尋廣朕

(東北農業(yè)大學 電氣與信息學院,哈爾濱 150030)

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一種新型的無觸點有載自動調壓分接開關

尋廣朕

(東北農業(yè)大學 電氣與信息學院,哈爾濱 150030)

為在電網電壓變化幅度較大時穩(wěn)定負載電壓,研究了一種具有實時監(jiān)測電壓波動而自動穩(wěn)定變壓器輸出電壓功能的有載自動調壓分接開關。該開關基于反并聯(lián)晶閘管,采用雙向晶閘管與電阻串聯(lián)過渡的方法解決變換分接頭時產生的環(huán)流問題,過渡支路與啟動支路共用一條回路。理論分析與模擬實驗表明,這種分接開關解決了機械式分接開關觸點電腐蝕問題以及固態(tài)繼電器耐壓不足問題,能夠實現(xiàn)平穩(wěn)調壓。

自動調壓;有載分接開關;啟動;無觸點;過渡

配電變壓器采用有載自動調壓是穩(wěn)定電網電壓的最有效方式之一[1]。目前,常規(guī)的有載自動調壓變壓器采用的是機械式有載分接開關[2]和無觸點分接開關。機械式有載分接開關在分接頭切換過程中容易產生電弧,調壓響應時間長,而且故障率高,使調壓時刻無法準確控制[3],已經不能滿足現(xiàn)代電網安全及經濟性的運行要求[4]。無觸點分接開關采用反并聯(lián)晶閘管或固態(tài)繼電器等電力電子元件接在變壓器高壓繞組的分接頭上[5]。變壓器在變換分接頭時,為了保證電流不中斷,必須先觸發(fā)要導通的分接開關,然后再關閉目前導通的分接開關。但這種方法易造成變壓器分接頭之間的匝間短路,形成較大的短路電流(環(huán)流)。因此,為了限制環(huán)流,必須在該回路中采取限流措施,即變換過程中先經過過渡支路,最終完成分接頭的變換。另外,現(xiàn)有的蓄電池啟動技術具有啟動可靠、電路簡單的特點,但這種變壓器通電前蓄電池一直在工作,耗電量較大[6]。采用中間繼電器直接啟動技術方式,要利用中間繼電器的常閉觸點,但中間繼電器常閉觸點最大電流只有5A,通流容量小,易出現(xiàn)觸點融化焊死現(xiàn)象,而三相交流接觸器的主觸點均是動合觸點,在功能上不符合要求,所以這種啟動方式壽命短,工作不可靠[7]。針對上述問題,本文研究了一種新型的基于反并聯(lián)晶閘管的有載調壓分接開關,該開關具有專門的啟動電路和在變換分接頭時限制環(huán)流的過渡支路,經反復試驗驗證該分接開關能實現(xiàn)平穩(wěn)調壓,工作可靠。

1 無觸點有載自動調壓配電變壓器主電路及調壓過程

1.1 無觸點有載自動調壓配電變壓器主電路

本裝置由變壓器本體、無觸點分接開關、環(huán)流限制電路、單片機控制單元組成,主電路接線如圖 1 所示。

圖1 主電路原理接線圖

配電變壓器本體高壓繞組在中性點側留有額定電壓UN、95%UN和105%UN三個抽頭,在每個抽頭和中性點中間接有反并聯(lián)晶閘管作為無觸點分接開關。為了限制在改變分接頭過程中產生較大的環(huán)流,本開關設有專門的環(huán)流限制電路(由圖1中雙向晶閘管和限流電阻串聯(lián)而成)。單片機監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)測量兼工作電源變壓器T提供的低壓側電壓,發(fā)出觸發(fā)作為無觸點分接開關的反并聯(lián)晶閘管的脈沖,達到穩(wěn)定負荷側電壓的目的。

