一種新型的無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓分接開關(guān)

尋廣朕

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院,哈爾濱 150030)

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一種新型的無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓分接開關(guān)

尋廣朕

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院,哈爾濱 150030)

為在電網(wǎng)電壓變化幅度較大時(shí)穩(wěn)定負(fù)載電壓,研究了一種具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓波動(dòng)而自動(dòng)穩(wěn)定變壓器輸出電壓功能的有載自動(dòng)調(diào)壓分接開關(guān)。該開關(guān)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(shí)產(chǎn)生的環(huán)流問題,過渡支路與啟動(dòng)支路共用一條回路。理論分析與模擬實(shí)驗(yàn)表明,這種分接開關(guān)解決了機(jī)械式分接開關(guān)觸點(diǎn)電腐蝕問題以及固態(tài)繼電器耐壓不足問題,能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)調(diào)壓。

自動(dòng)調(diào)壓;有載分接開關(guān);啟動(dòng);無觸點(diǎn);過渡

配電變壓器采用有載自動(dòng)調(diào)壓是穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的最有效方式之一[1]。目前,常規(guī)的有載自動(dòng)調(diào)壓變壓器采用的是機(jī)械式有載分接開關(guān)[2]和無觸點(diǎn)分接開關(guān)。機(jī)械式有載分接開關(guān)在分接頭切換過程中容易產(chǎn)生電弧,調(diào)壓響應(yīng)時(shí)間長,而且故障率高,使調(diào)壓時(shí)刻無法準(zhǔn)確控制[3],已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)安全及經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)行要求[4]。無觸點(diǎn)分接開關(guān)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(shí),為了保證電流不中斷,必須先觸發(fā)要導(dǎo)通的分接開關(guān),然后再關(guān)閉目前導(dǎo)通的分接開關(guān)。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(jīng)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(dòng)技術(shù)具有啟動(dòng)可靠、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn),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(dòng)技術(shù)方式,要利用中間繼電器的常閉觸點(diǎn),但中間繼電器常閉觸點(diǎn)最大電流只有5A,通流容量小,易出現(xiàn)觸點(diǎn)融化焊死現(xiàn)象,而三相交流接觸器的主觸點(diǎn)均是動(dòng)合觸點(diǎn),在功能上不符合要求,所以這種啟動(dòng)方式壽命短,工作不可靠[7]。針對(duì)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(diào)壓分接開關(guān),該開關(guān)具有專門的啟動(dòng)電路和在變換分接頭時(shí)限制環(huán)流的過渡支路,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證該分接開關(guān)能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)壓,工作可靠。

1 無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器主電路及調(diào)壓過程

1.1 無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器主電路

本裝置由變壓器本體、無觸點(diǎn)分接開關(guān)、環(huán)流限制電路、單片機(jī)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(diǎn)側(cè)留有額定電壓UN、95%UN和105%UN三個(gè)抽頭,在每個(gè)抽頭和中性點(diǎn)中間接有反并聯(lián)晶閘管作為無觸點(diǎn)分接開關(guān)。為了限制在改變分接頭過程中產(chǎn)生較大的環(huán)流,本開關(guān)設(shè)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量兼工作電源變壓器T提供的低壓側(cè)電壓,發(fā)出觸發(fā)作為無觸點(diǎn)分接開關(guān)的反并聯(lián)晶閘管的脈沖,達(dá)到穩(wěn)定負(fù)荷側(cè)電壓的目的。

1.2 有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程

過渡與啟動(dòng)支路共用電路圖如圖2所示。

圖2 過渡與啟動(dòng)支路共用電路圖

為限制改變分接頭時(shí)在兩分接頭之間的繞組中產(chǎn)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(shí)都經(jīng)過雙向晶閘管支路過渡。現(xiàn)有的用無觸點(diǎn)分接開關(guān)采用過零觸發(fā)方式接入限流過渡支路的方法,對(duì)于感性負(fù)載,由于相并聯(lián)的無觸點(diǎn)分接開關(guān)在電流關(guān)斷時(shí)加在過渡開關(guān)上的電壓大于過零觸發(fā)的電壓范圍,過渡開關(guān)無法閉合,因而過渡支路無法串入,易產(chǎn)生變換分接頭時(shí)匝間短路現(xiàn)象。本裝置采用隨機(jī)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(diào)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(dǎo)通,其余都關(guān)閉,單片機(jī)自動(dòng)檢測(cè)變壓器低壓側(cè)電壓。當(dāng)電壓在97%UN～103%UN范圍波動(dòng)時(shí),變壓器工作分接頭不變;當(dāng)變壓器輸出電壓不在其范圍內(nèi)時(shí)就要改變工作分接頭。例如U2下降低于97%UN,要由S2導(dǎo)通變?yōu)镾1導(dǎo)通,以提高U2值。變換過程為:在電壓過零時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)撤去S2的觸發(fā)電壓,同時(shí)使KM的控制開關(guān)K斷開,KM斷電,其常閉觸點(diǎn)KM1閉合,為S3導(dǎo)通做準(zhǔn)備。當(dāng)S2電流過零關(guān)斷時(shí),在其兩端電壓作用下,S2導(dǎo)通,保證了電流的連續(xù)性,在下一個(gè)電壓過零時(shí)給S1觸發(fā)電壓,使其導(dǎo)通,同時(shí)使K閉合,KM1斷開;當(dāng)S3中電流過零時(shí),S3關(guān)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(nèi)。工作分接頭不在UN分接頭時(shí),首先要進(jìn)行工作分接頭判斷,然后再進(jìn)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(dòng)穩(wěn)壓流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)穩(wěn)壓流程圖

