無觸點(diǎn)有載調(diào)壓變壓器分接頭變換方式研究

趙玉林，張吉冬，高程

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

無觸點(diǎn)有載調(diào)壓變壓器分接頭變換方式研究

趙玉林，張吉冬，高程

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

變壓器有載調(diào)壓時(shí)分接頭變換方式對調(diào)壓可靠性和分接開關(guān)結(jié)構(gòu)具有較大影響。在變換分接頭過程中，變換回路電流不中斷，不可出現(xiàn)較大過流。文章通過對直接進(jìn)行分接頭變換的等值電路回路電流的理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)進(jìn)行研究，得到調(diào)低輸出電壓時(shí)，可直接進(jìn)行分接頭變換；而調(diào)高輸出電壓時(shí)，經(jīng)過串接限流電阻的過渡回路進(jìn)行分接頭變換。

有載調(diào)壓；變換分接頭；過渡回路

目前常用的機(jī)械式有載分接開關(guān)，操作時(shí)易產(chǎn)生電火花且不能頻繁操作[1-2]。運(yùn)用電力電子開關(guān)可避免機(jī)械式分接開關(guān)操作的弊端。過零型電力電子元件是理想開關(guān)元件，具有在電壓過零時(shí)施加控制電壓后立即導(dǎo)通，無控制信號(hào)時(shí)在電流過零時(shí)關(guān)斷等特點(diǎn)。如果用過零型電力電子元件接在變壓器分接頭上（如圖1所示），由計(jì)算機(jī)根據(jù)配電變壓器輸出電壓高低，控制相應(yīng)分接頭上電力電子元件導(dǎo)通或者關(guān)斷狀態(tài)直接進(jìn)行分接頭變換，將使接線簡單，變換方便[3-4]。但在實(shí)驗(yàn)室通過高壓調(diào)壓器，按圖1接線的配電變壓器逐級提供電壓，通過計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行有載調(diào)壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)配電變壓器電源電壓不超過3 000 V時(shí)，無論調(diào)高輸出電壓還是降低輸出電壓，都能安全工作；在電源電壓高于3 000 V時(shí)，如果調(diào)高輸出電壓，則出現(xiàn)過流現(xiàn)象，保護(hù)跳閘，而調(diào)低電壓時(shí)，無跳閘現(xiàn)象發(fā)生，在電源電壓加到11 000V，調(diào)低電壓時(shí)，可安全工作。說明在調(diào)節(jié)變壓器分接頭過程中，調(diào)高和調(diào)低電壓，調(diào)節(jié)回路電流具有不同變化規(guī)律。本文對這種現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出變換分接頭過程中，限制調(diào)節(jié)回路環(huán)流措施。

圖1 直接進(jìn)行分接頭變換時(shí)的主電路Fig.1 Directly with the tap transformation ofthe main circuit figure

1 調(diào)節(jié)回路的電流

若直接進(jìn)行分接頭變換，為保證電流連續(xù)性，在原導(dǎo)通的分接開關(guān)尚未在電流過零關(guān)閉前，與要變換到的分接頭相聯(lián)的無觸點(diǎn)開關(guān)已經(jīng)被觸發(fā)而導(dǎo)通[5-6]。在原分接開關(guān)關(guān)斷前的等效電路如圖2所示。

圖2 等效電路Fig.2 Equivalent circuit diagram

圖中，US為調(diào)節(jié)回路等效電動(dòng)勢，對額定電壓為10 kV，5%額定電壓的調(diào)節(jié)回路，其值為289 V，R、X分別為調(diào)節(jié)回路的等效電阻和等效漏抗[7]。

1.1 調(diào)節(jié)回路的電流及其變化率

由圖2的等效電路，根據(jù)KVL定律，得

式（1）為一階微分方程，故有暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量兩個(gè)解，即

求解暫態(tài)分量i''1時(shí)，令t=0時(shí)動(dòng)作，可得

對一階微分方程求解得

根據(jù)us=Umsin(ωt+?)求得穩(wěn)態(tài)分量為

故

從式（4）、（5）和（6）中可知，電流i1(t)與電阻R

和電感L有關(guān)。對暫態(tài)電流分量而言，其幅值與R和L無關(guān)，但越大衰減越快；而電阻R與電感L的值越大，穩(wěn)態(tài)電流分量的幅值越小。

