基于固態繼電器的無觸點有載自動調壓配電變壓器的研究與實現

趙玉林 董守田 梁秋艷

（1.東北農業大學電氣工程系，哈爾濱 150030；2. 佳木斯大學機械工程學院農機工程系，黑龍江 佳木斯 154007）

1 引言

變壓器的有載自動調壓是穩定系統電壓的最有效的措施之一，目前人們通常采用機械式有觸點式自動分接開關。這種開關改變分接頭時因產生電弧必須安裝在獨立的油箱中，且不適合頻繁操作。Cooke G H采用晶閘管作為輔助開關的有載調壓分接開關[1]，解決了切換分接頭產生電弧的問題，但這種結構的分接開關仍然存在機械部分，且調節速度慢、不能頻繁操作的固有缺點并沒有改變[2]。文獻2的作者采用了輔助變壓器與主變壓器一次側串聯，通過由晶閘管改變輔助變壓器二次側分接頭進而實現調壓。這種調壓方法雖然調節快，無電弧但由于需要復雜的輔助變壓器和大容量的晶閘管，因造價高而限制了這種有載調壓開關的應用。由于性能和造價原因，都不適合配電變壓器。

電力電子元件易于實現計算機控制和具有關斷與導通變換快，變換過程中不產生電弧等優點。將其作為變壓器的有載分接開關將具有造價低，壽命長，可頻繁調節等優點。本文介紹一種基于固態繼電器作為分接開關的有載自動調壓配電變壓器的構成、基本原理和個環節的設計方法及實驗結果。

2 無觸點有載自動調壓配電變壓器的主電路及調壓過程

2.1 無觸點有載自動調壓配電變壓器的主電路

本裝置由變壓器本體、無觸點分接開關、環流限制電路、控制單元組成。其主電路接線圖如圖1所示。

圖1 有載自動調壓配電變壓器原理接線圖

圖中，w10為變壓器的高壓側基本工作繞組，只要通電就在工作；w11，w12為高壓側調解繞組；w2為配電變壓器低壓側繞組；SSRi(i=1,2,3,4)為過零型固態繼電器，具有在控制電壓作用下，交流電壓過零時導通，控制電壓為零時，交流電流過零時關斷的特性；RX為環流限制電阻，只有在變換工作分接頭的過程中才接入回路中。單片機監控系統的作用是檢測配電變壓器的輸出電壓，根據預定程序發出控制指令；CB為測量變壓器，給監控系統提供電源和測量信號。

2.2 有載自動調壓配電變壓器的自動調節過程

配電變壓器上電前監控系統由蓄電池供電，使SSR3處于導通狀態，當變壓器合閘后，單片機監控系統自動檢測配電變壓器的輸出電壓，如果電壓超過允許波動范圍，則進入自動有載調壓程序。自動有載調壓流程圖如圖2所示。

從圖 2可以看出，每次都是先將限流電阻 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流幅值的作用。

3 無觸點有載自動調壓配電變壓器總體布置

固態繼電器作為無觸點分接開關，動作時沒有電弧產生，所以可以和變壓器繞組共用一個油箱，本樣機為S9系列50kVA，10/0.4kV節能配電變壓器，帶有油枕，為了調試方便，本樣機將油枕稍加改造，將由固態繼電器組成的無觸點分接開關及由AT89C52單片機構成的控制器放在經改造后的油箱里，將原繞組的分接頭和由于測量變壓器輸出電壓的低壓側相電壓經油路引入到油箱中與分接開關和控制器相連，這樣即減小了變壓器的體積，同時又解決了在中國北方嚴寒的冬天電子元件可能失控的問題。具體安裝示意圖如圖3所示。

圖2 自動有載調壓流程圖

圖3 具有自動穩壓功能配電變壓器的結構示意圖

4 無觸點分接開關元件參數的選擇

4.1 無觸點分接開關的選擇

固態繼電器起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。在電流方面，其額定電流應大于變壓器的尖峰電流，并應能承受變壓器的勵磁涌流和電源側熔斷器熔斷前變壓器出口的短路電流。在電壓方面，正反向耐壓應大于關斷時所承受的工作電壓的110%。本變壓器樣機采用40A660V過零型交流固態繼電器作為分接開關。這種繼電器具有在控制電壓作用下當所加交流電壓過零時導通，在撤消銷控制電壓后，在交流電流過零時自動關斷的特點。

