控制電壓作用下，交流電壓過零時(shí)導(dǎo)通，控制電壓為零時(shí)，交流電流過零時(shí)關(guān)斷的特性；RX為環(huán)流限制電阻，只有在變換工作分接頭的過程中才接入回路中。單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的作用是檢測(cè)配電變壓器的輸出電壓，根據(jù)預(yù)定程序發(fā)出控制指令；CB為測(cè)量變壓器，給監(jiān)控系統(tǒng)提供電源和測(cè)量信號(hào)。

2.2 有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程

配電變壓器上電前監(jiān)控系統(tǒng)由蓄電池供電，使SSR3處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)變壓器合閘后，單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)配電變壓器的輸出電壓，如果電壓超過允許波動(dòng)范圍，則進(jìn)入自動(dòng)有載調(diào)壓程序。自動(dòng)有載調(diào)壓流程圖如圖2所示。

從圖 2可以看出，每次都是先將限流電阻 RX串入分接頭變換回路，然后再開始分接頭的變換，這樣可以起到限制環(huán)流幅值的作用。

3 無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器總體布置

固態(tài)繼電器作為無觸點(diǎn)分接開關(guān)，動(dòng)作時(shí)沒有電弧產(chǎn)生，所以可以和變壓器繞組共用一個(gè)油箱，本樣機(jī)為S9系列50kVA，10/0.4kV節(jié)能配電變壓器，帶有油枕，為了調(diào)試方便，本樣機(jī)將油枕稍加改造，將由固態(tài)繼電器組成的無觸點(diǎn)分接開關(guān)及由AT89C52單片機(jī)構(gòu)成的控制器放在經(jīng)改造后的油箱里，將原繞組的分接頭和由于測(cè)量變壓器輸出電壓的低壓側(cè)相電壓經(jīng)油路引入到油箱中與分接開關(guān)和控制器相連，這樣即減小了變壓器的體積，同時(shí)又解決了在中國(guó)北方嚴(yán)寒的冬天電子元件可能失控的問題。具體安裝示意圖如圖3所示。

圖2 自動(dòng)有載調(diào)壓流程圖

圖3 具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能配電變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖

4 無觸點(diǎn)分接開關(guān)元件參數(shù)的選擇

4.1 無觸點(diǎn)分接開關(guān)的選擇

固態(tài)繼電器起有載分接開關(guān)的作用，在選擇時(shí)應(yīng)考慮電流和耐壓兩方面的因素。在電流方面，其額定電流應(yīng)大于變壓器的尖峰電流，并應(yīng)能承受變壓器的勵(lì)磁涌流和電源側(cè)熔斷器熔斷前變壓器出口的短路電流。在電壓方面，正反向耐壓應(yīng)大于關(guān)斷時(shí)所承受的工作電壓的110%。本變壓器樣機(jī)采用40A660V過零型交流固態(tài)繼電器作為分接開關(guān)。這種繼電器具有在控制電壓作用下當(dāng)所加交流電壓過零時(shí)導(dǎo)通，在撤消銷控制電壓后，在交流電流過零時(shí)自動(dòng)關(guān)斷的特點(diǎn)。

4.2 阻容吸收電路的確定

為了保證固態(tài)繼電器可靠關(guān)閉與安全開通，必須降低固態(tài)繼電器關(guān)閉時(shí)兩端電壓的上升率du/dt和限制開通瞬間流過SSR電流的上升率di/dt。通常采用在 SSR兩端并聯(lián)阻容吸收電路來達(dá)到限制du/dt和di/dt的目的。阻容吸收電路的參數(shù)與變壓器的容量和固態(tài)繼電器的特性有關(guān)，可以參照可控硅的吸收電路參數(shù)選取，如下表1所示。電容耐壓取固態(tài)繼電器額定電壓的2.5倍以上，電阻功率按下式選取

式中，Umax為電阻兩端工作電壓峰值。

表1 固態(tài)繼電器阻容吸收電路經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]

