孫 猛，趙玉林*，付 巖

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.綏化市郊農(nóng)電局，黑龍江 綏化 152000）

目前，雖經(jīng)農(nóng)網(wǎng)改造，農(nóng)網(wǎng)電壓質(zhì)量有所提高，但仍無法達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，難以適應(yīng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。配電變壓器采用有載自動(dòng)調(diào)壓是穩(wěn)定農(nóng)村電網(wǎng)電壓的最有效方式[1]。目前通用的機(jī)械式有載調(diào)壓開關(guān)由于結(jié)構(gòu)和性能的限制，不適用與農(nóng)村配電變壓器[2]，而采用普通調(diào)壓方式的無觸點(diǎn)分接開關(guān)，雖能自動(dòng)有載調(diào)壓，但由于元件耐壓的限制，調(diào)壓范圍只能在電壓波動(dòng)±10%范圍內(nèi)，將農(nóng)網(wǎng)電壓穩(wěn)定在±5%的國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)，穩(wěn)壓范圍小。本文介紹一種應(yīng)用固態(tài)繼電器（Solid State Relay-SSR）作為分接開關(guān)，通過改變獨(dú)立的調(diào)壓繞組串接的極性，實(shí)現(xiàn)大范圍的有載自動(dòng)調(diào)壓進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定農(nóng)網(wǎng)電壓的接線及控制方式。

1 正反調(diào)壓分接開關(guān)的主電路及調(diào)壓過程

1.1 正反調(diào)壓主電路

目前的固態(tài)繼電器最高額定電壓只有660 V，10 kV配電變壓器分接頭通常設(shè)在高壓側(cè)中性點(diǎn)側(cè)，考慮到系統(tǒng)電壓最高為額定電壓的110%，則5%分接頭之間的電壓為317.5 V。如果在每個(gè)分接頭上接一個(gè)固態(tài)繼電器作為分接開關(guān)[3-4]，當(dāng)分接頭在105%UN檔工作時(shí)，則接在95%UN分接頭上的處于關(guān)閉狀態(tài)的固態(tài)繼電器就要承受最高635 V的電壓，這時(shí)的調(diào)壓范圍比較小。而采用鏈?zhǔn)浇臃╗5]，雖然理論上分接頭可以任意多，但采用的固態(tài)繼電器也隨之較多，成本較高；同時(shí)在轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生較大的諧波[6]，因此不能被廣泛的應(yīng)用。本文通過改變配電變壓器的獨(dú)立調(diào)節(jié)繞組接入極性的方法，即采用正反調(diào)壓方式，使調(diào)壓繞組串聯(lián)和反串聯(lián)接入基本工作繞組，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。采用固態(tài)繼電器作為正反調(diào)壓開關(guān)元件連接方式見圖1。

圖1 正反調(diào)壓接線Fig.1 Non-contact on-load tap-changer wiring of positive and negative voltage regulating

圖1中，W0為基本工作繞組，W1和W2為調(diào)節(jié)繞組，其匝數(shù)均為W0匝數(shù)的5%。SSR1、SSR2、SSR3、SSR4、SSR5、SSR6、SSR7和SSR8為660 V固態(tài)繼電器。R1和R2均為調(diào)壓回路過渡電阻，與之相串聯(lián)的固態(tài)繼電器SSR7和SSR8為過渡回路分接開關(guān)，只有在變換分接頭時(shí)該開關(guān)才導(dǎo)通。在正常工作狀態(tài)，該固態(tài)繼電器均處于截止?fàn)顟B(tài)。

