趙玉林 ，李麗貞，李海鳳 ，趙 琦

（1.東北農業(yè)大學 電氣與信息學院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.國網哈爾濱供電公司變電檢修室，黑龍江 哈爾濱 150036）

0 引言

電力電子元件開關具有可頻繁通斷、無電火花、壽命長的優(yōu)點，因此可作為配電變壓器的有載調壓分接開關［1-10］。傳統(tǒng)的電力電子開關觸發(fā)電路存在電氣隔離問題，將光纖通信技術應用于中高壓觸發(fā)控制系統(tǒng)可有效解決高低壓電氣隔離問題［11-16］。

文獻［11］中無觸點有載自動調壓配電變壓器分接開關晶閘管（SCR）的通斷由控制系統(tǒng)控制，而控制系統(tǒng)正常工作需配電變壓器提供電源。上電前，變壓器不輸出電壓，故必須設計一個啟動電路，使得變壓器在上電前或上電過程中高壓側中性點與1組分接頭連在一起，變壓器投入工作。變壓器上電運行低壓側輸出電壓，控制系統(tǒng)投入工作后，啟動電路自動退出。采用蓄電池啟動方式，具有電路簡單、易實現的優(yōu)點，但當變壓器出廠或停電超過8 h后，蓄電池啟動方案可靠性較低［17］。利用獨立支路交流接觸器的常閉觸點在變壓器上電前將中性點與其中1組分接頭連在一起的啟動方式，原理簡單，但交流接觸器的線圈接在變壓器低壓側，觸點接在高壓側，其耐壓無法滿足高低壓電氣隔離的要求，同時上電勵磁涌流易損壞觸點，導致啟動不可靠。

本文基于原有SCR光纖觸發(fā)方案及啟動方式，考慮啟動和變換分接頭時限制環(huán)流的要求，提出一種將啟動支路與變換分接頭時限制環(huán)流的過渡支路共用1條支路的光纖啟動方案。該方案選用雙向晶閘管（TRIAC）作為啟動開關，采用高壓自取能方式，在上電或變換分接頭過程中，TRIAC導通，實現啟動功能或將限流過渡支路串入調壓回路限制調壓過程中的環(huán)流功能；當啟動完畢或變換分接頭完成后，TRIAC在光纖傳輸的光信號作用下截止，該單元退出工作。

1 啟動與調壓過程

圖1為無觸點有載調壓配電變壓器主接線圖，其中TRIAC所在支路即為啟動過渡支路。

a.該支路作為啟動機構時工作過程為：變壓器上電，TRIACa/b/c導通，變壓器二次側得電開始運行，控制系統(tǒng)工作，觸發(fā)額定分接開關 SCRa2/b2/c2導通，經過一定延時，在光纖傳輸的光信號作用下，TRIACa/b/c截止退出，變壓器開始正常工作。

b.該支路作為過渡支路時，以額定分接開關向95%分接開關轉換的情況為例，工作過程為：先導通TRIACa/b/c，斷開 SCRa2/b2/c2， 然后導通 SCRa1/b1/c1，最后斷開 TRIACa/b/c，從而完成一次分接開關的轉換。

圖1 無觸點有載調壓配電變壓器主接線圖Fig.1 Main circuit of contactless distribution transformer with OLTC

2 光纖觸發(fā)啟動方案

2.1 啟動總體方案

光纖觸發(fā)啟動總體方案結構如圖2所示，主要包括光纖傳輸電路、觸發(fā)電路和高壓取能供電電路3個部分。

圖2 基于光纖觸發(fā)的啟動方案結構圖Fig.2 Structure of start-up scheme based on optical fiber trigger

上電前，變壓器低壓側無電壓，控制系統(tǒng)不工作，光纖中沒有光信號傳輸。觸發(fā)電路在TRIAC兩端電壓的作用下發(fā)出觸發(fā)信號，TRIAC導通，變壓器高壓側A、B和C三相繞組中性點連在一起，變壓器投入工作。有載調壓控制系統(tǒng)正常工作后，通過光纖發(fā)出使啟動功能退出的控制信號，TRIAC截止，啟動電路退出工作。

2.2 光纖傳輸電路

本文采用HFBR-1521和HFBR-2521分別作為光信號的發(fā)送器和接收器，它們都有標準的接口，便于選擇配套光纖。其傳輸電路如圖3所示。進行實驗室模擬試驗時，光纖發(fā)送器采用電源模塊供電，光纖接收器采用耦合取能電源供電。

