趙玉林，董守田，趙 琦

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

農(nóng)村低壓配電網(wǎng)由于負荷波動大、供電半徑長、導線截面小，使電壓大幅波動，人們通常采用配電變壓器有載自動調(diào)壓來穩(wěn)定系統(tǒng)電壓?，F(xiàn)有的機械式有觸點式自動分接開關(guān)，因改變分接頭時產(chǎn)生電弧而必須安裝在獨立的油箱中，故不宜頻繁操作且造價高不適合容量小、數(shù)量多的配電變壓器使用。Cooke采用晶閘管作為輔助開關(guān)的有載調(diào)壓分接開關(guān)[1]，解決了切換分接頭時產(chǎn)生電弧的問題，但這種的分接開關(guān)仍然存在機械部分，使調(diào)節(jié)速度慢、不能頻繁操作的固有缺點并沒有改變[2]。Zhu等采用了輔助變壓器與晶閘管相結(jié)合實現(xiàn)有載調(diào)壓的方法雖然調(diào)節(jié)快、無電弧但由于需要復雜的輔助變壓器和大容量的晶閘管[2]，造價高而限制了這種有載調(diào)壓開關(guān)的應(yīng)用。以上開關(guān)由于性能和造價原因，都不適合配電變壓器。

電力電子元件易于實現(xiàn)計算機控制和具有關(guān)斷與導通變換快，變換過程中不產(chǎn)生電弧等特性。將其作為變壓器的有載分接開關(guān)將具有造價低，壽命長，可頻繁調(diào)節(jié)等優(yōu)點。本文介紹一種基于固態(tài)繼電器作為分接開關(guān)的有載自動調(diào)壓配電變壓器。

1 無觸點有載自動調(diào)壓配電變壓器的主電路及調(diào)壓過程

1.1 無觸點有載自動調(diào)壓配電變壓器的主電路

圖1 有載自動調(diào)壓配電變壓器原理接線Fig.1 Main circuit of non contact automatic on-load voltage regulating distributing transformer

1.2 有載自動調(diào)壓配電變壓器的自動調(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處于導通狀態(tài)，當變壓器合閘后，單片機監(jiān)控系統(tǒng)自動檢測配電變壓器的輸出電壓，如果電壓超過允許波動范圍，則進入自動有載調(diào)壓程序。自動有載調(diào)壓流程圖如圖2所示。

圖2 有載自動調(diào)壓流程Fig.2 Flow of automatic on-load voltage regulation

由圖2可知，每次調(diào)高輸出電壓時，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)流值的作用，而在調(diào)低電壓過程中，沒有將限流電阻RX串聯(lián)到變換回路中，而是直接進行變換的，變換比較。之所以采用這種方式，是因為在調(diào)高輸出電壓和調(diào)低輸出電壓就有不同的機理。

2 改變分接頭時調(diào)節(jié)繞組環(huán)流狀況的理論分析

由分接頭變換過程中各固態(tài)繼電器的動作順序可以看出，在變換過程中調(diào)節(jié)繞組與固態(tài)繼電器將形成閉合回路，從而在這個回路中產(chǎn)生環(huán)流，如果環(huán)流超過允許值將造成固態(tài)繼電器的損壞。環(huán)流的大小與回路的阻抗和變壓器高壓側(cè)的功率因數(shù)cosφ1有關(guān)，cosφ1越小，環(huán)流越大。cosφ1min=0.2 即φmax=78.5°。

樣機為S9-50 kVA/10 kV節(jié)能配電變壓器，高壓側(cè)靠近中性點側(cè)有95%UN和UN三個分接頭。當105%UN變壓器一次側(cè)線電壓為額定電壓10 kV，電流為額定電流2.75 A，SSR3導通，其余SSR關(guān)斷，工作繞組為w10、w11兩個繞組的串聯(lián)，變壓器二次側(cè)的線電壓為額定電壓400 V，在額定狀態(tài)下工作。變壓器的短路電壓百分數(shù)Uk=4%，短路損耗△Pk=1150 W，空載電流百分數(shù)I0=2.5%，空載損耗△P0=190 W。由此計算出折算到高壓側(cè)變壓器等值阻抗為ZT=40 Ω，其中等值電阻為RT=23 Ω，等值電抗 XT=32.7 Ω。