1.2 調(diào)低輸出電壓時(shí)電流的波形

以50 kVA/10 kV，S13系列節(jié)能變壓器為例，應(yīng)用Matlab求其變換分接頭過程中，變換回路電流及其最大變化率。空載變壓器的功率因數(shù)很低，令cosφmin=0.2，則φmax=78.5°[8]。當(dāng)變壓器的二次側(cè)的輸出電壓大于額定電壓允許值時(shí)，則增加工作繞組匝數(shù)的等效線路圖和圖2相同，只是電流方向相反。其中R=1.15 ΩX=0.825 Ω[9-10]。

當(dāng)t=0時(shí)

得

則應(yīng)用Matlab求得

根據(jù)式（10），運(yùn)用Matlab的數(shù)據(jù)處理功能，繪制出調(diào)高輸出電壓是調(diào)節(jié)回路電流i1波形如圖3（a）所示，圖中虛線為暫態(tài)分量、點(diǎn)連線為穩(wěn)態(tài)分量、實(shí)線為回路電流總i1。圖（b）為電流暫態(tài)分量衰減到零前i1的放大圖。

圖3 調(diào)低輸出電壓時(shí)電流波形Fig.3 Current waveform figure of lowering the output voltage

由圖3中可知，環(huán)路形成后，i1從-3.81 A變化到0 A，然后逐漸增大，到達(dá)峰值后逐漸減小。在無控制信號(hào)作用下，若電流過零點(diǎn)的變化率小于電力電子元件的臨界變化率，則無觸點(diǎn)開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，分接頭變換完成，變換過程中回路沒有過電流產(chǎn)生。由此可見，在調(diào)低電壓的過程中，可直接進(jìn)行分接頭變換。

1.3 調(diào)高輸出電壓時(shí)電流波形

調(diào)高輸出電壓時(shí)，等效線路仍和圖2相同，當(dāng)t=0時(shí)，i1=3.81 A，則

則運(yùn)用Matlab求得

應(yīng)用Matlab繪出回路電流i1波形如圖4（a）所示，（b）為其局部放大圖。

圖4 調(diào)高輸出電壓時(shí)電流波形Fig.4 Current waveform figure of increasing the output voltage

由圖4可知，電流是先經(jīng)峰值后再到達(dá)過零點(diǎn)，即使在過零點(diǎn)原處于導(dǎo)通狀態(tài)的分接開關(guān)能可靠關(guān)閉，回路也會(huì)出現(xiàn)很大過電流，將造成開關(guān)或繞組燒毀。在調(diào)高輸出電壓時(shí)，不能直接進(jìn)行分接頭變換，而必須經(jīng)過接有限流電阻的過渡回路。

2 限制調(diào)節(jié)回路電流措施

為限制調(diào)高電壓時(shí)，調(diào)節(jié)回路電流峰值，在原電路基礎(chǔ)上增加帶有限流電阻的過渡回路，改進(jìn)后的原理接線圖如圖5所示。

圖中作為分接開關(guān)的K1、K2、K3和K4均為固態(tài)繼電器（Solid state relay，SSR）

分接頭變換程序流程圖如圖6所示。

圖5 具有過渡回路的有載調(diào)壓原理接線Fig.5 Transition circuit for on-load voltage regulation schematic wiring figure

圖6 有載調(diào)壓原理流程Fig.6 Flow chart of automatic on-load voltage

由圖6的變換分接頭流程圖可以看出，每次調(diào)高輸出電壓時(shí)，均先將限流電阻R2串入分接頭變換回路，然后再開始分接頭變換，這樣可以起到限制環(huán)流值作用，而在調(diào)低電壓過程中，沒有將限流電阻R2串聯(lián)到變換回路中，而是直接進(jìn)行變換，變換比較簡單。