1.3 有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的啟動(dòng)過程

無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓控制信號(hào)來自于接在變壓器低壓側(cè)的控制電路,在變壓器上電前,變壓器低壓側(cè)沒有電,控制電路不能工作,因而接在高壓側(cè)中性點(diǎn)上的無觸點(diǎn)分接開關(guān)都處于截止?fàn)顟B(tài),變壓器無法啟動(dòng),所以需要有專門的啟動(dòng)電路,即在上電時(shí),通過該支路將變壓器的中性點(diǎn)連接起來,使變壓器工作,二次側(cè)帶電,控制電路工作,無觸點(diǎn)分接開關(guān)進(jìn)入工作狀態(tài),然后該啟動(dòng)支路退出。為防止變壓器剛上電時(shí),低壓側(cè)沒有電壓使單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)沒有脈沖輸出,導(dǎo)致全部反并聯(lián)晶閘管均處于關(guān)斷狀態(tài),配電變壓器無法啟動(dòng),本電路設(shè)有繼電器控制雙向晶閘管啟動(dòng)電路。當(dāng)變壓器停運(yùn)時(shí)間較短時(shí),K可以一直處于閉合狀態(tài),這樣在投入運(yùn)行時(shí)就不必再操作K了,測(cè)量兼工作電源變壓器T接在變壓器的負(fù)荷側(cè)a相與中性線n之間,以便直接反映變壓器二次側(cè)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(guān)K處于斷開狀態(tài),交流接觸器線圈不帶電,其常閉觸點(diǎn)閉合。在電源電壓作用下,流過R1電流產(chǎn)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(dǎo)通,經(jīng)過S3、RX支路,將變壓器高壓側(cè)三相中性點(diǎn)連接起來,變壓器二次側(cè)輸出電壓,單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工作,觸發(fā)S2導(dǎo)通,使控制板上的直流繼電器線圈帶電,其常開觸點(diǎn)閉合(觸點(diǎn)電壓220 V),三相中間繼電器線圈KM帶電,其動(dòng)開觸點(diǎn)斷開,啟動(dòng)支路退出工作。控制系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)調(diào)壓程序,啟動(dòng)完畢。具體啟動(dòng)過程如圖4所示。

圖4 啟動(dòng)過程流程圖

2 無觸點(diǎn)分接開關(guān)元件參數(shù)的選擇

2.1 無觸點(diǎn)分接開關(guān)的選擇

反并聯(lián)晶閘管起到有載分接開關(guān)的作用,在選擇時(shí)應(yīng)考慮電流和耐壓兩方面的因素。無觸點(diǎn)分接開關(guān)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(dòng)和調(diào)節(jié)分接頭過渡回路開關(guān),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(dòng)回路元件參數(shù)的選擇

DW為保護(hù)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(chǎn)生控制電壓信號(hào)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(dòng)開)觸點(diǎn),觸點(diǎn)容量不小于5 A。

3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用圖 3所示的工作流程,當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓超出 97%UN～103%UN波動(dòng)時(shí),進(jìn)行有載調(diào)壓分接開關(guān)的切換,即當(dāng)二次側(cè)線電壓在小于 388 V 或大于 412 V時(shí),進(jìn)行分接頭調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)室用輸出電壓范圍為 0～480 V 的調(diào)壓器連接升壓變壓器為試驗(yàn)樣機(jī)提供 0～12 kV交流電源。在實(shí)驗(yàn)過程中,經(jīng)過多次改變實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的一次側(cè)電壓,使其在 9～11 kV 反復(fù)調(diào)節(jié),反并聯(lián)晶閘管進(jìn)行反復(fù)轉(zhuǎn)換,變換動(dòng)作可靠,且沒有出現(xiàn)過流導(dǎo)致反并聯(lián)晶閘管損壞現(xiàn)象。由此可驗(yàn)證,采用 20 Ω 限流電阻完全能達(dá)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(shí),低壓側(cè)沒有電壓使單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)沒有脈沖輸出,導(dǎo)致全部反并聯(lián)晶閘管均處于關(guān)斷狀態(tài),配電變壓器無法啟動(dòng),本開關(guān)設(shè)有繼電器控制反并聯(lián)晶閘管啟動(dòng)電路,在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過反復(fù)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(fù)調(diào)節(jié)樣機(jī)的輸入電壓,樣機(jī)進(jìn)入自動(dòng)有載調(diào)壓狀態(tài),說明這種方法可行。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)及工廠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明,該裝置不僅解決了機(jī)械式分接開關(guān)電腐蝕問題,而且克服了固態(tài)繼電器耐壓不足的問題,實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)調(diào)壓。

4 結(jié) 論

1) 本裝置將啟動(dòng)電路與過渡電路共用一個(gè)電路,電路簡(jiǎn)單,節(jié)省空間,造價(jià)低。

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

3) 本裝置采用隨機(jī)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(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)壓,具有較高的

工作可靠性。

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(責(zé)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?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)。

TM581.8

A

2095-6843(2016)01-0077-04