張 凱 楊少輝
(國(guó)網(wǎng)濱州供電公司,山東 濱州 256600)
電力變壓器有載調(diào)壓是電壓調(diào)節(jié)重要手段,目前變壓器有載調(diào)壓技術(shù)在 10kV及以上電網(wǎng)中普遍應(yīng)用[1]。電力變壓器利用有載分接開關(guān)進(jìn)行有載調(diào)壓,目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的有載分接開關(guān)為機(jī)械式有載分接開關(guān),在調(diào)壓過(guò)程中存在故障率高、調(diào)壓過(guò)程中產(chǎn)生的電弧燒蝕觸頭、需要經(jīng)常更換絕緣油等諸多缺陷[2],迫切需要一種新型無(wú)弧有載調(diào)壓方案。
針對(duì)機(jī)械式有載分接開關(guān)切換過(guò)程產(chǎn)生電弧、使用壽命短等弊端,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出多種用電力電子器件(SCR或SSR)代替機(jī)械觸頭的解決方案[3-4]。圖 1為一種無(wú)觸點(diǎn)的電力電子有載分接開關(guān)[5],開關(guān)省去機(jī)械觸頭,將SSR直接連接在變壓器分接頭上,通過(guò)控制SSR的通斷選擇變壓器分接頭。這種電力電子式有載分接開關(guān)具有切換過(guò)程無(wú)電弧,切換速度大于機(jī)械式有載分接開關(guān)等優(yōu)點(diǎn),但也存在一些缺陷。
圖1 一種電力電子式有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)
1)使用電力電子器件數(shù)量多,每個(gè)分接頭都要連接一組電力電子器件,過(guò)多調(diào)壓級(jí)數(shù)會(huì)使開關(guān)成本增高、體積龐大。
2)電力電子器件導(dǎo)通后長(zhǎng)期載流,存在導(dǎo)通壓降通常在1V以上,通態(tài)損耗高(可達(dá)kW級(jí))。
3)可靠性受電力電子器件制約,可靠性較差,如電力電子器件損壞,開關(guān)內(nèi)部將發(fā)生斷線或短路,不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。
圖2為一種混合式有載分接開關(guān)[6],保留了機(jī)械式有載分接開關(guān)的分接選擇器和切換開關(guān),過(guò)渡電路增加了電力電子器件,通過(guò)開斷電力電子器件來(lái)輔助機(jī)械觸頭完成切換,切換完成后電力電子器件退出載流回路,由機(jī)械觸頭完成載流。
圖2 一種混合式有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)
圖中A為變壓器調(diào)壓繞組,1、2為變壓器調(diào)壓繞組分接頭,SCR1、SCR2、SCR3分別為三組反并聯(lián)晶閘管,R1、R2為限流電阻,黑色條形方塊為切換開關(guān)動(dòng)觸頭,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為切換開關(guān)靜觸頭。開關(guān)通過(guò)開斷SCR來(lái)輔助機(jī)械觸頭切換進(jìn)行調(diào)壓。
混合式有載分接開關(guān)與機(jī)械式有載分接開關(guān)和電力電子式有載分接開關(guān)相比,具有明顯優(yōu)勢(shì):
1)電力電子器件輔助機(jī)械觸頭切換,切換過(guò)程無(wú)電弧產(chǎn)生,可以減少濾油和換油的次數(shù)。
2)切換完成后電力電子器件退出載流回路,由機(jī)械觸頭載流,降低了因電力電子器件長(zhǎng)期導(dǎo)通引起的損耗,延長(zhǎng)有載分接開關(guān)使用壽命。
2007年5月29日,北京市第一中級(jí)人民法院對(duì)鄭筱萸案作出一審判決,以受賄罪判處鄭筱萸死刑,剝奪政治權(quán)利終身,沒(méi)收個(gè)人全部財(cái)產(chǎn);以玩忽職守罪判處其有期徒刑7年,兩罪并罰,決定執(zhí)行死刑,剝奪政治權(quán)利終身,沒(méi)收個(gè)人全部財(cái)產(chǎn)。 6月22日作出二審裁定,駁回上訴,維持原判。7月10日,鄭筱萸被執(zhí)行死刑。
