徐 杰，袁 敏，徐偉明

國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000

0 引言

傳統(tǒng)純機(jī)械式有載分接在開關(guān)切換過程中的電弧燒蝕觸頭問題十分突出。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率、高耐壓晶閘管推動(dòng)了有載調(diào)壓技術(shù)的研究與進(jìn)步。國內(nèi)外很多學(xué)者采用晶閘管器件取代傳統(tǒng)的機(jī)械式分接開關(guān)，以解決有載分接開關(guān)帶負(fù)荷切換時(shí)的電弧問題，并提出了各種設(shè)計(jì)方案[1-3]。文章以晶閘管為輔助開關(guān)，在分接開關(guān)切換時(shí)予以使用，可以實(shí)現(xiàn)無弧切換，但在正常運(yùn)行時(shí)仍使用機(jī)械式開關(guān)。

1 晶閘管輔助機(jī)械開關(guān)式有載分接開關(guān)

文章所設(shè)計(jì)的改進(jìn)型晶閘管輔助機(jī)械開關(guān)式有載分接開關(guān)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 晶閘管輔助機(jī)械開關(guān)式有載分接開關(guān)

圖1中，L0為主繞組；L1～L16為調(diào)壓繞組，均為額定繞組的2.5%，共16個(gè)；DL為斷路器，只在斷路器投入運(yùn)行和退出運(yùn)行時(shí)動(dòng)作；S1～S17、S01、S02為機(jī)械開關(guān)；K1～K4為雙向反并聯(lián)的晶閘管（附帶其各自的保護(hù)電路）。其中，R1、R3（R1=R3）的主要作用是為晶閘管提供正向電壓，使其可以導(dǎo)通，調(diào)節(jié)結(jié)束后需退出回路；R2、R4（R2=R4）為限流過渡電阻，可以保證在分接頭開關(guān)切換的過程中不會(huì)發(fā)生分接繞組間的直接短路，且R2遠(yuǎn)小于R1，使負(fù)載電流能順利轉(zhuǎn)移到下支路。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)有載調(diào)壓過程無電弧，且結(jié)構(gòu)簡單，晶閘管數(shù)量少。

2 晶閘管輔助機(jī)械開關(guān)式有載分接開關(guān)控制策略

晶閘管輔助機(jī)械開關(guān)式有載分接投入運(yùn)行的初始狀態(tài)投入運(yùn)行的步驟：為了避免產(chǎn)生電弧，機(jī)械開關(guān)的開斷與閉合時(shí)，其所在支路都在無電流或電流較小的狀態(tài)下進(jìn)行。由于機(jī)械開關(guān)不影響調(diào)壓的動(dòng)態(tài)過程，而僅改變變壓器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，即調(diào)壓狀態(tài)，因此不需要?jiǎng)幼鲿r(shí)刻的準(zhǔn)確性[4]。對(duì)調(diào)壓過渡過程產(chǎn)生決定性影響的是晶閘管開關(guān)，即圖1中的K1～K4。晶閘管開關(guān)由觸發(fā)脈沖信號(hào)所控制，因此以從初始狀態(tài)只接入主繞組L0到將調(diào)壓繞組L1的過程為例，對(duì)繞組投切時(shí)刻控制進(jìn)行說明。

假設(shè)現(xiàn)因電壓變化，需要從S1切換至S2狀態(tài)，切換過程說明如下。

（1）停止觸發(fā)K3時(shí)。K3關(guān)斷后R1投入運(yùn)行，使K1兩端承受一定的電壓，為其導(dǎo)通提供條件。

（2）給K1發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。由于R1遠(yuǎn)大于R2，變壓器電流大部分從S01支路轉(zhuǎn)移到K1支路，給K1發(fā)送觸發(fā)脈沖時(shí)，需要對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制，使其在電流過零點(diǎn)觸發(fā)導(dǎo)通，避免產(chǎn)生暫態(tài)過程。

（3）斷開S01。此時(shí)斷開機(jī)械開關(guān)S01，變壓器一次側(cè)電流已經(jīng)轉(zhuǎn)移到K1支路，斷開S01不會(huì)產(chǎn)生電弧，不需要對(duì)機(jī)械開關(guān)S01的開斷時(shí)刻進(jìn)行控制。

（4）閉合S2。閉合S2時(shí)L1尚未形成回路，流經(jīng)S2的電流為零，因此不需要對(duì)機(jī)械開關(guān)S2的動(dòng)作時(shí)刻進(jìn)行控制。S2閉合后，K2承受調(diào)壓繞組L1兩端電壓（忽略部分電壓損耗），為K2導(dǎo)通提供條件。

（5）觸發(fā)導(dǎo)通K2。K2導(dǎo)通后調(diào)壓L2兩端將形成回路，將會(huì)有一定的電流流過晶閘管K2，因此需要對(duì)晶閘管觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制，使其在電流過零時(shí)刻觸發(fā)，避免產(chǎn)生暫態(tài)過程。K2導(dǎo)通后，R2和R4串聯(lián)在回路中，沒有發(fā)生直接短路。同時(shí)，停止觸發(fā)K1，此時(shí)與步驟（1）相似，晶閘管會(huì)在電流過零點(diǎn)自然關(guān)斷。

