趙玉林，董守田，趙 琦

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

農(nóng)村低壓配電網(wǎng)由于負(fù)荷波動(dòng)大、供電半徑長(zhǎng)、導(dǎo)線截面小，使電壓大幅波動(dòng)，人們通常采用配電變壓器有載自動(dòng)調(diào)壓來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓?，F(xiàn)有的機(jī)械式有觸點(diǎn)式自動(dòng)分接開關(guān)，因改變分接頭時(shí)產(chǎn)生電弧而必須安裝在獨(dú)立的油箱中，故不宜頻繁操作且造價(jià)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(shí)產(chǎn)生電弧的問(wèn)題，但這種的分接開關(guān)仍然存在機(jī)械部分，使調(diào)節(jié)速度慢、不能頻繁操作的固有缺點(diǎn)并沒(méi)有改變[2]。Zhu等采用了輔助變壓器與晶閘管相結(jié)合實(shí)現(xiàn)有載調(diào)壓的方法雖然調(diào)節(jié)快、無(wú)電弧但由于需要復(fù)雜的輔助變壓器和大容量的晶閘管[2]，造價(jià)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(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(guò)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(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。

1 無(wú)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(guò)程

1.1 無(wú)觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的主電路

圖1 有載自動(dòng)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(dòng)調(diào)壓配電變壓器的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)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。

圖2 有載自動(dòng)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(shí)，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(guò)程中，沒(méi)有將限流電阻RX串聯(lián)到變換回路中，而是直接進(jìn)行變換的，變換比較。之所以采用這種方式，是因?yàn)樵谡{(diào)高輸出電壓和調(diào)低輸出電壓就有不同的機(jī)理。

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

由分接頭變換過(guò)程中各固態(tài)繼電器的動(dòng)作順序可以看出，在變換過(guò)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(gè)回路中產(chǎn)生環(huán)流，如果環(huán)流超過(guò)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(jī)為S9-50 kVA/10 kV節(jié)能配電變壓器，高壓側(cè)靠近中性點(diǎn)側(cè)有95%UN和UN三個(gè)分接頭。當(dāng)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(dǎo)通，其余SSR關(guān)斷，工作繞組為w10、w11兩個(gè)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?jǐn)?shù)Uk=4%，短路損耗△Pk=1150 W，空載電流百分?jǐn)?shù)I0=2.5%，空載損耗△P0=190 W。由此計(jì)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(dāng)變壓器輸出電壓低于允許值時(shí)，工作分接頭將從UN向95%UN轉(zhuǎn)換。在SSR1導(dǎo)通到SSR2關(guān)閉這段時(shí)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(lái)計(jì)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(shí)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(jì)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(wú)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(dāng)前，北京市的無(wú)線覆蓋區(qū)域已囊括主城區(qū)，并且正在積極推進(jìn)鄉(xiāng)村地區(qū)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。發(fā)達(dá)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(guó)家智慧城市發(fā)展的首批試點(diǎn)城市之一，在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(wèn)題上，北京市正積極推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，通過(guò)將大數(shù)據(jù)技術(shù)和無(wú)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(shí)，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(shí)，

所以

為了便于觀察SSR1導(dǎo)通前后流過(guò)SSR2中電流變化趨勢(shì)，這里以虛線形式畫出了與圖3中電流方向一致的流過(guò)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(shí)SSR1導(dǎo)通后，流過(guò)SSR2中的電流由3.81A（與圖3中電流正方向相同）迅速增大，達(dá)到im后逐漸變小，當(dāng)i=0時(shí)SSR2關(guān)斷。在調(diào)高電壓過(guò)程中，SSR2關(guān)斷前有過(guò)流出現(xiàn)。

當(dāng)輸出電壓高于允許值時(shí)，要將工作分接頭調(diào)到105%UN。此時(shí)仍可用圖3等效電路計(jì)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?yàn)閣11=w12，所以回路參數(shù)值不變，環(huán)流表達(dá)式也與式5相同，i1（0-）＝－3.81A。SSR4導(dǎo)通前后，SSR2的電流方向不變，所以，t=0 時(shí)，－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(guò)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(guò)程中，SSR1導(dǎo)通后環(huán)流i向最大值方向變化不同，這里在t=0時(shí)間SSR4導(dǎo)通后，環(huán)流i（SSR2中電流）由－3.81 A快速向過(guò)零點(diǎn)變化。當(dāng)i=0時(shí)，SSR2關(guān)斷。在SSR2關(guān)斷以前環(huán)流i沒(méi)有達(dá)到最大值，即這個(gè)變換過(guò)程中，沒(méi)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(shí)，環(huán)流的發(fā)展機(jī)理是不同的。前者在分接頭轉(zhuǎn)換過(guò)程中有過(guò)流產(chǎn)生，過(guò)流值與回路的阻抗有關(guān)，后者在分接頭轉(zhuǎn)換過(guò)程中無(wú)論回路的阻抗多大都沒(méi)有過(guò)流的產(chǎn)生。這個(gè)結(jié)論在實(shí)驗(yàn)室也得到了驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)室用0～11 kV的交流調(diào)壓器從0 V開始給樣機(jī)分級(jí)加壓，每級(jí)1 kV，然后進(jìn)行直接變換分接頭，即在電壓過(guò)零點(diǎn)關(guān)閉正在導(dǎo)通的SSR的控制電壓的同時(shí)給要使其導(dǎo)通的SSR施加控制電壓直接進(jìn)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(guò)程中高壓側(cè)加3 kV電壓，就出現(xiàn)過(guò)流，導(dǎo)致保險(xiǎn)熔斷。而在輸出電壓由高向低調(diào)時(shí)，當(dāng)一次側(cè)電壓高達(dá)11 kV時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象。因?yàn)檎{(diào)高輸出電壓過(guò)程中有過(guò)流的產(chǎn)生，且過(guò)流值與回路電阻有關(guān)，所以必須在分接頭變換過(guò)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(shí)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(duì)過(guò)流幅值im的影響。

當(dāng)取RX=10 Ω時(shí)，τ=0.33 ms，說(shuō)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(shí)

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

3 諧波問(wèn)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(shí)具有非線性，在交流電壓過(guò)零時(shí)，控制脈沖不同步觸發(fā)，造成固態(tài)繼電器在零點(diǎn)附近不導(dǎo)通，造成交流電壓不連續(xù)。進(jìn)而產(chǎn)生諧波。

由計(jì)算可知，電力電子元件非線性只在交流電壓過(guò)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(guò)零導(dǎo)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(dǎo)通。解決諧波問(wèn)題。

樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室?guī)ж?fù)荷后，用DS5202CA型數(shù)字示波器錄得的輸出波形見圖6。本無(wú)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Fig.6 Output voltage of automatically carrier booster transformer

4 自動(dòng)穩(wěn)壓試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室，用0～11 kV的交流調(diào)壓器調(diào)節(jié)本項(xiàng)目樣機(jī)的輸入電壓，當(dāng)輸入電壓在9～11 kV之間變化時(shí)，通過(guò)單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)控制，自動(dòng)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(jìn)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(yàn)說(shuō)明采用自動(dòng)有載調(diào)壓是穩(wěn)定負(fù)載電壓的有效方式；采用SSR作為有載分接開關(guān)，不會(huì)產(chǎn)生諧波畸變。在改變分接頭的過(guò)程中，調(diào)高電壓和降低電壓變換分接頭過(guò)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(guò)幅值以后過(guò)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(guò)幅值就過(guò)零，不產(chǎn)生過(guò)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。

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