農村電網配電變壓器無觸點有載自動調容技術研究

楊婷婷 ，趙玉林，江志明，鄭治華

(東北農業大學 電氣與信息學院，哈爾濱　150030)

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農村電網配電變壓器無觸點有載自動調容技術研究

楊婷婷 ，趙玉林，江志明，鄭治華

(東北農業大學 電氣與信息學院，哈爾濱150030)

摘要：農村電網負荷波動大，變壓器負載率不能在合理的范圍內，因此配電變壓器根據負荷的變化自動改變容量具有重要意義。現有的調容開關均為機械有觸點式，不適合頻繁動作，可靠性低。為此，提出了采用復合開關作為調容開關的配電變壓器有載自動調容方案，該復合開關由電力電子開關與機械式有觸點開關并聯組成。針對變容過程中出現的過壓、過流及其限制問題，利用MatLab/SIMULINK仿真軟件對有載自動調容變壓器調容過程進行仿真研究，結果表明：調容開關調容時會產生過電壓與過電流，通過在調容開關兩端并聯合適大小的緩沖電阻，可以有效地抑制該過電壓與過電流。

關鍵詞：農村電網；有載自動調容；配電變壓器；負荷開關；MatLab/SIMULINK仿真

0引言

農村用電負荷存在季節性強、日負荷峰谷差大、年利用小時數低、全年輕載甚至空載時間長等問題，使變壓器負載率不在合理范圍內。重載時，負載率高，銅損太大；輕載時，鐵損太大。如果在重載時增加繞組導線截面，輕載時增加變壓器匝數，則可以起到降低變壓器損耗的作用。調容變壓器是其容量根據負債的變化，通過改變繞組的連接方式改變其容量的變壓器：當負荷很小時，將變壓器原來并接的繞組改為串聯，以降低鐵損；當負債較大時，將原來串接的繞組改為并聯，以降低銅損。所以，變容變壓器對降低負荷波動較大且頻繁的農村電網的損耗具有顯著的效果[1-5]。

目前，國外的相關文獻與報道中并未查到類似產品的研究與應用。我國現有的有載調容變壓器采用機械式調容開關，結構復雜，切換時產生電弧，大大縮短了開關壽命，不利于頻繁調節[6-7]。針對這一問題，沈陽農業大學的樸在林教授提出利用電力電子開關代替機械式開關的無弧有載自動調容方案[8]。但考慮到晶閘管導通時產生的能耗較大，本文選擇采用電力電子開關與機械式開關相結合的復合開關作為有載自動調容開關。調容時，利用雙向晶閘管進行切換，實現切換過程中無機械振動、不起弧、抑制涌流；正常工作時利用機械開關長期導通，實現長期導通時無損耗、低發熱量，從而延長機械開關與晶閘管的使用壽命[9]。

1有載自動調容變壓器調容方案

1.1　有載自動調容變壓器調容方式

有載自動調容變壓器根據高、低壓側繞組聯結方式的不同，可以分為兩種調容方式：一種是高、低壓側繞組均為串并聯變換；一種是高壓側繞組星—角變換，低壓側繞組串并聯變換。由于后者節能效果明顯，應用較為廣泛，本文選用星—角變換(D-Y)的調容方式。其具體調容原理在文獻[10]中已詳細介紹，本文不在贅述。

1.2　有載自動調容開關

為了克服機械式開關切換時產生電弧不利于頻繁調節與電力電子開關導通時能耗大的缺點，本文選用以機械式開關與電力電子開關相結合的復合開關作為有載自動調容開關，其開關拓撲結構如圖1所示。圖1中：FA1、FB1、FC1為高壓側大容量調容開關，FA2、FB2、FC2為高壓側小容量調容開關，Fa11、Fa12、Fb11、Fb12、Fc11、Fc12為低壓側大容量調容開關，Fa2、Fb2、、Fc2為低壓側小容量調容開關。大容量時，大容量調容開關閉合，小容量調容開關斷開；小容量時，與之相反。

圖1中的調容開關為反并聯晶閘管與繼電器并聯的復合開關，R為過渡電阻。開關動作時先接入過渡電阻，調容過程中利用晶閘管的通斷來控制變壓器繞組的連接方式，從而改變變壓器的容量。調容結束后，正常工作時利用繼電器導通。