圖3 光纖傳輸電路Fig.3 Optical fiber transmission circuit

2.3 啟動電路

文獻［14］中的反并聯晶閘管光纖觸發(fā)電路如圖4所示，圖中，OC表示光耦。該電路實現功能為：得到光信號，反并聯晶閘管導通；失去光信號，反并聯晶閘管截止。在該電路的基礎上，選用TRIAC作為啟動電路的控制開關進行TRIAC光纖啟動電路的設計。

由于穩(wěn)壓芯片L7805功耗大，不易得到所需+5 V直流電源，故可用穩(wěn)壓管替代。三極管所接直流電源不是恒值，導致其工作狀態(tài)不易控制，故用穩(wěn)壓管得到的+12 V替代。而所需啟動電路實現的功能恰好與觸發(fā)電路相反，故增設1個三極管。最終得到的啟動電路如圖5所示，該電路包括觸發(fā)電路、耦合取能電路兩部分。

對于10 kV、5%分接頭的配電變壓器，按電壓波動±10%計算，則正常工作時，TRIAC所承受的最高工作電壓有效值為：

為保證可靠性，選取額定電壓1600V的TRIAC。

由于小型晶閘管耐受電壓為800 V，考慮電路的安全裕度，采用晶閘管串聯的方式提高電路耐壓能力。

啟動電路作為過渡支路與額定分接開關并聯，當負載感性成分較大時，額定分接開關兩端電壓幅值與流過電流的幅值如圖6所示。由圖6可知若采用過零觸發(fā)方式，當額定分接開關電流過零截止時，此時加在過渡支路兩端的電壓有可能超出過零觸發(fā)電壓范圍，導致其不能可靠觸發(fā)導通。因此，本設計采用隨機觸發(fā)方式，以保證過渡支路的可靠觸發(fā)導通。

要使光纖接收器正常工作，需要解決+5 V直流電源問題，本設計采用高壓自取能方式。根據TRIAC周期性導通與截止的特點，利用短暫截止時加在其兩端的交流電壓作為直流電源的獲取通道。

圖4 反并聯晶閘管光纖觸發(fā)電路Fig.4 Optical fiber trigger circuit with anti-parallel thyristor

圖6 分接開關電壓、電流幅值波形圖Fig.6 Waveforms of voltage and current amplitude of tap

2.4 工作原理

觸發(fā)電路正常工作包括上電觸發(fā)導通和光纖觸發(fā)截止2個過程。

上電觸發(fā)導通原理如下：在給變壓器上電的瞬間，TRIAC承擔一定數值的電源電壓。電源電壓通過 TRIAC、R1、二極管整流橋（VD1—VD4）以及 R3、R4構成回路。當m、n兩端電壓從0開始升高至設定值Umn=29 V 時，由于 T2導通，T1截止，OC1、OC2截止，VT1、VT2恰好導通，然后TRIAC兩端電壓達到額定設置值35 V時，R1兩端電壓達到TRIAC的門極觸發(fā)電壓，TRIAC觸發(fā)導通。

光纖觸發(fā)截止原理如下：本文設計當TRIAC兩端電壓為35 V時，控制電壓剛好使其導通。為了保證在發(fā)出光纖控制信號時，該TRIAC能保持關斷狀態(tài)，必須使光纖接收器在Umn達到小于35 V的某個數值（設定為27 V）時能正常工作，即VDZ3穩(wěn)壓輸出+5 V直流電壓為光纖接收器提供工作電源；光纖接收器接收到光纖發(fā)送器傳來的光信號，T2截止，OC1、OC2導通，使VT1、VT2門極與陰極間電壓鉗制為0而截止，此時R1兩端電壓低于TRIAC的門極觸發(fā)電壓，TRIAC在電流接近0時截止。

電源獲取原理如下：交流電壓經過整流橋、R8的限流分壓、齊納二極管VDZ4的限壓和C1的濾波，從而輸出+12 V直流電源，+12 V直流電源再經過穩(wěn)壓得到+5 V直流電源。為了快速獲取直流電壓，需合理設置與充電時間參數有關的R8、C1的值。

3 元件參數設計與實驗驗證

3.1 元件參數設計

本實驗按圖3、圖5所示電路進行，實驗電壓取110 V并由調壓器提供，TRIAC和調壓器相連，脈沖信號的通斷通過安裝手動控制開關K進行控制。光纖觸發(fā)啟動機構實驗電路中主要器件選型及參數見表1。

表1 光纖觸發(fā)啟動電路元件選型及主要參數Table 1 Element type selection and main parameters of optical fiber trigger start-up circuit