但這種混合式有載分接開關(guān)存在缺陷,每一相須使用3組反并聯(lián)晶閘管,開關(guān)成本高;如果一組晶閘管被擊穿或損壞,有載分接開關(guān)將無(wú)法正常使用,開關(guān)可靠性低。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的無(wú)觸點(diǎn)電力電子式有載分接開關(guān)及混合式有載分接開關(guān)等無(wú)弧有載調(diào)壓解決方案都存在不可避免的缺陷,可靠性不高。為解決上述解決方案的缺陷,本文提出一種新型混合式有載分接開關(guān)。
圖3為新型混合式有載分接開關(guān)過(guò)渡支路,在調(diào)壓過(guò)程中保證負(fù)載電流連續(xù)。如圖3所示,過(guò)渡支路是由一組反并聯(lián)晶閘管和一只過(guò)渡電阻組成。在混合式有載分接開關(guān)切換支路動(dòng)作之前,晶閘管觸發(fā)單元先將過(guò)渡支路的一組反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通,切換支路動(dòng)作完成后,晶閘管觸發(fā)單元將過(guò)渡支路的反并聯(lián)晶閘管關(guān)斷,過(guò)渡支路退出載流,由切換支路的機(jī)械部分載流。
圖3 過(guò)渡支路
晶閘管輔助切換支路是混合式有載分接開關(guān)的切換部分。如圖4所示,晶閘管輔助切換支路由一組反并聯(lián)晶閘管 SCR2與兩條切換支路 C-D、E-F組成,反并聯(lián)晶閘管連接在兩條切換支路C-D、E-F之間,配合兩條支路之間的無(wú)弧切換。1-8為切換支路的8組觸頭,分別由動(dòng)觸頭和靜觸頭組成,在混合式有載分接開關(guān)不動(dòng)作的情況下,這8組觸頭中同在一側(cè)的4只為閉合狀態(tài),另外4只為打開狀態(tài),切換支路C-D或E-F承擔(dān)負(fù)載電流。
圖4 晶閘管輔助切換支路
混合式有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖5所示,過(guò)渡支路與晶閘管輔助切換支路組成混合式有載分接開關(guān)的切換部分,與分接選擇器相連接。當(dāng)負(fù)載電壓超過(guò)安全波動(dòng)范圍時(shí),控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)壓指令,控制晶閘管配合機(jī)械部分動(dòng)作,完成無(wú)弧調(diào)壓。
假定初始狀態(tài)時(shí)有載分接開關(guān)接變壓器分接頭1,C-D側(cè)觸頭閉合,E-F側(cè)觸頭打開,SCR1處于關(guān)閉狀態(tài),由于負(fù)載電壓變動(dòng)要從分接頭1切換到2分接頭,一次切換過(guò)程如下。
圖5 新型混合式有載分接開關(guān)結(jié)構(gòu)
1)混合式有載分接開關(guān)的分接選擇器在不帶電的情況下將分接頭位置切換到分接頭 2,此時(shí)分接頭1正常接通。
3)下次負(fù)載電流過(guò)零時(shí),晶閘管觸發(fā)單元2發(fā)出觸發(fā)脈沖,導(dǎo)通反并聯(lián)晶閘管SCR2,SCR2導(dǎo)通后打開觸頭2和3,因反并聯(lián)晶閘管SCR2導(dǎo)通后將觸頭2、3兩端的電壓拉低到起弧電壓以下,打開觸頭2、3時(shí)無(wú)電弧產(chǎn)生。
4)晶閘管觸發(fā)單元2停止發(fā)出觸發(fā)脈沖,電流過(guò)零時(shí),反并聯(lián)晶閘管 SCR2自然關(guān)斷,此時(shí)負(fù)載電流流經(jīng)A-B過(guò)渡支路。
5)打開觸頭1和觸頭4,同時(shí)觸頭5和觸頭8閉合。
6)負(fù)載電流過(guò)零時(shí),晶閘管觸發(fā)單元2發(fā)出觸發(fā)脈沖,導(dǎo)通反并聯(lián)晶閘管SCR2,SCR2導(dǎo)通后閉合觸頭6、7,因晶閘管SCR2導(dǎo)通將觸頭6、7兩端電壓拉低到起弧電壓以下,在閉合觸頭6、7時(shí)無(wú)電弧產(chǎn)生,此時(shí)電流經(jīng)過(guò)A-B支路與E-F支路。
圖6 新型混合式有載分接開關(guān)仿真模型
7)晶閘管觸發(fā)單元2停止發(fā)出觸發(fā)脈沖,電流過(guò)零時(shí),反并聯(lián)晶閘管 SCR2自然關(guān)斷,此時(shí)負(fù)載電流流經(jīng)A-B支路、E-F支路的機(jī)械觸頭。
8)晶閘管觸發(fā)單元1停止發(fā)出觸發(fā)脈沖,負(fù)載電流過(guò)零時(shí),反并聯(lián)晶閘管 SCR2自然關(guān)斷,負(fù)載電流流經(jīng)E-F支路,一次調(diào)壓完成。