當變壓器輸出電壓低于允許值時，工作分接頭將從UN向95%UN轉(zhuǎn)換。在SSR1導通到SSR2關(guān)閉這段時間，調(diào)節(jié)繞組w11與SSR1和SSR2形成閉合回路，產(chǎn)生環(huán)流i。i可用圖3的等效電路來計算（本電路也適用與分接頭由105%UN到UN的變換）。

圖3 改變分接頭時的等效電路Fig.3 Equivalent circuit in the process of switching tap joint

圖3中Xw11和Rw11分別為變壓器一次側(cè)w11段調(diào)節(jié)繞組的等效電抗和電阻，K為SSR1的等效開關(guān)，Uw11為回路的等效電源電壓。設(shè)繞組是均勻的，則根據(jù)繞組電阻與匝數(shù)成正比，電抗與匝數(shù)的平方成正比的關(guān)系，并考慮到現(xiàn)在是w10與w11串聯(lián)工作，計算出[4]：Xw11=0.82 Ω，Rw11=1.15 Ω。uw11接近于一次側(cè)相電壓 u1φ（＝8 164sinωt）的 5%，即uw11≈408sinωt。圖3的回路電壓方程為：

方程式1的解為：

無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是建設(shè)智慧旅游城市的關(guān)鍵，當前，北京市的無線覆蓋區(qū)域已囊括主城區(qū)，并且正在積極推進鄉(xiāng)村地區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。發(fā)達的信息技術(shù)是建設(shè)智慧旅游城市的基礎(chǔ)，北京市作為國家智慧城市發(fā)展的首批試點城市之一，在物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能等信息技術(shù)研發(fā)應(yīng)用上不斷發(fā)力并取得了諸多成果。例如，在城市交通問題上，北京市正積極推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，通過將大數(shù)據(jù)技術(shù)和無人駕駛技術(shù)相結(jié)合，使居民出行更加信息化、便利化，為打造智慧旅游城市提供了必要的交通條件。

式中，i'為回路電流的穩(wěn)態(tài)分量，如果取RX=0則

i''為回路電流的暫態(tài)分量為

所以

式5中的A與變換分接頭前一次側(cè)的功率因數(shù)角φ和電流值有關(guān)。取φ=φmax=78.5°，得t=0-時，i1（0-）＝－3.81 A。圖3中i的正方向與i1（0-）正方向相反，所以歸算到圖3中，在t=0時，

所以

為了便于觀察SSR1導通前后流過SSR2中電流變化趨勢，這里以虛線形式畫出了與圖3中電流方向一致的流過SSR2中的電流－i1。根據(jù)式6畫出的環(huán)流波形如圖4所示。

由圖4可見，在t=0時SSR1導通后，流過SSR2中的電流由3.81A（與圖3中電流正方向相同）迅速增大，達到im后逐漸變小，當i=0時SSR2關(guān)斷。在調(diào)高電壓過程中，SSR2關(guān)斷前有過流出現(xiàn)。

當輸出電壓高于允許值時，要將工作分接頭調(diào)到105%UN。此時仍可用圖3等效電路計算環(huán)流i，其中K為SSR4等效開關(guān)，回路參數(shù)變?yōu)閣12的參數(shù)。如果仍然取RX=0，因為w11=w12，所以回路參數(shù)值不變，環(huán)流表達式也與式5相同，i1（0-）＝－3.81A。SSR4導通前后，SSR2的電流方向不變，所以，t=0 時，－3.81=-289sin35.49°+A，A＝164.97。

波形如圖5所示。

圖5 調(diào)低輸出電壓過程中環(huán)流波形Fig.5 Circular current waveform in the process of regulating voltage to lower value

由圖5可見，與調(diào)高電壓分接頭轉(zhuǎn)換過程中，SSR1導通后環(huán)流i向最大值方向變化不同，這里在t=0時間SSR4導通后，環(huán)流i（SSR2中電流）由－3.81 A快速向過零點變化。當i=0時，SSR2關(guān)斷。在SSR2關(guān)斷以前環(huán)流i沒有達到最大值，即這個變換過程中，沒有大的環(huán)流產(chǎn)生。

在調(diào)高輸出電壓和調(diào)低輸出電壓時，環(huán)流的發(fā)展機理是不同的。前者在分接頭轉(zhuǎn)換過程中有過流產(chǎn)生，過流值與回路的阻抗有關(guān)，后者在分接頭轉(zhuǎn)換過程中無論回路的阻抗多大都沒有過流的產(chǎn)生。這個結(jié)論在實驗室也得到了驗證。