圖1　有載自動調容變壓器開關拓撲結構圖

2有載自動調容技術的關鍵問題

2.1　晶閘管與繼電器的耐壓問題

以S11-M-ZT 100(35)kVA/10kV配電變壓器為例，變壓器高壓側的開關需承受的電壓最高達到10kV，目前市面上并沒有耐壓如此高的晶閘管與繼電器。為解決這一問題，考慮到可以將多個晶閘管與繼電器分別串聯起來使用，達到分壓的目的。但此時需要在設計觸發回路時考慮到觸發時刻與同步觸發的問題；同時，還要考慮到合閘瞬間產生的沖擊電流與長期工作時流過的電流。因此，選擇合適的晶閘管與繼電器是一項至關重要的工作。

2.2　調容過程中電流、電壓波動問題。

當改變繞組聯結方式時，由于繞組電流的變化必然引起繞組電壓的變化，該電壓將影響到開關元件耐壓值的選擇。另外，調容開關動作時，可能產生較大的瞬時過電壓與過電流，可利用仿真軟件進行模擬實驗，確定電壓、電流的大小，找到辦法抑制過電壓與過電流，為開關元件的選擇提供依據。

3有載自動調容方案的仿真分析

3.1　仿真原理模型

依據調容變壓器的調容原理，以S11-M-ZT 100(35)kVA/10kV調容配電變壓器為例，利用MatLab搭建Simulink仿真模型，如圖2所示。分析有載自動調容過程中各個調容開關動作時的瞬時過電壓與瞬時過電流。

3.1.1變壓器模型

MatLab/SIMULINK元件庫中沒有調容變壓器模型，鑒于王金麗在“調容變壓器仿真分析”[11]中與樸在林在“配電變壓器無弧有載自動調容仿真分析”[8]中均采用3個單相的四繞組變壓器構成三相的調容變壓器，因此本實驗中采用simpowersystem中的3個多繞組單相變壓器模型聯結成三相，通過設置參數令其原邊1個繞組、副邊3個繞組(1個27%匝繞組和2個73%匝繞組)，從而實現S11-M-ZT 100(35)kVA/10kV調容配電變壓器。每個多繞組變壓器的參數設置都一樣，SN=100kVA，U1/U2=5774/220V，高、低壓側4段繞組電阻標幺值依次為0.075、0.041、0.041、0.028，各部分漏電感標幺值分別為0.02、0.11、0.11、0.08，勵磁阻抗標幺值分別為50、50。

3.1.2開關模型

采用simpowersystem中的理想開關作為調容開關，內部電阻為0.001Ω，初始狀態設為0或1，緩沖電阻高壓側取100Ω，低壓側取5Ω，緩沖電容均取為1μF。變壓器高壓側通過6個開關，低壓側通過9個開關的切換，實現高壓側星—角變換和低壓側串并聯變換。

3.1.3開關控制模塊

采用simpowersystem中的定時器模塊來控制15個開關的切換，通過改變定時器模塊的參數即可改變調容時刻。

3.1.4電源模塊

采用3個50Hz單相交流電源，構成A、B、C三相電源，幅值均為577 4V，初始相位角分別為0°、-120°、120°。

3.1.5負載模塊

采用simpowersystem中的單相串聯RLC負荷，通過開關控制其接入變壓器二次側實現負荷變化的模擬。

圖2　調容配電變壓器仿真模型

3.2　仿真結果與分析

仿真時間設定為0～0.3s。仿真開始，設定變壓器在大容量方式下工作，即高壓側開關S1、S3、S5閉合，S2、S4、S6斷開，低壓側開關S7、S9、S10、S12、S13、S15閉合，S8、S11、S14斷開。在0.09s時，斷開開關K1、K2、K3，使負載變為小容量負荷，檢測變壓器高壓側電壓，令調容開關依次動作，進行容量的切換，使變壓器從大容量的工作方式變為小容量的工作方式。在0.19s時，閉合開關K1、K2、K3，使負載再次變為大容量負荷，檢測變壓器高壓側電壓，令調容開關依次動作，進行容量的切換，使變壓器從小容量工作方式變為大容量工作方式。仿真時間內，高壓側調容開關的緩沖電阻為100Ω，低壓側調容開關的緩沖電阻5Ω時，流過各個調容開關的電流波形以及開關兩端的電壓波形如圖3所示。

從圖3的仿真波形可以看出：高壓側調容開關動作時沒有較大的過電壓產生，其斷開時也沒有較大的過電流產生；但高壓側調容開關閉合時會產生非常大的過電流，且高壓側大容量調容開關的過電流比小容量調容開關的過電流大得多，最大可達到上千安培。低壓側大容量開關動作時沒有明顯的過電流與過電壓產生，低壓側小容量開關動作時雖然沒有明顯的過電流產生，但其在斷開時某兩相會產生較大的過電壓。