1.2 有載自動調壓配電變壓器的自動調節(jié)過程

過渡與啟動支路共用電路圖如圖2所示。

圖2 過渡與啟動支路共用電路圖

為限制改變分接頭時在兩分接頭之間的繞組中產生較大環(huán)流,采用雙向晶閘管過渡的方法,即在用于過渡的雙向晶閘管支路中串接功率不小于20 W的20～30 Ω電阻,在每次改變分接頭時都經過雙向晶閘管支路過渡。現(xiàn)有的用無觸點分接開關采用過零觸發(fā)方式接入限流過渡支路的方法,對于感性負載,由于相并聯(lián)的無觸點分接開關在電流關斷時加在過渡開關上的電壓大于過零觸發(fā)的電壓范圍,過渡開關無法閉合,因而過渡支路無法串入,易產生變換分接頭時匝間短路現(xiàn)象。本裝置采用隨機觸發(fā),保證了變換分接頭過程中能將過渡支路可靠地串入調節(jié)回路中,起到限制環(huán)流的作用。

具體變換過程如下:

上電后,變壓器工作在Ⅱ檔位,S2導通,其余都關閉,單片機自動檢測變壓器低壓側電壓。當電壓在97%UN～103%UN范圍波動時,變壓器工作分接頭不變;當變壓器輸出電壓不在其范圍內時就要改變工作分接頭。例如U2下降低于97%UN,要由S2導通變?yōu)镾1導通,以提高U2值。變換過程為:在電壓過零時監(jiān)控系統(tǒng)撤去S2的觸發(fā)電壓,同時使KM的控制開關K斷開,KM斷電,其常閉觸點KM1閉合,為S3導通做準備。當S2電流過零關斷時,在其兩端電壓作用下,S2導通,保證了電流的連續(xù)性,在下一個電壓過零時給S1觸發(fā)電壓,使其導通,同時使K閉合,KM1斷開;當S3中電流過零時,S3關斷,完成一次變換;由于變換過程中有限流電阻在回路中,所以限制了環(huán)流值在元件和繞組允許的范圍內。工作分接頭不在UN分接頭時,首先要進行工作分接頭判斷,然后再進行變換,但每次變換都將過渡支路串接到變換回路中。本裝置的具體自動穩(wěn)壓流程如圖3所示。

圖3 自動穩(wěn)壓流程圖

1.3 有載自動調壓配電變壓器的啟動過程

無觸點有載自動調壓控制信號來自于接在變壓器低壓側的控制電路,在變壓器上電前,變壓器低壓側沒有電,控制電路不能工作,因而接在高壓側中性點上的無觸點分接開關都處于截止狀態(tài),變壓器無法啟動,所以需要有專門的啟動電路,即在上電時,通過該支路將變壓器的中性點連接起來,使變壓器工作,二次側帶電,控制電路工作,無觸點分接開關進入工作狀態(tài),然后該啟動支路退出。為防止變壓器剛上電時,低壓側沒有電壓使單片機監(jiān)控系統(tǒng)沒有脈沖輸出,導致全部反并聯(lián)晶閘管均處于關斷狀態(tài),配電變壓器無法啟動,本電路設有繼電器控制雙向晶閘管啟動電路。當變壓器停運時間較短時,K可以一直處于閉合狀態(tài),這樣在投入運行時就不必再操作K了,測量兼工作電源變壓器T接在變壓器的負荷側a相與中性線n之間,以便直接反映變壓器二次側的電壓值。

變壓器上電前,控制回路沒有電壓,交流接觸器線圈控制開關K處于斷開狀態(tài),交流接觸器線圈不帶電,其常閉觸點閉合。在電源電壓作用下,流過R1電流產生電壓,該電壓作為雙向晶閘管的觸發(fā)電壓,使其觸發(fā)導通,經過S3、RX支路,將變壓器高壓側三相中性點連接起來,變壓器二次側輸出電壓,單片機監(jiān)控系統(tǒng)工作,觸發(fā)S2導通,使控制板上的直流繼電器線圈帶電,其常開觸點閉合(觸點電壓220 V),三相中間繼電器線圈KM帶電,其動開觸點斷開,啟動支路退出工作。控制系統(tǒng)進入自動調壓程序,啟動完畢。具體啟動過程如圖4所示。