實驗室用0～11 kV的交流調(diào)壓器從0 V開始給樣機分級加壓，每級1 kV，然后進行直接變換分接頭，即在電壓過零點關(guān)閉正在導通的SSR的控制電壓的同時給要使其導通的SSR施加控制電壓直接進行電壓調(diào)節(jié)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在調(diào)高輸出電壓分接頭的轉(zhuǎn)換過程中高壓側(cè)加3 kV電壓，就出現(xiàn)過流，導致保險熔斷。而在輸出電壓由高向低調(diào)時，當一次側(cè)電壓高達11 kV時也沒有出現(xiàn)過流現(xiàn)象。因為調(diào)高輸出電壓過程中有過流的產(chǎn)生，且過流值與回路電阻有關(guān)，所以必須在分接頭變換過程中在回路串入限流電阻，即RX不能為零。RX的串入不但減小了環(huán)流穩(wěn)態(tài)分量的幅值，也使回路的時間常數(shù)變小，加快了環(huán)流i的暫態(tài)分量i''的衰減，降低了i''對過流幅值im的影響。

當取RX=10 Ω時，τ=0.33 ms，說明在1.7 ms后，暫態(tài)分量已衰減為零，大小取決于穩(wěn)態(tài)分量。此時

本樣機采用40 A固態(tài)繼電器，在半個周波內(nèi)允許最大電流200 A，安全系數(shù)大于5，試驗和樣機運行均表明這鐘選擇滿足安全的要求。

3 諧波問題及其解決方法

在理論上，由于固態(tài)繼電器在電壓小于2V時具有非線性，在交流電壓過零時，控制脈沖不同步觸發(fā)，造成固態(tài)繼電器在零點附近不導通，造成交流電壓不連續(xù)。進而產(chǎn)生諧波。

由計算可知，電力電子元件非線性只在交流電壓過零附近的±0.014°區(qū)域產(chǎn)生的諧波，其值很小完全可以忽略。采用電壓過零導通固態(tài)繼電器，只要一直保持控制電壓的存在就可保證其連續(xù)導通。解決諧波問題。

樣機在實驗室?guī)ж摵珊?，用DS5202CA型數(shù)字示波器錄得的輸出波形見圖6。本無觸點有載自動調(diào)壓配電變壓器不產(chǎn)生諧波污染。

圖6 自動有載調(diào)壓配電變壓器輸出電壓波形Fig.6 Output voltage of automatically carrier booster transformer

4 自動穩(wěn)壓試驗結(jié)果

在實驗室，用0～11 kV的交流調(diào)壓器調(diào)節(jié)本項目樣機的輸入電壓，當輸入電壓在9～11 kV之間變化時，通過單片機監(jiān)控系統(tǒng)自動控制，自動有載調(diào)節(jié)分接頭，輸出電壓變化范圍為379～419 V。如果不進行有載調(diào)壓，則輸出電壓變化范圍為360～440 V?？梢姳狙b置具有明顯的穩(wěn)壓效果。

5 結(jié)論

本試驗說明采用自動有載調(diào)壓是穩(wěn)定負載電壓的有效方式；采用SSR作為有載分接開關(guān)，不會產(chǎn)生諧波畸變。在改變分接頭的過程中，調(diào)高電壓和降低電壓變換分接頭過程中環(huán)流的變化規(guī)律是不同的。前者的環(huán)流是經(jīng)過幅值以后過零的，因而必須在變換回路串接限流電阻；后者的環(huán)流不經(jīng)過幅值就過零，不產(chǎn)生過流，因而變換回路可以不串接限流電阻。限流電阻可以按照將環(huán)流穩(wěn)態(tài)分量幅值限制在SSR額定值。

[1] Cooke G H.New thyristor assisted diverter switch for on load transformer tap changers[J].Conference IEEE Proceedings IPEMC,1992,139(6):507-511.

[2] Zhu G R,Li M Z,Liu X D,et al.Voltage regulation method in series thyristor of distribution transformer[J].Transformer,2002,22(5):1001-8425.

[3] 趙玉林,董守田.無觸點有載自動調(diào)壓配電變壓器[P].中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局:發(fā)明專利ZL 20041 0043740X,2009-07-09.

[4] Zhao Y L,Li J H,Dong S T.The research on load automatic ratio control tap changer switch without contract on distributing transformer[J].Conference IEEE Proceedings IPEMC,2004(1):280-285.