一种新型的无触点有载自动调压分接开关

寻广朕

(东北农业大学 电气与信息学院,哈尔滨 150030)



一种新型的无触点有载自动调压分接开关

寻广朕

(东北农业大学 电气与信息学院,哈尔滨 150030)

为在电网电压变化幅度较大时稳定负载电压,研究了一种具有实时监测电压波动而自动稳定变压器输出电压功能的有载自动调压分接开关。该开关基于反并联晶闸管,采用双向晶闸管与电阻串联过渡的方法解决变换分接头时产生的环流问题,过渡支路与启动支路共用一条回路。理论分析与模拟实验表明,这种分接开关解决了机械式分接开关触点电腐蚀问题以及固态继电器耐压不足问题,能够实现平稳调压。

自动调压;有载分接开关;启动;无触点;过渡

配电变压器采用有载自动调压是稳定电网电压的最有效方式之一[1]。目前,常规的有载自动调压变压器采用的是机械式有载分接开关[2]和无触点分接开关。机械式有载分接开关在分接头切换过程中容易产生电弧,调压响应时间长,而且故障率高,使调压时刻无法准确控制[3],已经不能满足现代电网安全及经济性的运行要求[4]。无触点分接开关采用反并联晶闸管或固态继电器等电力电子元件接在变压器高压绕组的分接头上[5]。变压器在变换分接头时,为了保证电流不中断,必须先触发要导通的分接开关,然后再关闭目前导通的分接开关。但这种方法易造成变压器分接头之间的匝间短路,形成较大的短路电流(环流)。因此,为了限制环流,必须在该回路中采取限流措施,即变换过程中先经过过渡支路,最终完成分接头的变换。另外,现有的蓄电池启动技术具有启动可靠、电路简单的特点,但这种变压器通电前蓄电池一直在工作,耗电量较大[6]。采用中间继电器直接启动技术方式,要利用中间继电器的常闭触点,但中间继电器常闭触点最大电流只有5A,通流容量小,易出现触点融化焊死现象,而三相交流接触器的主触点均是动合触点,在功能上不符合要求,所以这种启动方式寿命短,工作不可靠[7]。针对上述问题,本文研究了一种新型的基于反并联晶闸管的有载调压分接开关,该开关具有专门的启动电路和在变换分接头时限制环流的过渡支路,经反复试验验证该分接开关能实现平稳调压,工作可靠。

1 无触点有载自动调压配电变压器主电路及调压过程

1.1 无触点有载自动调压配电变压器主电路

本装置由变压器本体、无触点分接开关、环流限制电路、单片机控制单元组成,主电路接线如图 1 所示。

图1 主电路原理接线图

配电变压器本体高压绕组在中性点侧留有额定电压UN、95%UN和105%UN三个抽头,在每个抽头和中性点中间接有反并联晶闸管作为无触点分接开关。为了限制在改变分接头过程中产生较大的环流,本开关设有专门的环流限制电路(由图1中双向晶闸管和限流电阻串联而成)。单片机监控系统根据测量兼工作电源变压器T提供的低压侧电压,发出触发作为无触点分接开关的反并联晶闸管的脉冲,达到稳定负荷侧电压的目的。

1.2 有载自动调压配电变压器的自动调节过程

过渡与启动支路共用电路图如图2所示。

图2 过渡与启动支路共用电路图

为限制改变分接头时在两分接头之间的绕组中产生较大环流,采用双向晶闸管过渡的方法,即在用于过渡的双向晶闸管支路中串接功率不小于20 W的20～30 Ω电阻,在每次改变分接头时都经过双向晶闸管支路过渡。现有的用无触点分接开关采用过零触发方式接入限流过渡支路的方法,对于感性负载,由于相并联的无触点分接开关在电流关断时加在过渡开关上的电压大于过零触发的电压范围,过渡开关无法闭合,因而过渡支路无法串入,易产生变换分接头时匝间短路现象。本装置采用随机触发,保证了变换分接头过程中能将过渡支路可靠地串入调节回路中,起到限制环流的作用。

具体变换过程如下:

上电后,变压器工作在Ⅱ档位,S2导通,其余都关闭,单片机自动检测变压器低压侧电压。当电压在97%UN～103%UN范围波动时,变压器工作分接头不变;当变压器输出电压不在其范围内时就要改变工作分接头。例如U2下降低于97%UN,要由S2导通变为S1导通,以提高U2值。变换过程为:在电压过零时监控系统撤去S2的触发电压,同时使KM的控制开关K断开,KM断电,其常闭触点KM1闭合,为S3导通做准备。当S2电流过零关断时,在其两端电压作用下,S2导通,保证了电流的连续性,在下一个电压过零时给S1触发电压,使其导通,同时使K闭合,KM1断开;当S3中电流过零时,S3关断,完成一次变换;由于变换过程中有限流电阻在回路中,所以限制了环流值在元件和绕组允许的范围内。工作分接头不在UN分接头时,首先要进行工作分接头判断,然后再进行变换,但每次变换都将过渡支路串接到变换回路中。本装置的具体自动稳压流程如图3所示。