1.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)過程

當(dāng)變壓器上電后，在啟動(dòng)電路作用下，變壓器二次側(cè)有電壓輸出，單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工作，初始狀態(tài)是SSR1和SSR4，其余關(guān)斷。經(jīng)一定延時(shí)后，監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)程序。如果變壓器二次側(cè)輸出電壓高于允許值，則應(yīng)當(dāng)關(guān)閉SSR4，使SSR5導(dǎo)通，為了限制變換分接頭時(shí)調(diào)節(jié)回路的電流[7-11]，必須在變換過程中，首先觸發(fā)SSR8，將限流電阻串入回路，然后關(guān)閉SSR4，再觸發(fā)SSR5，最后關(guān)閉過渡回路的開關(guān)SSR8，完成一次調(diào)節(jié)。如果電壓還是高于允許值，則應(yīng)使SSR1和SSR6導(dǎo)通，變換過程中首先觸發(fā)SSR8，然后關(guān)閉SSR5，再觸發(fā)SSR6，最后關(guān)閉SSR8。每次調(diào)節(jié)時(shí)都是先串入限流過渡回路，再進(jìn)行分接頭的變換。當(dāng)SSR1和SSR4導(dǎo)通其余固態(tài)繼電器均處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如果輸出電壓低于允許值時(shí)，則應(yīng)將變壓器的調(diào)節(jié)繞組與基本工作繞組進(jìn)行同名端連接，即將調(diào)壓繞組反串聯(lián)接入工作電路，進(jìn)行分接頭的調(diào)節(jié)。首先觸發(fā)SSR7，將限流電阻R1串入調(diào)節(jié)回路，關(guān)閉SSR1，觸發(fā)SSR2，關(guān)閉SSR7，即SSR2與SSR4導(dǎo)通。若電壓還是低于允許值，則使SSR3和SSR4導(dǎo)通。首先觸發(fā)SSR7，然后關(guān)閉SSR2，再觸發(fā)SSR3，最后關(guān)閉SSR8。輸出電壓與固態(tài)繼電器導(dǎo)通狀態(tài)及工作繞組如表1所示。

由表1可看出，有載調(diào)壓共分為5檔，每次調(diào)壓過程中每相只改變兩個(gè)固態(tài)繼電器的工作狀態(tài)，只需控制一個(gè)固態(tài)繼電器關(guān)閉，并過渡到另外一個(gè)固態(tài)繼電器導(dǎo)通。這就使控制結(jié)構(gòu)及控制流程簡(jiǎn)單化。具體的調(diào)節(jié)過程如圖2所示。

表1 固態(tài)繼電器工作狀態(tài)與工作繞組Table 1 Status of Solid State Relay and working windings

圖2 有載調(diào)壓流程Fig.2 Flow chart of on-load voltage regulation

2 正反調(diào)壓各開關(guān)元件承受電壓分析

采用圖1的接線，當(dāng)一次側(cè)電壓為額定電壓時(shí)，SSR1和SSR4導(dǎo)通，處于關(guān)閉狀態(tài)的SSR3和SSR6承受的電壓最高，為一次側(cè)額定相電壓的10%，為577.4 V，固態(tài)繼電器有83 V的絕緣裕度。當(dāng)變壓器一次側(cè)電壓有10%的過電壓時(shí)，SSR1和SSR6導(dǎo)通，此時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)的SSR3和SSR4承受電壓最高，為一次側(cè)額定相電壓的11%，為635 V，具有24 V的絕緣裕度。而當(dāng)一次側(cè)電壓為額定電壓的90%或更低時(shí)，SSR3和SSR4將處于導(dǎo)通，其余處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)SSR1和SSR7承受電壓最高，但不高于一次側(cè)額定相電壓的9%，即不高于520 V，有140 V的絕緣裕度。

經(jīng)以上分析，采用正反調(diào)壓接線方式具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。

3 自動(dòng)穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的組成

3.1 控制系統(tǒng)硬件組成

為提高配電變壓器的無觸點(diǎn)自動(dòng)調(diào)壓功能，保證電力用戶的可靠用電，以單片機(jī)技術(shù)[12]來完成配電變壓器分接頭的自動(dòng)變換，穩(wěn)定輸出電壓。

有載自動(dòng)調(diào)壓分接開關(guān)的控制系統(tǒng)硬件電路由電源單元、數(shù)據(jù)采集單元、過零檢測(cè)單元、復(fù)位單元、固態(tài)繼電器SSR驅(qū)動(dòng)單元等五部分組成。其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Diagram of control system hardware structure

3.2 控制系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，各部分功能分別由相應(yīng)的子程序來完成，使系統(tǒng)操作軟件結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和修改。軟件系統(tǒng)主要包括下列功能模塊：