建立了混合式有載分接開關(guān)調(diào)壓模型。在模型中,單相變壓器T1為理想升壓變壓器,一、二次側(cè)電壓分別分10.5kV、35kV,由10.5kV理想電源G供電;因 PSCAD元件庫(kù)中變壓器模型的分接頭無(wú)法體現(xiàn)出切換的具體過(guò)程,故采用三個(gè)單相變壓器串聯(lián)并通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置組成有載調(diào)壓變壓器T2,并且設(shè)置變壓器T2的一次側(cè)為調(diào)壓側(cè),T2的一、二次側(cè)額定電壓分別為35kV,10kV;BRK1、BRK2為混合式有載分接開關(guān)的切換開關(guān)機(jī)械觸頭,同兩條反并聯(lián)晶閘管支路SCR1、SCR2輔助切換,BRK1、BRK2動(dòng)作之前,先控制SCR1、SCR2導(dǎo)通,將BRK1、BRK2兩端的電壓拉低到起弧電壓以下;SCR3與過(guò)渡電阻組成混合式有載分接開關(guān)的過(guò)渡支路,輔助機(jī)械開關(guān)的切換;BRK3、BRK4、BRK5作為有載分接開關(guān)的分接選擇器,來(lái)選擇變壓器T2的分接頭,因有載分接開關(guān)的分接選擇器切換是在不帶電的情況下切換,BRK3、BRK4、BRK5的動(dòng)作條件是本支路無(wú)電流通過(guò);采用一個(gè)單相四繞組的變壓器T3來(lái)控制負(fù)載側(cè)電壓,將三個(gè)繞組串聯(lián),設(shè)定系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載電壓為10kV,通過(guò)斷路器BRK6、BRK7、BRK8的開閉控制接入不同繞組來(lái)模擬負(fù)載電壓的波動(dòng)。
設(shè)定 9.5~10.5kV為電壓安全波動(dòng)范圍,當(dāng)負(fù)載電壓超過(guò)安全波動(dòng)范圍后有混合式有載分接開關(guān)動(dòng)作。一次調(diào)壓過(guò)程如下:
假定初始時(shí)刻BRK7閉合負(fù)荷電壓為10kV,此時(shí) BRK4、BRK2閉合,在 0.1s時(shí)刻,BRK7打開BRK6閉合,引起負(fù)荷電壓降低,混合式有載分接開關(guān)需要做升壓調(diào)節(jié)。首先BRK3閉合選擇變壓器分接頭,0.12s時(shí)刻觸發(fā)導(dǎo)通SCR3,過(guò)渡支路通電,0.14s時(shí)刻觸發(fā)導(dǎo)通SCR2將BRK2兩端電壓拉低到起弧電壓以下,0.16s BRK2打開,0.18s關(guān)斷SCR2,此時(shí)電流從SCR3的過(guò)渡支路流過(guò),0.20s 觸發(fā)導(dǎo)通SCR2,將 BRK1兩端電壓拉低到起弧電壓以下,0.22s BRK1閉合,0.24s關(guān)斷SCR1,0.26s關(guān)斷SCR3,然后BRK4關(guān)斷,一次調(diào)壓完成。
調(diào)壓過(guò)程中各反并聯(lián)晶閘管與斷路器電流切換過(guò)程通過(guò)的電流如圖7所示。
圖7 切換電流波形
變壓器T2二次側(cè)電壓電流波形如圖8所示。
圖8 變壓器二次側(cè)電壓電流波形
負(fù)載電壓波形如圖9所示。
在整個(gè)調(diào)壓過(guò)程中,反并聯(lián)晶閘管與斷路器配合,負(fù)載電流平滑連續(xù),變壓器二次側(cè)電壓、電流平滑連續(xù),負(fù)載電壓波動(dòng)較小。
圖9 負(fù)載電壓波形
本文在對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的總結(jié)和分析的基礎(chǔ)上提出了利用混合式有載分接開關(guān)進(jìn)行電力變壓器無(wú)弧調(diào)壓方案,混合式有載分接開關(guān)即繼承了傳統(tǒng)機(jī)械式有載分接開關(guān)機(jī)械觸頭載流可靠性高的優(yōu)點(diǎn),又克服了其切換過(guò)程中存在電弧、過(guò)渡損耗高的缺陷,有以下優(yōu)點(diǎn):
1)切換過(guò)程無(wú)電弧產(chǎn)生,不會(huì)使變壓器絕緣油極化,減少濾油和換油的次數(shù),增加了開關(guān)使用壽命。
2)切換完成后電力電子器件退出載流回路,由機(jī)械觸頭載流,降低了因電力電子器件長(zhǎng)期導(dǎo)通引起的損耗,延長(zhǎng)了有載分接開關(guān)使用壽命。
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