（6）斷開S1。K1已經(jīng)關(guān)斷，S1上已經(jīng)沒有電流，因此不需要對(duì)S1動(dòng)作時(shí)刻進(jìn)行控制。此時(shí)負(fù)載電流流過S2、K2、R4。

（7）閉合S02。此時(shí)，變壓器一次側(cè)電流主要流經(jīng)K2支路，而流經(jīng)S02上的電流非常小，因此不需要對(duì)S02的動(dòng)作時(shí)刻進(jìn)行精確控制。

（8）停止觸發(fā)K2。晶閘管K2關(guān)斷后，電流從下支路轉(zhuǎn)移到上支路。

（9）觸發(fā)K4。K4導(dǎo)通后變壓器一次側(cè)電流全部流經(jīng)K4，因此需要對(duì)K4的出發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制，使其在電流過零點(diǎn)觸發(fā)導(dǎo)通，避免產(chǎn)生暫態(tài)過程。此時(shí)，電阻R3短路，調(diào)壓過程結(jié)束。

從以上分析過程可以看出，對(duì)晶閘管而言，當(dāng)其觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，均會(huì)有大電流流過晶閘管，因此需要對(duì)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻進(jìn)行電流過零觸發(fā)，避免產(chǎn)生暫態(tài)過程。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的晶閘管輔助機(jī)械開關(guān)式有載分接開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略的有效性，需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證。以SimPowerSystems庫中的單相多繞組變壓器模型為基礎(chǔ)，搭建寬幅有載調(diào)壓變壓器的模型[5]。變壓器設(shè)計(jì)為從高壓側(cè)引出17個(gè)分接頭（16級(jí)調(diào)壓繞組），額定容量為20 000 kVA，一次側(cè)額定電壓為110 kV，二次側(cè)額定電壓為35 kV，并設(shè)置變壓器為飽和變壓器模型。仿真分為一次側(cè)電壓降低和一次側(cè)電壓升高兩種情形。

電壓降低時(shí)的電壓電流波形圖如圖2所示。圖2中，一次側(cè)電壓初始幅值為155.56 kV（即有效值為110 kV），變壓器在t=0.01 s時(shí)合閘。為了消除合閘涌流的影響，使其合閘角為90°，此時(shí)合閘涌流最不明顯。在t=0.10 s時(shí)，電源電壓降低，為了使效果更明顯，設(shè)置幅值降低至120.6 kV（有效值為85.25 kV，是額定電壓110 kV的77.5%）。

由圖2可見，一次側(cè)電壓在0.10 s后有明顯降低，一次側(cè)電流也隨之降低。此時(shí)，有載調(diào)壓變壓器并未完成調(diào)壓，二次側(cè)電壓降低，電流減小。有載調(diào)壓變壓器開始動(dòng)作，在0.15 s后完成調(diào)壓，此時(shí)一次側(cè)電壓仍未恢復(fù)，而二次側(cè)電壓和電流已經(jīng)恢復(fù)至額定值。同時(shí)，一次側(cè)電流比t=0.10 s時(shí)更大，這是因?yàn)樨?fù)載功率保持不變而一次側(cè)電壓降低，導(dǎo)致一次側(cè)電流增大。在變壓器調(diào)壓過程中，因?yàn)榫чl管總是在電流過零點(diǎn)觸發(fā)導(dǎo)通，所以沒有產(chǎn)生明顯的沖擊電流，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，與仿真結(jié)果一致。

圖2 電壓降低時(shí)的電壓電流波形

一次側(cè)電壓初始幅值為155.56 kV（有效值為110 kV），變壓器在t=0.01 s時(shí)合閘。為了消除合閘涌流影響，使其合閘角為90°，此時(shí)合閘涌流最不明顯。在t=0.10 s時(shí)，電源電壓升高，幅值升高至175 kV（有效值為123.75 kV，是額定電壓110 kV的112.5%）。一次側(cè)電壓在0.10 s后有明顯升高，一次側(cè)電流也隨之升高。由于有載調(diào)壓變壓器尚未完成調(diào)壓，二次側(cè)電壓和電流也會(huì)暫時(shí)升高。當(dāng)有載調(diào)壓變壓器開始動(dòng)作，在0.15 s后，一次側(cè)電壓仍未恢復(fù)，而二次側(cè)電壓和電流均已恢復(fù)至額定值。此時(shí)，一次側(cè)電流小于t=0.10 s時(shí)的電流，這是因?yàn)樨?fù)載功率保持不變而一次側(cè)電壓升高，導(dǎo)致一次側(cè)電流減小。

4 結(jié)束語

文章通過晶閘管輔助機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)投切過程無弧化，并設(shè)計(jì)了晶閘管輔助機(jī)械開關(guān)式有載分接開關(guān)的控制策略。通過仿真研究結(jié)果可以看出，該設(shè)計(jì)可靠性高，控制策略合理有效，控制響應(yīng)速度快，投切過程沖擊小，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，既避免了傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)式有載分接開關(guān)切換時(shí)存在電弧的問題，又有效解決了純電力電子開關(guān)式有載分接開關(guān)穩(wěn)定性差、造價(jià)較高等問題，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。