在TRIAC短暫截止期間，為了快速得到所需直流電源，R8應盡量小，同時還應考慮功率的選擇。

本文通過仿真及模擬實驗進行選擇及驗證，當Umn=27 V、R8=5 kΩ、C1=0.1 μF 時，C1電壓波形如圖7所示，可見本文設計滿足要求。

圖7 R8=5 kΩ、C1=0.1 μF 時，C1電壓波形圖Fig.7 Waveform of voltage of C1when R8=5 kΩ and C1=0.1 μF

觸發(fā)電阻R1和R2的取值與TRIAC的參數有關。設定TRIAC觸發(fā)導通前兩端電壓UAK=35 V，考慮觸發(fā)的可靠性，采用強觸發(fā)方式，則R1和R2需滿足：

當不給光信號，對于上電觸發(fā)電路，設定當Umn=29 V 時，要恰好使 VT1、VT2導通，且 T2導通、T1可靠截止，則 R3、R4需滿足：

R6、R7需滿足T2工作在飽和導通的狀態(tài)下，約束條件為：

提供光信號時，T1導通，R5應盡量小，使流過OC1、OC2的電流快速達到額定工作值，同時 R5、R6的取值需滿足T2工作于飽和導通狀態(tài)且將流過OC1、OC2的電流限制在輸入電流II以下，則有：

其中，β為T1的電流放大系數。

TRIAC截止時，為避免其誤導通，則要求：

根據上述分析及式（1）—（7），選擇各電阻參數如表2所示。

3.2 實驗與結果分析

按照表2選擇的電阻參數進行實驗。將圖5中的限流電阻RG用燈泡代替，在TRIAC與燈泡的串聯電路兩端施加110 V電壓，光纖發(fā)送器通過控制開關K接在+5V直流電源上。當K斷開時，合上110V電源，燈泡亮，表明TRIAC導通，說明如果該開關接在變壓器中性點上時，變壓器上電時可以啟動變壓器工作。當開關K閉合時，光纖發(fā)送器將電信號轉變?yōu)楣庑盘?，通過光纖傳送到光纖接收器，結果使處于發(fā)光的燈泡關閉。該結果說明該電路能在配電變壓器啟動，控制系統(tǒng)正常工作后自動退出，避免了調壓過程中環(huán)流的產生。

表2 光纖觸發(fā)啟動電路中電阻參數Table 2 Resistance parameters of optical fiber trigger start-up circuit

同時測得TRIAC觸發(fā)導通后負載電壓幅值如圖8所示。由圖中負載波形可見其畸變程度較小，說明啟動機構工作正常。設計的實驗電路能夠可靠工作，設計的光纖觸發(fā)啟動機構原理可行。

圖8 負載電壓幅值波形圖Fig.8 Waveform of load voltage amplitude

4 結語

本文根據TRIAC觸發(fā)導通及截止條件，設計了一種配電變壓器光纖觸發(fā)啟動方案。該方案設計主要包括耦合取能及觸發(fā)電路兩部分，具有如下特點。

a.通過光纖傳輸的光信號并采用隨機觸發(fā)方式控制TRIAC的通斷，在感性負載較大時保證TRIAC快速導通，同時使配電變壓器高壓側與低壓控制系統(tǒng)間具有良好的電氣隔離效果。

b.將啟動支路與過渡支路相結合，簡化電路的同時又可有效抑制配電變壓器上電時的勵磁涌流。

c.采用高壓耦合取能方式，利用功耗小的穩(wěn)壓管從TRIAC兩端獲取所需直流電源，便捷可靠。

d.當分接頭之間電壓不同時，可根據式（1）—（7）選擇電路元件參數，而電路拓撲結構不變。

經過實驗驗證，上電后TRIAC啟動機構可靠啟動，同時控制系統(tǒng)可以通過光纖信號控制啟動機構的工作狀態(tài)，實現其同時作為過渡支路的功能。在實際應用中，根據具體需要進行公式計算，合理選擇所需元件參數，方可實現該啟動機構的功能。

［1］ABBASZADEH K，ARDEBILI M，ALAEL A R.Design and built of on-load fully electronic tap-changer with TRIAC switch：simulation and practical results［C］//1st Power Electronic&Driver Systerms&Technologies Conference.Tehran，Iran：IEEE，2010：340-344.

［2］MEYER A S，van COLLER J.Electronic tap changers for use with ultra-light rural distribution lines［C］//1999 IEEE Africon.5th Africon Conference in Africa（Africon’99）.Cape Town，South Africa：IEEE，1999：909-912.

［3］FAIZ J，SIAHKOLAH B.New solid-state on-load tap-changers topology for distribution transformers［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2003（1）：136-141.