图3 自动稳压流程图

1.3 有载自动调压配电变压器的启动过程

无触点有载自动调压控制信号来自于接在变压器低压侧的控制电路,在变压器上电前,变压器低压侧没有电,控制电路不能工作,因而接在高压侧中性点上的无触点分接开关都处于截止状态,变压器无法启动,所以需要有专门的启动电路,即在上电时,通过该支路将变压器的中性点连接起来,使变压器工作,二次侧带电,控制电路工作,无触点分接开关进入工作状态,然后该启动支路退出。为防止变压器刚上电时,低压侧没有电压使单片机监控系统没有脉冲输出,导致全部反并联晶闸管均处于关断状态,配电变压器无法启动,本电路设有继电器控制双向晶闸管启动电路。当变压器停运时间较短时,K可以一直处于闭合状态,这样在投入运行时就不必再操作K了,测量兼工作电源变压器T接在变压器的负荷侧a相与中性线n之间,以便直接反映变压器二次侧的电压值。

变压器上电前,控制回路没有电压,交流接触器线圈控制开关K处于断开状态,交流接触器线圈不带电,其常闭触点闭合。在电源电压作用下,流过R1电流产生电压,该电压作为双向晶闸管的触发电压,使其触发导通,经过S3、RX支路,将变压器高压侧三相中性点连接起来,变压器二次侧输出电压,单片机监控系统工作,触发S2导通,使控制板上的直流继电器线圈带电,其常开触点闭合(触点电压220 V),三相中间继电器线圈KM带电,其动开触点断开,启动支路退出工作。控制系统进入自动调压程序,启动完毕。具体启动过程如图4所示。

图4 启动过程流程图

2 无触点分接开关元件参数的选择

2.1 无触点分接开关的选择

反并联晶闸管起到有载分接开关的作用,在选择时应考虑电流和耐压两方面的因素。无触点分接开关sai(i=1,2,4),sbi(i=1,2,4),sci(i=1,2,4),其电流参数根据配电变压器的容量不同而不同,额定电压不低于2000 V;sa3,、sb3、sc3分别为接在UN分接头上用于启动和调节分接头过渡回路开关,采用额定电流不小于20 A,额定电压不低于1600 V的双向晶闸管。

2.2 过渡及启动回路元件参数的选择

DW为保护用稳压管,可选用1 W或2 W的5～10 V的稳压管;R1为产生控制电压信号电阻,可选阻值为2～5 kΩ,2 W以上电阻;RX为限流电阻,可选10～30 Ω,功率不小于20 W电阻;KM为三相中间继电器线圈,线圈额定电压为230 V;KM1为中间继电器常闭(动开)触点,触点容量不小于5 A。

3 模拟实验结果与分析

采用图 3所示的工作流程,当变压器二次侧电压超出 97%UN～103%UN波动时,进行有载调压分接开关的切换,即当二次侧线电压在小于 388 V 或大于 412 V时,进行分接头调节。实验室用输出电压范围为 0～480 V 的调压器连接升压变压器为试验样机提供 0～12 kV交流电源。在实验过程中,经过多次改变实验样机的一次侧电压,使其在 9～11 kV 反复调节,反并联晶闸管进行反复转换,变换动作可靠,且没有出现过流导致反并联晶闸管损坏现象。由此可验证,采用 20 Ω 限流电阻完全能达到限流作用,晶闸管的可靠性满足变压器的要求。

为防止变压器刚上电时,低压侧没有电压使单片机监控系统没有脉冲输出,导致全部反并联晶闸管均处于关断状态,配电变压器无法启动,本开关设有继电器控制反并联晶闸管启动电路,在实验室经过反复合闸给变压器送电,没有出现反并联晶闸管损坏现象。合闸后反复调节样机的输入电压,样机进入自动有载调压状态,说明这种方法可行。

经实验室模拟实验及工厂现场运行实验证明,该装置不仅解决了机械式分接开关电腐蚀问题,而且克服了固态继电器耐压不足的问题,实现了平稳调压。

4 结 论

1) 本装置将启动电路与过渡电路共用一个电路,电路简单,节省空间,造价低。

2) 与现有的中间继电器或交流接触器直接启动方法比,本装置的继电器触点是接在启动与过渡支路的控制回路,电流小,因而不存在烧蚀触点问题,工作可靠,寿命长。

3) 本装置采用随机触发,无论其两端电压多高,都能触发,将限流电阻可靠地串联到变换分接头回路中,限制环流,能实现平稳调压,具有较高的

工作可靠性。

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(责任编辑 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。

寻广朕(1995—),男,本科生,主要研究方向为电力系统自动化技术。

TM581.8

A

2095-6843(2016)01-0077-04