本樣機(jī)取C=0.2μF，額定電壓為1500V的無極性電容，電阻取40?，額定功率為10W的繞線式電阻。

實(shí)際運(yùn)行中沒有出現(xiàn)失控和固態(tài)繼電器燒毀現(xiàn)象和電阻過熱現(xiàn)象，說明這種選擇方法可行。

4.3 限流電阻的選擇

過渡限流電阻的作用是在改變分接頭的過程中，限制調(diào)節(jié)回路的環(huán)流。由文獻(xiàn)[4]的分析可知，這個(gè)回路的電抗很小，環(huán)流大小基本由回路的電源電動(dòng)勢(shì)和串入回路的限流電阻所決定。本樣機(jī)選擇限流電阻R=20?，功率為20W的繞線式琺瑯電阻。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表面，這么選取完全滿足安全可靠，平穩(wěn)過渡的要求。

4.4 計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

本著安全，可靠，自動(dòng)穩(wěn)壓精度高，響應(yīng)快，系統(tǒng)穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)適用的設(shè)計(jì)理念，本本樣機(jī)采用AT89C52單片機(jī)為控制器的核心，采用C語言編程，三相分相觸發(fā)的方法，設(shè)計(jì)出控制單元。

4.5 無觸點(diǎn)分接開關(guān)抗電壓技術(shù)

當(dāng)配電變壓器一次側(cè)出現(xiàn)單相接地時(shí)，非接地相電壓升高到相電壓。從圖1中可以看出，分接開關(guān)—固態(tài)繼電器與控制電路及隔離變壓器的原副邊絕緣相串聯(lián)承受變壓器一次側(cè)線電壓的作用，雖然可以通過提高隔離變壓器原副繞組之間的耐壓強(qiáng)度來保證隔離變壓器絕緣不被擊穿，但由于固態(tài)繼電器控制回路和交流回路的絕緣強(qiáng)度只有2500V，控制電路的耐壓水平更低，而電壓是按照阻抗反比分配的，固態(tài)繼電器直交流回路之間的絕緣電阻又非常高，所以在 10kV電壓作用下，必然造成固態(tài)繼電器和控制線路的損壞。本樣機(jī)采用在固態(tài)繼電器的交流回路側(cè)與隔離變壓器副邊之間加裝 0.01μF電容器的方法來保護(hù)固態(tài)繼電器和控制電路。實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)方法實(shí)用可行。

5 實(shí)驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果

經(jīng)過分接開關(guān)主電路方案確定，控制器軟硬件設(shè)計(jì)，最終完成了具有無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓功能的配電變壓器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證其工作性能的穩(wěn)定性及可靠性，對(duì)變壓器樣機(jī)分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行考核。

5.1 實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目的

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)固態(tài)繼電器的耐壓能力及動(dòng)作可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，在其運(yùn)行情況良好的基礎(chǔ)上進(jìn)行無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓裝置的自動(dòng)穩(wěn)壓功能實(shí)驗(yàn)。

5.2 實(shí)驗(yàn)接線

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用輸出電壓為0－450V的調(diào)壓器與升壓變壓器（配電變壓器反接）相連，得到所需的 0－11000V的交流電源模擬電網(wǎng)電壓；應(yīng)用電阻箱（阻性負(fù)載）及電動(dòng)機(jī)（感性負(fù)載）作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)接線如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)接線圖

圖中，Tt為0－450V調(diào)壓器；T1升壓變壓器；T2為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)；M為7.5kW電動(dòng)機(jī)；R為5kW電阻箱；K1、K2為負(fù)載投切開關(guān)；V1為調(diào)壓器輸出電壓；V2為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)高壓側(cè)電壓；V3為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出線電壓；V4為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出相電壓；SC為DS5202CA型數(shù)字示波器。

5.3 固態(tài)繼電器耐壓考核實(shí)驗(yàn)

通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓使變壓器高壓側(cè)電壓在 UN±15%UN范圍變化，使 SSR1與 SSR4分別處于導(dǎo)通狀態(tài)，計(jì)算截止?fàn)顟B(tài)開關(guān)承受的最高電壓，在一定時(shí)間內(nèi)，觀察開關(guān)的工作狀態(tài)，從而來判斷SSR的耐壓能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 固態(tài)繼電器在空載情況下的耐壓數(shù)據(jù)

由表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在空載狀態(tài)下，無論哪組分接開關(guān)導(dǎo)通，裝置工作均正常，沒有SSR損壞等故障現(xiàn)象發(fā)生，表明 660V固態(tài)繼電器耐壓情況良好，可以承受開關(guān)變換過程中的最高電壓，滿足無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的設(shè)計(jì)要求。