3 結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有高壓設(shè)備，組成高壓調(diào)壓器，作為試驗(yàn)樣機(jī)的高壓可調(diào)電源，通過改變試驗(yàn)樣機(jī)高壓側(cè)電源的方法，使分接頭自動(dòng)變換，檢驗(yàn)其可靠性。試驗(yàn)接線圖如圖7所示。圖7中，Tt為三相自耦調(diào)壓器，其電源側(cè)接有電流速斷保護(hù)。T1為50 kVA配電變壓器，低壓側(cè)接三相自耦調(diào)壓器。在自耦調(diào)壓器作用下，可以產(chǎn)生0～11 kV的可調(diào)三相交流電壓。T2為本無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器試驗(yàn)樣機(jī)，M、R、V、SC分別為三相電動(dòng)機(jī)、電阻箱、電壓表和示波器，分別用來模擬負(fù)荷和測量電壓和觀察變壓器輸出波形。接通三相電源后，通過調(diào)節(jié)Tt手柄，逐漸升高變壓器T2高壓側(cè)電源，當(dāng)電壓達(dá)到額定電壓10 kV以后，反復(fù)升高和降低電壓，使其分接頭反復(fù)自動(dòng)變換。觀察是否能可靠變換分接頭，是否有過流現(xiàn)象產(chǎn)生，如電流速斷保護(hù)動(dòng)作，說明變換分接頭時(shí)在調(diào)節(jié)回路有過流產(chǎn)生，反之，調(diào)節(jié)回路電流在允許范圍內(nèi)。

圖7 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)接線Fig.7 Imitate experiment circult diagram in laboratory

試驗(yàn)結(jié)果為：當(dāng)調(diào)低T2輸入電壓時(shí)，T2輸出電壓下降，當(dāng)降到相電壓約為198 V時(shí)，分接頭自動(dòng)變換，輸出電壓自動(dòng)升高。而在升高T2輸入電壓時(shí)，T2輸出電壓自動(dòng)升高，當(dāng)電壓達(dá)到237 V時(shí)，分接頭自動(dòng)變換，輸出電壓下降，恢復(fù)到220 V附近。無論是調(diào)高輸出電壓還是調(diào)低輸出電壓，電流速斷保護(hù)均無動(dòng)作，即無過電流產(chǎn)生。表明在調(diào)高輸出電壓時(shí)，只要把合適的限流電阻串入過渡回路，可限制變換分接頭時(shí)環(huán)流在允許范圍內(nèi)。而在調(diào)低輸出電壓時(shí)，可進(jìn)行分接頭的直接變換，不產(chǎn)生過流。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在調(diào)低Tt的輸出電壓，使升壓變壓器T1輸出電壓降低，模擬電網(wǎng)電壓下降，T2輸出電壓下降超過臨界值時(shí)，改變分接頭調(diào)高輸出電壓時(shí)，由圖6可知，不管原分接頭在什么位置，均先將過渡回路無觸點(diǎn)開關(guān)先觸發(fā)導(dǎo)通使限流電阻R2串入，再觸發(fā)與應(yīng)該變換到的分接頭相連的無觸點(diǎn)電子開關(guān)，使其導(dǎo)通。形成調(diào)節(jié)過渡回路，其等效電路與圖2相同，圖中R為限流電阻與調(diào)節(jié)回路等效電阻之和。

同樣以50 kVA/10 kV，S13系列節(jié)能變壓器為例。限流保護(hù)電阻的串入可減小穩(wěn)態(tài)分量幅值，而且可加快暫態(tài)分量衰減。若取限流電阻R1=6.8 Ω，則τ=0.227ms，即在1.2 ms以后，暫態(tài)分量i"1已衰減為零，則電流i1max主要取決于穩(wěn)態(tài)分量i'1。

在串入限流保護(hù)電阻以后，過電流最小減小到51.05 A，該電流值小于開關(guān)元件的額定值，也小于電流速斷保護(hù)的動(dòng)作值，所以保護(hù)不動(dòng)作。而如果直接進(jìn)行分接頭變換則有大過流產(chǎn)生，驗(yàn)證了前文分析的調(diào)高輸出電壓必須經(jīng)過限流過渡回路的理論分析結(jié)果。

由圖6可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高，使配電變壓器輸出電壓升高，需降低輸出電壓時(shí)，直接進(jìn)行變換，不經(jīng)過過渡限流回路。試驗(yàn)結(jié)果在變換分接頭過程中也無過流產(chǎn)生。說明調(diào)低電壓時(shí)，可直接變換分接頭，不必經(jīng)過限流過渡回路。