①電壓采樣及數(shù)據(jù)處理程序；

②電壓過零檢測(cè)中斷服務(wù)程序；

③分接開關(guān)轉(zhuǎn)換程序；

④延時(shí)程序；

⑤系統(tǒng)復(fù)位程序。

4 模擬實(shí)驗(yàn)調(diào)壓結(jié)果與分析

采用圖2所示的工作流程，當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓超出97%～103%UN波動(dòng)時(shí)，才進(jìn)行有載調(diào)壓分接開關(guān)的切換，即當(dāng)二次側(cè)線電壓在小于388 V或大于412 V，進(jìn)行分接頭調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)室用輸出電壓范圍為0～480 V的調(diào)壓器Tt連接升壓變壓器T1（反接配電變壓器）為試驗(yàn)樣機(jī)T2提供0～12 kV交流電源，其接線原理圖如圖4所示。

圖4 有載調(diào)壓模擬實(shí)驗(yàn)接線Fig.4 Diagram of on-load voltage regulation simulated experiment wiring

根據(jù)圖4中電壓表V1測(cè)得的數(shù)據(jù)可計(jì)算出T1高壓側(cè)電壓，即試驗(yàn)樣機(jī)高壓側(cè)電壓，得到結(jié)果如表2所示。由表2可以得出結(jié)論，應(yīng)用圖1中所示的正反調(diào)壓無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓分接開關(guān)，可較好的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的目的，并且僅用兩個(gè)5%的獨(dú)立調(diào)壓繞組，當(dāng)電網(wǎng)電壓在額定電壓的87.3%～113.3%范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)將配電變壓器輸出電壓穩(wěn)定在額定電壓的97%～103%范圍內(nèi)；當(dāng)電網(wǎng)電壓在額定電壓的85.5%～115.5%范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，可將配電變壓器輸出電壓穩(wěn)定在額定電壓的95%～105%范圍內(nèi)。這就使正反調(diào)壓技術(shù)適用于電壓范圍波動(dòng)比較大的農(nóng)村電網(wǎng)。

表2 調(diào)壓前后對(duì)照Table 2 Comparisons from voltage regulating beginning to end

5 結(jié) 論

采用正反調(diào)壓方式，與簡(jiǎn)單的在每個(gè)分接頭上直接接固態(tài)繼電器的調(diào)壓方式相比，在調(diào)節(jié)繞組個(gè)數(shù)和元件最高耐壓不變的情況下，可以使調(diào)壓范圍增大一倍。采用正反調(diào)壓方式與鏈?zhǔn)浇臃ㄏ啾?，可以使串?lián)工作的固態(tài)繼電器個(gè)數(shù)較少，可使工作可靠性提高和和降低變壓器的諧波污染。采用正反調(diào)壓方式，每次切換分接頭每相只改變兩個(gè)固態(tài)繼電器工作狀態(tài)，使得控制結(jié)構(gòu)和控制流程簡(jiǎn)單化。因此，正反調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)可廣泛應(yīng)用于農(nóng)村電網(wǎng)，尤其是電壓波動(dòng)范圍大于波動(dòng)允許值的地區(qū)。

[1]楊曉光.基于電力電子技術(shù)的自動(dòng)調(diào)壓分接開關(guān)的研究[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[2]張德明.變壓器分接開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008:36-39.

[3]Zhao Y L,Dong S T.Study on non contact automatic on-load voltage regulating distributing transformer based on solid state relay[J].Conference Proceedings IPEMC,2006(1):484-488.

[4]姚欣.無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的研究[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2006:5-6.

[5]王朕偉,徐劍鋒.固態(tài)繼電器在有載調(diào)壓配電變壓器中的應(yīng)用[J].科技資訊,2006(10):30.

[6]陳敏.關(guān)于電力電子有載調(diào)壓分接開關(guān)的探討[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2009(3):97-98.

[7]趙玉林,董守田,趙琦.農(nóng)村低壓配電網(wǎng)自動(dòng)穩(wěn)壓設(shè)備的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,41(9):129-132.

[8]楊曉光,趙玉林.IGBT作為變壓器有載分接開關(guān)的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,39(6):35-38.

[9]趙玉林,董守田,梁秋艷.基于固態(tài)繼電器的無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電氣技術(shù),2010(8):178-180.

[10]呂艷玲,趙玉林,等.基于固態(tài)繼電器的配電變壓器自動(dòng)穩(wěn)壓裝置[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003,27(24):74-76.

[11]倪晶,徐劍鋒,于壽馨.固態(tài)繼電器在有載調(diào)壓配電變壓器中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2003,7(3):151-152.

[12]黃俊杰,李曉明.電力電子有載調(diào)壓裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2003(7):54-57.