5.4 環(huán)流實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)過多次改變實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的一次側(cè)電壓，使其在9－11kV反復(fù)調(diào)節(jié)，SSR進(jìn)行反復(fù)轉(zhuǎn)換，變換動(dòng)作可靠，且沒有出現(xiàn)過流，導(dǎo)致 SSR損壞現(xiàn)象，由此可驗(yàn)證，采用20?限流電阻完全能達(dá)到限流作用，SSR的可靠性滿足變壓器的要求。

5.5 無觸點(diǎn)自動(dòng)有載調(diào)壓裝置啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

變壓器原邊合閘送電時(shí)，因副邊沒有電壓，控制電路沒有電源，將使所有的SSR都截至，SSR因承受電網(wǎng)電壓而擊穿。本項(xiàng)目采用蓄電池啟動(dòng)，也就是在投入前由蓄電池給控制單元供電，使SSR3處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)原邊合閘時(shí)，SSR3將三相的中性點(diǎn)連到一起，使副邊輸出電壓，控制系統(tǒng)由電源變壓器供電，裝置進(jìn)入有載自動(dòng)調(diào)壓狀態(tài)。

在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過反復(fù)合閘給變壓器送電，沒有出現(xiàn)SSR損壞現(xiàn)象。合閘后反復(fù)調(diào)節(jié)樣機(jī)的輸入電壓，樣機(jī)進(jìn)入自動(dòng)有載調(diào)壓狀態(tài)，說明這種方法可行。

5.6 自動(dòng)穩(wěn)壓功能實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證整個(gè)裝置是否可以在電壓大范圍波動(dòng)時(shí)穩(wěn)定工作，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)穩(wěn)壓功能實(shí)驗(yàn)。按照?qǐng)D4的接線方式，在負(fù)載狀態(tài)下通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓來模擬電網(wǎng)電壓波動(dòng)，自動(dòng)有載調(diào)壓后輸出電壓也輸入電壓變化的比曲線如圖5所示。

圖5 樣機(jī)自動(dòng)穩(wěn)壓功能效果對(duì)比圖

從圖5中可以直接看出，調(diào)壓器輸入從360V 變化到440V時(shí)，輸出電壓從378V變化到412V，即輸入電壓在±10%UN變化時(shí)，輸出電壓變化范圍為-5.5%UN－+3%UN，。證明自動(dòng)穩(wěn)壓效果良好。

5.7 諧波畸變的檢測(cè)

當(dāng)測(cè)定無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓裝置穩(wěn)壓效果良好后，使實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在帶負(fù)載情況下，用DS5202CA型數(shù)字示波器錄得的輸出波形如圖6所示。由圖可以看出，變壓器輸出波形完好，本課題設(shè)計(jì)的無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器不產(chǎn)生諧波污染。

圖6 自動(dòng)有載調(diào)壓配電變壓器輸出電壓波形

6 結(jié)論

由理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用固態(tài)繼電器作為配電變壓器有載分接開關(guān)，只要采取合適的保護(hù)方法，是完全能夠滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行要求的；采用無觸點(diǎn)開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)快速變換分接頭，特別適用與負(fù)荷波動(dòng)較大的農(nóng)村電網(wǎng)使用；采用固態(tài)繼電器作為分接開關(guān)，不會(huì)產(chǎn)生諧波污染。本項(xiàng)目只在實(shí)驗(yàn)室對(duì)動(dòng)力負(fù)荷，純阻性負(fù)荷進(jìn)行了自動(dòng)有載調(diào)壓實(shí)驗(yàn)，但對(duì)以電焊機(jī)為主要的具有沖擊性的感性負(fù)荷還沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有待于進(jìn)一步研究。

[1]Cooke G. H. et al. New Thyristor Assisted Diverter Switch for On Load Transformer Tap Changers[J]. IEE Proceedings. Vol.139.No.6.pp.507-511.September 1992.

[2]Guorong Zhu. Minzu Li, Xiaodong Liu and Tingting Wang Voltage Regulation Method in Series Thyristor of Distribution transformer. Transformer. Vol. 22.No. 5. pp. 1001-8425. May 2002.

[3]莫正康.晶閘管變流技術(shù)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,1985.6∶73.

[4]Zhao Yulin, Dong-Shoutian∶ “Study on Non Contact Automatic on-Load Voltage Regulating Distributing Transformer Based on Solid State R.