煤礦變壓器無觸點(diǎn)有載分接開關(guān)調(diào)壓設(shè)備研究

琚 翔

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司， 山西 長治 047100）

引言

變壓器有載自動(dòng)調(diào)壓是穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓的有效措施。目前，自動(dòng)機(jī)械接觸式分接開關(guān)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于開關(guān)改變時(shí)會(huì)出現(xiàn)電弧，因此必須安裝在獨(dú)立的油箱內(nèi)，以晶閘管為輔助的有載調(diào)壓分接開關(guān)的變化開關(guān)[1]解決了開關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生電弧的問題，但該裝置有機(jī)械部分，不能頻繁操作。將普通變壓器的一次側(cè)與主變壓器相連，利用晶閘管改變輔助變壓器的二次分接頭進(jìn)行調(diào)節(jié)電壓，可以快速運(yùn)行且不會(huì)發(fā)生電弧[2]。但這種方法需要復(fù)雜的輔助變壓器和大容量晶閘管，增加了變壓器的成本，限制了開關(guān)的性能。因此，它的成本和性能不適合配電變壓器。電力電子元件易于控制，開關(guān)速度快，在切換過程中不會(huì)產(chǎn)生電弧[3]，如果用作變壓器有載分接開關(guān)，則開關(guān)成本低，壽命長，可頻繁調(diào)節(jié)。

本文提出了一種新的配電變壓器解決方案，即采用基于雙向晶閘管的固態(tài)繼電器作為無觸點(diǎn)自動(dòng)有載電壓調(diào)節(jié)分接開關(guān)。

1 無觸點(diǎn)有載分接開關(guān)主電路及操作過程

1.1 非接觸式分接開關(guān)主電路

無觸點(diǎn)自動(dòng)有載調(diào)壓配電變壓器主電路由變壓器、非接觸式分接開關(guān)、環(huán)形限流電路和斷路器組成控制單元（如圖1 所示）。W10為變壓器的一次工作繞組，W11和W12為一次調(diào)節(jié)繞組，W2為次要的配電變壓器繞組，SSRi（i=1，2，3，4）為過零型固態(tài)繼電器，Rx為圓形限流電阻。單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是對(duì)配電變壓器的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)預(yù)先安排的程序發(fā)送控制信號(hào)。CB 為測量變壓器,它為監(jiān)控系統(tǒng)提供電源和測量信號(hào)。

圖1 無觸點(diǎn)自動(dòng)有載調(diào)壓配電變壓器主電路

1.2 自動(dòng)無觸點(diǎn)有載分接開關(guān)自動(dòng)調(diào)壓過程

配電變壓器通電前，開關(guān)SSR3 處于打開狀態(tài)。變壓器合閘時(shí)，變壓器輸出電壓由單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)檢測[4]。如果電壓超過允許的波動(dòng)范圍，將自動(dòng)運(yùn)行有載調(diào)壓程序。自動(dòng)有載調(diào)壓流程圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)有載調(diào)壓流程圖

2 抽頭接頭改變時(shí)調(diào)節(jié)繞組狀態(tài)的理論分析

從每個(gè)固態(tài)繼電器在更換分接頭過程中的操作順序可以看出，在此過程中調(diào)節(jié)繞組和固態(tài)繼電器將構(gòu)成閉環(huán)。在回路中會(huì)出現(xiàn)循環(huán)電流，如果循環(huán)電流值過高，固態(tài)繼電器超出允許值將會(huì)損壞。循環(huán)電流的值與回路阻抗和功率有關(guān)。變壓器一次側(cè)的系數(shù)為cosφ1，循環(huán)電流值越大，cosφ1越小。當(dāng)cosφmin=0.2，即φmin=78.5°。樣本為S9-50 kVA/10 kV 節(jié)能配電變壓器。有3 個(gè)分接頭95%UN、UN和105%UN，它們接近中點(diǎn)。當(dāng)變壓器一次側(cè)額定電壓為10 kV，額定電流為2.75 A，SSR3 為打開，其他SSR 與W10和W11串聯(lián)作為工作繞組，連接變壓器的線電壓二次側(cè)額定電壓為400 V，在額定條件下工作。變壓器短路電壓百分比為4%，短路損耗ΔPk=1150 W，空載電流2.5 A，空載損耗ΔP0=190 W?？梢杂?jì)算轉(zhuǎn)換為變壓器一次側(cè)的等效電阻側(cè)RT=23 Ω，等效阻抗XT=32.7 Ω。

假設(shè)變壓器在分接頭UN和限流電阻RX=0 處工作，分析分接頭開關(guān)過程中產(chǎn)生環(huán)流的機(jī)理。如果變壓器輸出電壓低于允許值，工作分接頭將發(fā)生變化，從UN切換到95%UN。從開啟SSR1 到關(guān)閉SSR2 的這段時(shí)間內(nèi)，閉合回路由調(diào)節(jié)繞組W11、SSR1、SSR2組成，產(chǎn)生環(huán)流電流i，圖3 中的等效電路可計(jì)算循環(huán)電流i。分接頭從105%UN切換到UN也適用于該電路。XW11和RW11分別是在變壓器一次側(cè)調(diào)節(jié)繞組W11的等效阻抗和等效電阻。K 是SSR1 的等效開關(guān)，UW11是電路的等效電源電壓。假設(shè)繞組是均勻的，根據(jù)繞組的電阻與匝數(shù)成正比，阻抗為與其匝數(shù)的平方值成比例，且W10和W11串聯(lián)，計(jì)算可得XW11=0.82 Ω，RW11=1.15 Ω。UW11約為一次側(cè)相電壓（=8 164sinωt）的5%，即UW11≈408sinωt。圖3 中回路的電壓方程[5]為：

