電力變壓器有載分接開關控制器的設計

劉文勝，庹民紅

（1.長江工程職業技術學院，武漢 430212；2.陸水樞紐管理局，湖北 赤壁 437302）

1 引 言

隨著電力系統的發展，對電壓質量的要求越來越高。由于電力系統在運行過程中，負載的大小是經常變化的，而負載的變化會引起系統供電電壓的波動，嚴重時會影響電氣設備的正常運行，進而影響企業的生產和人們的日常生活。采用有載分接開關進行調壓是方便、有效地控制電力系統電壓質量的方法之一，故在電力變壓器中有載分接開關被廣泛應用。因此，有載分接開關的動作是否可靠將直接關系到系統能否安全運行。一種有效的解決辦法是采用控制器去自動控制有載分接開關的動作。本控制器的設計即是以MCS51單片機為核心，通過軟件邏輯控制去實現對有載分接開關的控制和調節。

2 有載分接開關工作原理

有載分接開關是一種能在勵磁狀態下變換分接位置的電器裝置。有載分接開關調壓的基本原理，是在 繞組中引出若干分接頭后，通過它在不中斷負載電流的情況下，由一個分接頭切換到另一個分接頭，來改變有效匝數（即改變變壓器的電壓比），從而實現調壓目的。因此，有載分接開關在操作過程當中，一要保證負載電流的連續性；二要在切換分接的動作中具有良好的斷弧性能。有載分接開關在變換分接頭過程中，必須利用過渡電阻實現過渡，以限制其切換過程中產生的環流。目前大容量的變壓器通常是采用電阻式組合型有載分接開關，它主要包括切換開關、選擇開關、電動操作結構三大部分。

3 控制器總體設計

在本設計中，通過電壓互感器和信號調理電路經A／D轉換把采集的電壓模擬信號轉換成相應的數字量，然后與設定的參數量進行比較，經單片機判斷后控制有載分接開關驅動機構進行相應的動作。為了方便用戶，本設計還采用了開關位置傳感器與單片機連接，將相應的參數通過MAX485傳遞給遠程計算機并進行顯示，使操作人員能夠知道有載分接開關當前的檔位位置、電壓實時值、分接開關動作總次數等。單片機所控制的液晶顯示器可用于現場設定電壓基準值、電壓極限值、計算精度、開關動作間隔時間、采樣速率等。本控制器通過編程方式，用內部邏輯關系代替了實際硬件連接，減少了繼電器的使用數量，減少了大量的中間連線，避免了許多干擾，其連鎖保護功能也更加完善。單片機實現的主要功能有：對電壓的采樣、計算；對開關極限位置的檢測；數據的存儲；控制有載分接開關檔位的升降；與液晶顯示器人機界面或遠程計算機進行通訊等。系統的總體設計框圖如下圖1所示。

圖1 系統硬件電路總體設計框圖

4 控制器硬件設計

4.1 測量電路

4.1.1 電壓采集電路

用來測量電壓的大小。通過單片機對A／D轉換模塊進行編程，把所采集的電壓信號模擬量轉換成數字量，然后與預先設定的電壓基準值進行比較，進而驅動電機控制有載分接開關檔位升降。由于變壓器大多工作環境惡劣，周邊有許多干擾信號，而單片機本身又不帶濾波功能，所以在電壓采集電路的設計中引入了濾波電路。又由于單片機是直流工作電壓，因此再設計了整流電路。同時，為了滿足單片機的最高工作電壓，在電壓采集電路中還設計了限幅電路（采用＋5V的穩壓管）對輸出的電壓值進行限定。電壓采集電路如圖2所示。

圖2 電壓采集電路

4.1.2 開關位置檢測電路

在變壓器運行時，為了幫助工作人員了解、掌握現場情況，應提供有載分接開關當前檔位的位置并進行顯示。當開關處于最高或最低檔位時，若繼續向上或向下調節有載分接開關，會導致變壓器分接頭的損壞，因此應閉鎖輸出，盡可能避免控制失敗。在本設計中采用了11個光電耦合電路與單片機相連，通過單片機邏輯控制來判斷有載分接開關的檔位實際位置，并可通過MAX485通訊接口與上位機相連并進行顯示。電路原理圖如圖3所示。

圖3 開關位置檢測電路

4.2 參數設置顯示電路

主要實現參數的設定及顯示。包括電壓基準值、測量精度、采樣時間、限值電壓等參數的設定。設計中采用LCM12864ZK液晶顯示模塊，通過軟件編程實現邏輯控制。為使操作更加方便，在電路中設計了4個按鍵開關，也是通過邏輯控制實現參數的設置及大小的調節。參數設置顯示電路的原理圖如圖4所示。

圖4 液晶顯示電路

圖5 通訊電路原理圖

4.3 通訊電路

用來實現單片機與上位機點對點的通訊。可在現場顯示電壓實時值、有載分接開關檔位實際位置、有載分接開關動作總次數、電壓基準值等參數，并可進行報警信息的輸出顯示。由于單片機本身不具有RS485通訊接口，所以需要外掛通訊接口來實現通訊功能。通訊電路的原理圖如圖5所示。

5 控制器的軟件設計

有載分接開關控制器的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

5.1 初始化子程序

初始化子程序負責對控制器進行初始化設置，包括：控制ADC的啟動，系統識別輸入、輸出端口，確定輸出格式等。

5.2 參數設定子程序

參數設置子程序可通過按鍵開關和液晶顯示器對電壓基準值、延時時間、采樣時間、采樣精度、報警值等參數進行設定。目的是便于將所設定的參數與后續測量的信號進行比較，以實現對開關的調節。

5.3 檔位、電壓測量子程序

檔位、電壓測量子程序一方面負責確定有載分接開關目前所在的檔位；另一方面負責對電壓信號進行采樣，并通過A／D轉換后將模擬信號轉換成數字量并進行存儲。

5.4 電機驅動子程序

電機驅動子程序是用來控制有載分接開關電動操動機構中電機的正反轉，其作用是驅動操動機構動作，使有載分接開關的輸出電壓達到設定值。

5.5 監控子程序

在電壓無需調節時，需要對分接開關的檔位信息、變壓器輸出電壓值及分接開關動作總次數等信息進行監控并與報警值進行比較。如果數字超標，則需要報警；如果數字不超標，則可進入后續的通訊子程序對相關信息進行顯示。

5.6 通訊子程序

通訊子程序可將現場通過按鍵及液晶顯示器設定的參數傳給遠程計算機，為遠程監控和無人值守提供數據。

6 結 語

本控制器設計的核心器件是MCS51單片機。其優點是：硬件系統設計簡潔，簡化了系統接線，提高了系統工作的可靠性；軟件設計因采用C51語言編程，故應用較為靈活，修改、擴展方便。為了使控制器功能更加宏大，在設計中還使用了LCM12864ZK液晶顯示模塊，可通過按鍵改變參數大小，以實現參數的精確設置。總之，該控制器能夠在不中斷負載的情況下進行變壓器有載分接變換操作，從而可保證電力變壓器輸出電壓的質量。

［1］張德明.有載分接開關國內現狀及其發展動向［J］.變壓器，2000.

［2］孫廣貴，李振華.一種智能化有載分接開關控制器［J］.變壓器，2006.

［3］陳迎松，孫愛民.基于單片機的有載分接開關控制器研制［J］.計算技術與自動化，2010.