［4］呂艷玲，趙玉林，徐建華，等.基于固態(tài)繼電器的配電變壓器自動穩(wěn)壓裝置［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（24）：74-77.LU¨ Yanling，ZHAO Yu lin，XU Jianhua，et al.Solid-state relay based automatic voltage stabilizing device for distribution transformer［J］.Automation of Electric Power Systems，2003，27（24）：74-77.

［5］李曉明，黃俊杰，尹項根，等.平滑無沖擊電力電子有載調壓裝置［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（10）：45-48.LI Xiaoming，HUANG Junjie，YIN Xianggen，et al.Research of smooth and non-impact power electronics OLTC ［J］.Automation of Electric Power Systems，2003，27（10）：45-48.

［6］李曉明，王琬晴，張水長.基于“臂-橋”結構的無弧有載調壓模型［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（7）：55-59.LIXiaoming，WANG Wanqing，ZHANG Shuichang.Anarcless OLTC model based on arm-bridge structure［J］.Automation of Electric Power Systems，2006，30（7）：55-59.

［7］王金利，李金元，徐臘元.大功率電力電子開關用于配電變壓器無弧有載調壓方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（15）：97-102.WANG Jinli，LI Jinyuan，XU Layuan.Scheme of arcless on-load voltage regulation for distribution transformer using high power electronic switch ［J］.Automation ofElectric PowerSystems，2006，30（15）：97-102.

［8］樊慧貞.一種新型電力變壓器有載分接開關的研究［J］.變壓器，2008，45（5）：64-66.FAN Huizhen.Research on a new on-load tap changer for power transformer［J］.Transformer，2008，45（5）：64-66.

［9］黃俊杰，李曉明.基于電力電子技術有載調壓變壓器的無沖擊調壓方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33（10）：69-73.HUANG Junjie，LI Xiaoming.Non-inrush voltage regulating method for OLTC transformer based on power electronic technology［J］.Automation of Electric Power Systems，2009，33（10）：69-73.

［10］陳敏.關于電力電子有載調壓分接開關的探討［J］.工業(yè)技術，2009（3）：97-98.CHEN Min.Research on powerelectronicsOLTC voltage regulator［J］.Industrial Technology，2009（3）：97-98.

［11］張偉，張志杰，宋欣原，等.一種新型有載調壓轉換開關的研制［J］.變壓器，2010，47（9）：34-36.ZHANG Wei，ZHANG Zhijie，SONG Xinyuan，et al.Development of a new on-load tap changer［J］.Transformer，2010，47（9）：34-36.

［12］黃連生，傅鵬，王林森，等.光纖通訊技術在晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)中的應用［J］.電力電子技術，2007，41（11）：44-46.HUANG Liansheng，FU Peng，WANG Linsen，et al.Applications of optical fiber in the thyristor trigger system［J］.Power Electronics，2007，41（11）：44-46.

［13］寧志毫，羅隆福，張杰，等.一種用于中高壓靜止無功補償的晶閘管光纖觸發(fā)改進電路及其設計［J］.電力自動化設備，2010，30（6）：31-34.NING Zhihao，LUO Longfu，ZHANG Jie，et al.Design of optical fiber trigger system for thyristor in medium-high voltage static reactive powercompensation ［J］.Electric PowerAutomation Equipment，2010，30（6）：31-34.

［14］劉飛，盧志良，劉燕，等.用于TCR的晶閘管光纖觸發(fā)與監(jiān)測系統(tǒng)［J］.高電壓技術，2007，33（6）：123-128.LIU Fei，LU Zhiliang，LIU Yan，et al.Thyristor photoelectric firing and monitoring system applied to TCR ［J］.High Voltage Engineering，2007，33（6）：123-128.

［15］趙玉林，宋偉.配電變壓器無觸點有載調壓中反并聯晶閘管光纖觸發(fā)方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（20）：97-101.ZHAO Yulin，SONG Wei.Optical trigger scheme of inverseparallel thyristor in contactless on-load tap-changing voltage for distribution transformer［J］.Automation of Electric Power Systems，2013，37（20）：97-101.

［16］宋偉.無觸點有載調壓配電變壓器可靠性技術的研究與實現［D］.哈爾濱：東北農業(yè)大學，2014.SONG Wei.Research and implementation on the reliability technology of contactless on-load voltage regulating distribution transformer［D］.Harbin：Northeast Agriculture University，2014.

［17］張品秀.基于晶閘管的有載自動調壓分接開關的研究［D］.哈爾濱：東北農業(yè)大學，2009.ZHANG Pinxiu.Study on on-load automatic tap-changer based on thyristor［D］.Harbin：Northeast Agriculture University，2009.