4.2 阻容吸收電路的確定

為了保證固態繼電器可靠關閉與安全開通，必須降低固態繼電器關閉時兩端電壓的上升率du/dt和限制開通瞬間流過SSR電流的上升率di/dt。通常采用在 SSR兩端并聯阻容吸收電路來達到限制du/dt和di/dt的目的。阻容吸收電路的參數與變壓器的容量和固態繼電器的特性有關，可以參照可控硅的吸收電路參數選取，如下表1所示。電容耐壓取固態繼電器額定電壓的2.5倍以上，電阻功率按下式選取

式中，Umax為電阻兩端工作電壓峰值。

表1 固態繼電器阻容吸收電路經驗數據[3]

本樣機取C=0.2μF，額定電壓為1500V的無極性電容，電阻取40?，額定功率為10W的繞線式電阻。

實際運行中沒有出現失控和固態繼電器燒毀現象和電阻過熱現象，說明這種選擇方法可行。

4.3 限流電阻的選擇

過渡限流電阻的作用是在改變分接頭的過程中，限制調節回路的環流。由文獻[4]的分析可知，這個回路的電抗很小，環流大小基本由回路的電源電動勢和串入回路的限流電阻所決定。本樣機選擇限流電阻R=20?，功率為20W的繞線式琺瑯電阻。經實驗室和現場運行表面，這么選取完全滿足安全可靠，平穩過渡的要求。

4.4 計算機監控單元設計

本著安全，可靠，自動穩壓精度高，響應快，系統穩定，經濟適用的設計理念，本本樣機采用AT89C52單片機為控制器的核心，采用C語言編程，三相分相觸發的方法，設計出控制單元。

4.5 無觸點分接開關抗電壓技術

當配電變壓器一次側出現單相接地時，非接地相電壓升高到相電壓。從圖1中可以看出，分接開關—固態繼電器與控制電路及隔離變壓器的原副邊絕緣相串聯承受變壓器一次側線電壓的作用，雖然可以通過提高隔離變壓器原副繞組之間的耐壓強度來保證隔離變壓器絕緣不被擊穿，但由于固態繼電器控制回路和交流回路的絕緣強度只有2500V，控制電路的耐壓水平更低，而電壓是按照阻抗反比分配的，固態繼電器直交流回路之間的絕緣電阻又非常高，所以在 10kV電壓作用下，必然造成固態繼電器和控制線路的損壞。本樣機采用在固態繼電器的交流回路側與隔離變壓器副邊之間加裝 0.01μF電容器的方法來保護固態繼電器和控制電路。實驗證明這個方法實用可行。

5 實驗及運行結果

經過分接開關主電路方案確定，控制器軟硬件設計，最終完成了具有無觸點有載自動調壓功能的配電變壓器實驗樣機，為了進一步驗證其工作性能的穩定性及可靠性，對變壓器樣機分別進行了實驗室模擬實驗和現場運行考核。

5.1 實驗室模擬實驗內容和目的

實驗室進行模擬實驗主要是對固態繼電器的耐壓能力及動作可靠性進行驗證，在其運行情況良好的基礎上進行無觸點有載自動調壓裝置的自動穩壓功能實驗。

5.2 實驗接線

實驗室應用輸出電壓為0－450V的調壓器與升壓變壓器（配電變壓器反接）相連，得到所需的 0－11000V的交流電源模擬電網電壓；應用電阻箱（阻性負載）及電動機（感性負載）作為實驗樣機的負荷。實驗室模擬實驗接線如圖4所示。

圖4 實驗室模擬實驗接線圖

圖中，Tt為0－450V調壓器；T1升壓變壓器；T2為實驗樣機；M為7.5kW電動機；R為5kW電阻箱；K1、K2為負載投切開關；V1為調壓器輸出電壓；V2為實驗樣機高壓側電壓；V3為實驗樣機輸出線電壓；V4為實驗樣機輸出相電壓；SC為DS5202CA型數字示波器。