4 結(jié)論

通過對無觸點(diǎn)有載調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)回路電流理論分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，得出結(jié)論為：

①在自動(dòng)有載調(diào)壓過程中，調(diào)節(jié)回路電流變化規(guī)律不同，調(diào)高輸出電壓時(shí)，電流先到達(dá)峰值后再過零點(diǎn)，變換分接頭過程中，必須在變換回路中串入限流電阻。而調(diào)低電壓時(shí)，回路電流從變換前的初始值，先到達(dá)零點(diǎn)，再到達(dá)峰值，若電流變化率小于作為分接開關(guān)電力電子元件的臨界變化率，在過零點(diǎn)可以可靠關(guān)斷，不會(huì)出現(xiàn)過流，可直接變換分接頭。

②從可靠性方面考慮，為降低電流變化率，無論是調(diào)高電壓還是調(diào)低電壓，建議均采取降低電流變化率措施，以保證無控制信號(hào)時(shí)，作為開關(guān)的電力電子元件在電流過零點(diǎn)可靠關(guān)斷。

[1]陳敬佳,李曉明.電力變壓器有載調(diào)壓技術(shù)的新進(jìn)展[J].華北電力技術(shù),2001(10):52-54.

[2]蔡博,崔學(xué)深,陳曉.無觸點(diǎn)有載調(diào)壓過渡過程中無沖擊電流的研究[J].電工電氣,2010(1):1-4.

[3]姚欣,趙玉林,董守田,等.基于GTO的無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓分接開關(guān)的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,139(3):113-115.

[4]Jiang H,Shuttleworth R,Bashar A,et al.Fast response GTO as?sisted novel tap changer[J].IEEE Transactions on Power Deliv?ery,2001,16(1):111-115.

[5]倪晶,趙玉林.固態(tài)繼電器在配電變壓器中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2003(3):30-32.

[6]孫猛,趙玉林,付巖.農(nóng)村電網(wǎng)自動(dòng)穩(wěn)壓技術(shù)的研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,43(6):78-82.

[7]趙玉林,董守田.無觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器:中國(Chi?na),ZL200410043740[P].2009-07-08.

[8]Zhao Y L,Dong S T,Liang Q Y,et al.Design of non-contact on-load atomatic regulate voltage transformer[C].Power and Ener?gy Engineering Conference,27-31 March 2009.APPEEC 2009. Asia-Pacific.IEEE Conference Publications:2009:1-4.

[9]趙愛眾.特種變壓器的阻抗計(jì)算方法[J].變壓器,1995,32(9): 10-13.

[10]楊寶林.有載調(diào)壓幅向分裂變壓器的阻抗計(jì)算[J].變壓器報(bào)導(dǎo),1992(2):8-10.

Study on no contact on-load regulating transformer tap transformation way

ZHAO Yulin,ZHANG Jidong,GAO Cheng
(School of Electrical and Information,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Transformer on-load voltage regulation around joint transformation has a larger effect on the reliability of the pressure regulating and the structure of the tap-changer.In the process of transformation of the tap,transform circuit current should not be interrupted,and in the transformation can not appear larger overcurrent.Text by directly tap transform equivalent circuit loop current theoretical analysis,computer simulation and laboratory simulation experiment,when the output voltage was lowered,you could directly trigger,and without going through the transition loop,when you increased the voltage,must go through the string current limiting resistance transition loop can tap transform.

on-load voltage regulation;transform tap;transition circuit

TM4

A

1005-9369（2014）11-0124-05

2013-03-06

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（12511038）；黑龍江省高教興省項(xiàng)目（1252CGZH30）

趙玉林（1956-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)。E-mail:zyl5631@163.com

時(shí)間2014-11-21 16:44:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141121.1644.016.html

趙玉林,張吉冬.無觸點(diǎn)有載調(diào)壓變壓器分接頭變換方式研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(11):124-128.

Zhao Yulin,Zhang Jidong,Gao Cheng.Study on no contact on-load regulating transformer tap transformation way[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(11):124-128.(in Chinese with English abstract)