圖3　各個開關的電流、電壓仿真波形圖

為了減小調容開關動作時產生的過電壓與過電流，改變與調容開關并聯的緩沖電阻的阻值，反復進行仿真實驗。高壓側調容開關閉合時產生的過電流的大小隨緩沖電阻阻值變化而變化的情況如表1所示，低壓側小容量開關斷開時其中兩相產生的過電流大小隨緩沖電阻阻值變化的情況如表2所示。

表 1　緩沖電阻不同時高壓側調容開關的過電流

表2　緩沖電阻不同時S11、S14的過電壓

從表1可以看出：高壓側調容開關閉合時產生的過電流隨緩沖電阻阻值的增大而減小。當緩沖電阻阻值大于500Ω時，過電流已經很小了，并且隨著緩沖電阻阻值的增大過電流減小的非常緩慢。本實驗中，根據高壓側調容開關正常工作時所需承受的最大電流判斷可知緩沖電阻取1 000Ω左右即可滿足需求。在實際工作中，可以根據所選開關能承受的最大電流值確定較為合適的緩沖電阻的大小。

從表2可以看出：低壓側其中兩相小容量調容開關斷開時，兩端承受的過電壓隨緩沖電阻阻值的減小而減小。由于變壓器低壓側的電壓本身就不是很高，因此調容開關兩端所承受的過電壓也不是很高；另外，當緩沖電阻阻值過小時，電路中會有過電流產生，當緩沖電阻阻值為1Ω時，過電流高達200A左右。因此，一次低壓側開關電路緩沖電阻阻值選擇在5Ω較為合適。

4結語

提出了采用電力電子開關與機械式有觸點開關相結合的復合開關作為調容開關的配電變壓器有載自動調容方案。該方案可以根據負載的變化實時自動調容，從而達到節能降損的目的，適用于負荷季節性強的農村電網。其既克服了無載調容需要人工調容、適用范圍窄的缺點，又彌補了有載調容時單獨使用機械式開關與單獨使用電力電子開關的不足，可延長機械開關與電力電子開關的使用壽命。同時，以S11-M-ZT 100(35)kVA/10kV調容配電變壓器為例，對有載自動調容變壓器進行了仿真分析。仿真結果表明：有載自動調容變壓器在進行容量變換時，高壓側調容開關閉合時會產生非常大的過電流，且高壓側大容量調容開關的過電流要比小容量調容開關的過電流大；低壓側小容量開關在斷開時某兩相產生會較大的過電壓，通過采用適當阻值的緩沖電阻可以減小甚至消除過電流與過電壓。這一結論對有載自動調容變壓器的實際生產尤其是有載調容開關的選擇與實際生產具有重大的理論指導意義。

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[11]王金麗.調容變壓器仿真分析[J].變壓器,2009,46(7):19-23.

Study on the Technology of Non Contact on-load Automatic Capacity Regulating of the Distribution Transformer in Rural Power Network

Yang Tingting， Zhao Yulin， Jiang Zhiming， Zheng Zhihua

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

Abstract：The load fluctuation in rural areas is high, and the load rate of transformer can not be in reasonable range.So the power distribution transformer according to the change of the load change automatically has important significance.The existing capacity regulating switch is a mechanical contact type, which is not suitable for frequent operation and low reliability. Therefor scheme of on-load automation capacity regulating which composite switch was used as capacity regulating switch was put forward.The composite switch was composed of a electronic switch and a mechanical type of contact switch.The overvoltage and overcurrent in the process of capacity regulating and its limitation are studied.Meanwhile,the MATLAB/SIMULINK simulation software was used to simulate the on-load automatic capacity regulating transformer.The results showed that overvoltage and overcurrent would be generated when the capacity regulating switch was changed.And the overvoltage and overcurrent can be effectively suppressed by the appropriate size of butter resistance at the ends of the switch.

Key words：rural power network; on-load automatic capacity regulation; distribution transformer; composite switch; MatLab/SIMULINK simulation

中圖分類號：S24

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0239-06

作者簡介：楊婷婷(1991-)，女，河南南陽人，碩士研究生，(E-mail)1295935254@qq.com。通訊作者：趙玉林(1956-)，男，黑龍江富錦人，教授，碩士生導師，(E-mail) zyl5631@163.com。

基金項目：黑龍江省教育廳科技成果產業化前期研發培育項目(1252CGZH30)；黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12511038)

收稿日期：2015-09-22