圖4 啟動過程流程圖

2 無觸點分接開關元件參數(shù)的選擇

2.1 無觸點分接開關的選擇

反并聯(lián)晶閘管起到有載分接開關的作用,在選擇時應考慮電流和耐壓兩方面的因素。無觸點分接開關sai(i=1,2,4),sbi(i=1,2,4),sci(i=1,2,4),其電流參數(shù)根據(jù)配電變壓器的容量不同而不同,額定電壓不低于2000 V;sa3,、sb3、sc3分別為接在UN分接頭上用于啟動和調節(jié)分接頭過渡回路開關,采用額定電流不小于20 A,額定電壓不低于1600 V的雙向晶閘管。

2.2 過渡及啟動回路元件參數(shù)的選擇

DW為保護用穩(wěn)壓管,可選用1 W或2 W的5～10 V的穩(wěn)壓管;R1為產生控制電壓信號電阻,可選阻值為2～5 kΩ,2 W以上電阻;RX為限流電阻,可選10～30 Ω,功率不小于20 W電阻;KM為三相中間繼電器線圈,線圈額定電壓為230 V;KM1為中間繼電器常閉(動開)觸點,觸點容量不小于5 A。

3 模擬實驗結果與分析

采用圖 3所示的工作流程,當變壓器二次側電壓超出 97%UN～103%UN波動時,進行有載調壓分接開關的切換,即當二次側線電壓在小于 388 V 或大于 412 V時,進行分接頭調節(jié)。實驗室用輸出電壓范圍為 0～480 V 的調壓器連接升壓變壓器為試驗樣機提供 0～12 kV交流電源。在實驗過程中,經過多次改變實驗樣機的一次側電壓,使其在 9～11 kV 反復調節(jié),反并聯(lián)晶閘管進行反復轉換,變換動作可靠,且沒有出現(xiàn)過流導致反并聯(lián)晶閘管損壞現(xiàn)象。由此可驗證,采用 20 Ω 限流電阻完全能達到限流作用,晶閘管的可靠性滿足變壓器的要求。

為防止變壓器剛上電時,低壓側沒有電壓使單片機監(jiān)控系統(tǒng)沒有脈沖輸出,導致全部反并聯(lián)晶閘管均處于關斷狀態(tài),配電變壓器無法啟動,本開關設有繼電器控制反并聯(lián)晶閘管啟動電路,在實驗室經過反復合閘給變壓器送電,沒有出現(xiàn)反并聯(lián)晶閘管損壞現(xiàn)象。合閘后反復調節(jié)樣機的輸入電壓,樣機進入自動有載調壓狀態(tài),說明這種方法可行。

經實驗室模擬實驗及工廠現(xiàn)場運行實驗證明,該裝置不僅解決了機械式分接開關電腐蝕問題,而且克服了固態(tài)繼電器耐壓不足的問題,實現(xiàn)了平穩(wěn)調壓。

4 結 論

1) 本裝置將啟動電路與過渡電路共用一個電路,電路簡單,節(jié)省空間,造價低。

2) 與現(xiàn)有的中間繼電器或交流接觸器直接啟動方法比,本裝置的繼電器觸點是接在啟動與過渡支路的控制回路,電流小,因而不存在燒蝕觸點問題,工作可靠,壽命長。

3) 本裝置采用隨機觸發(fā),無論其兩端電壓多高,都能觸發(fā),將限流電阻可靠地串聯(lián)到變換分接頭回路中,限制環(huán)流,能實現(xiàn)平穩(wěn)調壓,具有較高的

工作可靠性。

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(責任編輯 侯世春)

A new kind of non-contact automatic on-load voltage regulating tap changer

XUN Guangzhen

(School of Electrical and Information Engineering， Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

In order to stabilize load voltage when there was large voltage fluctuation in power grid, the author studied an on-load voltage regulating tap changer with functions including real-time monitoring of voltage fluctuation and automatic stabilization of transformer output voltage. It is a switch, based on anti-parallel thyristor, which prevents circulation generated when tap changes by connecting triac and resistance in series with one loop sharing by transition branch and start branch. Theoretical analysis and simulation experiments show that this tap changer solves the problem of mechanical tap contact corrosion and solid state relay voltage shortage, which can realize smooth regulating voltage.

automatic voltage regulation; on-load tap changer; start; non-contact; transition

2015-06-14。

尋廣朕(1995—),男,本科生,主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化技術。

TM581.8

A

2095-6843(2016)01-0077-04