5.3 固態繼電器耐壓考核實驗

通過調節調壓器輸出電壓使變壓器高壓側電壓在 UN±15%UN范圍變化，使 SSR1與 SSR4分別處于導通狀態，計算截止狀態開關承受的最高電壓，在一定時間內，觀察開關的工作狀態，從而來判斷SSR的耐壓能力。實驗數據如表2所示。

表2 固態繼電器在空載情況下的耐壓數據

由表2實驗數據可知，在空載狀態下，無論哪組分接開關導通，裝置工作均正常，沒有SSR損壞等故障現象發生，表明 660V固態繼電器耐壓情況良好，可以承受開關變換過程中的最高電壓，滿足無觸點有載自動調壓配電變壓器的設計要求。

5.4 環流實驗

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9－11kV反復調節，SSR進行反復轉換，變換動作可靠，且沒有出現過流，導致 SSR損壞現象，由此可驗證，采用20?限流電阻完全能達到限流作用，SSR的可靠性滿足變壓器的要求。

5.5 無觸點自動有載調壓裝置啟動實驗

變壓器原邊合閘送電時，因副邊沒有電壓，控制電路沒有電源，將使所有的SSR都截至，SSR因承受電網電壓而擊穿。本項目采用蓄電池啟動，也就是在投入前由蓄電池給控制單元供電，使SSR3處于導通狀態。當原邊合閘時，SSR3將三相的中性點連到一起，使副邊輸出電壓，控制系統由電源變壓器供電，裝置進入有載自動調壓狀態。

在實驗室經過反復合閘給變壓器送電，沒有出現SSR損壞現象。合閘后反復調節樣機的輸入電壓，樣機進入自動有載調壓狀態，說明這種方法可行。

5.6 自動穩壓功能實驗

為了驗證整個裝置是否可以在電壓大范圍波動時穩定工作，進行了實驗室自動穩壓功能實驗。按照圖4的接線方式，在負載狀態下通過調節調壓器輸出電壓來模擬電網電壓波動，自動有載調壓后輸出電壓也輸入電壓變化的比曲線如圖5所示。

圖5 樣機自動穩壓功能效果對比圖

從圖5中可以直接看出，調壓器輸入從360V 變化到440V時，輸出電壓從378V變化到412V，即輸入電壓在±10%UN變化時，輸出電壓變化范圍為-5.5%UN－+3%UN，。證明自動穩壓效果良好。

5.7 諧波畸變的檢測

當測定無觸點有載自動調壓裝置穩壓效果良好后，使實驗樣機在帶負載情況下，用DS5202CA型數字示波器錄得的輸出波形如圖6所示。由圖可以看出，變壓器輸出波形完好，本課題設計的無觸點有載自動調壓配電變壓器不產生諧波污染。

圖6 自動有載調壓配電變壓器輸出電壓波形

6 結論

由理論分析和實驗結果表明，采用固態繼電器作為配電變壓器有載分接開關，只要采取合適的保護方法，是完全能夠滿足安全穩定運行要求的；采用無觸點開關，可以實現快速變換分接頭，特別適用與負荷波動較大的農村電網使用；采用固態繼電器作為分接開關，不會產生諧波污染。本項目只在實驗室對動力負荷，純阻性負荷進行了自動有載調壓實驗，但對以電焊機為主要的具有沖擊性的感性負荷還沒有進行實驗，有待于進一步研究。

[1]Cooke G. H. et al. New Thyristor Assisted Diverter Switch for On Load Transformer Tap Changers[J]. IEE Proceedings. Vol.139.No.6.pp.507-511.September 1992.

[2]Guorong Zhu. Minzu Li, Xiaodong Liu and Tingting Wang Voltage Regulation Method in Series Thyristor of Distribution transformer. Transformer. Vol. 22.No. 5. pp. 1001-8425. May 2002.

[3]莫正康.晶閘管變流技術[M].北京∶機械工業出版社,1985.6∶73.

[4]Zhao Yulin, Dong-Shoutian∶ “Study on Non Contact Automatic on-Load Voltage Regulating Distributing Transformer Based on Solid State R.