圖3 分接頭切換過程中的等效電路

解（1）式，得：

式（2）中：i'為回路電流的穩(wěn)定分量，i''為回路電流的瞬態(tài)分量。

如果RX=0，則：

式（4）（5）中，A 為相對(duì)于功率因數(shù)角。

如果φ=φmax=78.5°，i1（0-）=-3.81，當(dāng)t 為0-方向時(shí)，3.81=1 289sin35.49°+A，得A=171.59。

為了方便觀察SSR1 通斷時(shí)電流通過SSR2 的變化情況，可繪制電流i1波形。調(diào)壓降值過程中的圓形電流波如圖4 所示，從圖中可以看出，在t=0 時(shí)SSR1 開啟，電流值為通過SSR2（其方向與圖3 相同）從3.81 A 開始增加，并且在到達(dá)im之后逐漸變小。當(dāng)i=0 時(shí)，SSR2 關(guān)閉。如果輸出電壓值高于允許值，工作分接頭應(yīng)調(diào)節(jié)至105%UN。K 是SSR4 的等效開關(guān)，電路參數(shù)采用W12的參數(shù)。W11=W12，如果RX=0，則電路參數(shù)值未更改。因此，環(huán)流方程與（5）式相同。

圖4 調(diào)壓降值過程中的圓形電流波形

在這種情況下，無論SSR4 打開或關(guān)閉，SSR2 的電流方向都不會(huì)改變。因此，當(dāng)t=0 時(shí)，i1（0-）=-3.81Ai1（0）=3.81A，得A=164.97。

波形如圖5 所示：

圖5 調(diào)壓過程中的圓形電流波形

從圖5 可以看出，t=0 時(shí)，SSR4 開啟，循環(huán)電流i（通過SSR2 的電流）從-3.81 A 快速變化到過零點(diǎn)。SSR2 在t=0 時(shí)關(guān)閉，在SSR2 關(guān)閉之前，循環(huán)電流i 未達(dá)到其最大值。在變化過程中，沒有出現(xiàn)大的環(huán)流。

由此可以得出結(jié)論，在調(diào)節(jié)輸出的過程中，環(huán)流的產(chǎn)生機(jī)理與調(diào)高電壓、調(diào)低電壓的過程不同。前者是分接頭開關(guān)過程中的過電流引起的環(huán)流，和過電流值與電路的阻抗有關(guān)。后者無論電路阻抗值是多少，過電流不會(huì)發(fā)生在開關(guān)抽頭接頭的過程。交流調(diào)壓器向具有多個(gè)電壓等級(jí)的采樣變壓器施加電壓，各電壓等級(jí)為1 kV。電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓范圍為0～11 kV。在更換分接頭將變壓器輸出電壓調(diào)節(jié)到更高值的過程中，當(dāng)一次側(cè)施加電壓為3 kV，會(huì)出現(xiàn)過流，保險(xiǎn)絲熔斷。在開關(guān)分接頭將變壓器輸出電壓調(diào)節(jié)到較低值期間，即使一次側(cè)電壓達(dá)到11 kV，也會(huì)發(fā)生過流。

由于會(huì)發(fā)生過電流，其值與電路電阻有關(guān)，因此電流限制在切換分接頭的過程中，必須將電阻連接到電路上，RX值不能為零。

RX的連接降低了循環(huán)電流穩(wěn)定分量的振幅和電流的時(shí)間常數(shù)。它加快了環(huán)流i 暫態(tài)分量的衰減，減小了環(huán)流i 暫態(tài)分量的衰減對(duì)過電流幅值的影響。如果RX=6.8 Ω，τ=0.227 ms，這表明瞬態(tài)分量在測量1.6 ms 后衰減為零。其大小由穩(wěn)定分量決定。

試驗(yàn)變壓器采用40 A 固態(tài)繼電器，允許最大電流為200 A，其安全系數(shù)約為4。通過試驗(yàn)該方案能滿足安全要求。

3 結(jié)語

試驗(yàn)表明有載自動(dòng)調(diào)壓是一種穩(wěn)定負(fù)荷的有效方法。經(jīng)理論分析和通過試驗(yàn)表明，在調(diào)壓到較高電壓和較低電壓的過程中，環(huán)流的變化規(guī)律是不同的。調(diào)壓到較高電壓時(shí)，環(huán)形電流在其振幅達(dá)到最大值后穿過零值，因此限流電阻必須串聯(lián)至電路。調(diào)壓到較低電壓時(shí)，環(huán)形電流在其振幅達(dá)到峰值之前穿過零值，因此不需要連接限流電阻。

（編輯：郭萍茹）