農村低壓配電網自動穩壓設備的研究

趙玉林，董守田，趙 琦

（東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030）

農村低壓配電網由于負荷波動大、供電半徑長、導線截面小，使電壓大幅波動，人們通常采用配電變壓器有載自動調壓來穩定系統電壓。現有的機械式有觸點式自動分接開關，因改變分接頭時產生電弧而必須安裝在獨立的油箱中，故不宜頻繁操作且造價高不適合容量小、數量多的配電變壓器使用。Cooke采用晶閘管作為輔助開關的有載調壓分接開關[1]，解決了切換分接頭時產生電弧的問題，但這種的分接開關仍然存在機械部分，使調節速度慢、不能頻繁操作的固有缺點并沒有改變[2]。Zhu等采用了輔助變壓器與晶閘管相結合實現有載調壓的方法雖然調節快、無電弧但由于需要復雜的輔助變壓器和大容量的晶閘管[2]，造價高而限制了這種有載調壓開關的應用。以上開關由于性能和造價原因，都不適合配電變壓器。

電力電子元件易于實現計算機控制和具有關斷與導通變換快，變換過程中不產生電弧等特性。將其作為變壓器的有載分接開關將具有造價低，壽命長，可頻繁調節等優點。本文介紹一種基于固態繼電器作為分接開關的有載自動調壓配電變壓器。

1 無觸點有載自動調壓配電變壓器的主電路及調壓過程

1.1 無觸點有載自動調壓配電變壓器的主電路

圖1 有載自動調壓配電變壓器原理接線Fig.1 Main circuit of non contact automatic on-load voltage regulating distributing transformer

1.2 有載自動調壓配電變壓器的自動調節過程

配電變壓器上電前監控系統由蓄電池供電，使SSR3處于導通狀態，當變壓器合閘后，單片機監控系統自動檢測配電變壓器的輸出電壓，如果電壓超過允許波動范圍，則進入自動有載調壓程序。自動有載調壓流程圖如圖2所示。

圖2 有載自動調壓流程Fig.2 Flow of automatic on-load voltage regulation

由圖2可知，每次調高輸出電壓時，都是先將限流電阻RX串入分接頭變換回路，然后再開始分接頭的變換，這樣可以起到限制環流值的作用，而在調低電壓過程中，沒有將限流電阻RX串聯到變換回路中，而是直接進行變換的，變換比較。之所以采用這種方式，是因為在調高輸出電壓和調低輸出電壓就有不同的機理。

2 改變分接頭時調節繞組環流狀況的理論分析

由分接頭變換過程中各固態繼電器的動作順序可以看出，在變換過程中調節繞組與固態繼電器將形成閉合回路，從而在這個回路中產生環流，如果環流超過允許值將造成固態繼電器的損壞。環流的大小與回路的阻抗和變壓器高壓側的功率因數cosφ1有關，cosφ1越小，環流越大。cosφ1min=0.2 即φmax=78.5°。

樣機為S9-50 kVA/10 kV節能配電變壓器，高壓側靠近中性點側有95%UN和UN三個分接頭。當105%UN變壓器一次側線電壓為額定電壓10 kV，電流為額定電流2.75 A，SSR3導通，其余SSR關斷，工作繞組為w10、w11兩個繞組的串聯，變壓器二次側的線電壓為額定電壓400 V，在額定狀態下工作。變壓器的短路電壓百分數Uk=4%，短路損耗△Pk=1150 W，空載電流百分數I0=2.5%，空載損耗△P0=190 W。由此計算出折算到高壓側變壓器等值阻抗為ZT=40 Ω，其中等值電阻為RT=23 Ω，等值電抗 XT=32.7 Ω。

當變壓器輸出電壓低于允許值時，工作分接頭將從UN向95%UN轉換。在SSR1導通到SSR2關閉這段時間，調節繞組w11與SSR1和SSR2形成閉合回路，產生環流i。i可用圖3的等效電路來計算（本電路也適用與分接頭由105%UN到UN的變換）。

圖3 改變分接頭時的等效電路Fig.3 Equivalent circuit in the process of switching tap joint

圖3中Xw11和Rw11分別為變壓器一次側w11段調節繞組的等效電抗和電阻，K為SSR1的等效開關，Uw11為回路的等效電源電壓。設繞組是均勻的，則根據繞組電阻與匝數成正比，電抗與匝數的平方成正比的關系，并考慮到現在是w10與w11串聯工作，計算出[4]：Xw11=0.82 Ω，Rw11=1.15 Ω。uw11接近于一次側相電壓 u1φ（＝8 164sinωt）的 5%，即uw11≈408sinωt。圖3的回路電壓方程為：

方程式1的解為：

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式中，i'為回路電流的穩態分量，如果取RX=0則

i''為回路電流的暫態分量為

所以

式5中的A與變換分接頭前一次側的功率因數角φ和電流值有關。取φ=φmax=78.5°，得t=0-時，i1（0-）＝－3.81 A。圖3中i的正方向與i1（0-）正方向相反，所以歸算到圖3中，在t=0時，

所以

為了便于觀察SSR1導通前后流過SSR2中電流變化趨勢，這里以虛線形式畫出了與圖3中電流方向一致的流過SSR2中的電流－i1。根據式6畫出的環流波形如圖4所示。

由圖4可見，在t=0時SSR1導通后，流過SSR2中的電流由3.81A（與圖3中電流正方向相同）迅速增大，達到im后逐漸變小，當i=0時SSR2關斷。在調高電壓過程中，SSR2關斷前有過流出現。

當輸出電壓高于允許值時，要將工作分接頭調到105%UN。此時仍可用圖3等效電路計算環流i，其中K為SSR4等效開關，回路參數變為w12的參數。如果仍然取RX=0，因為w11=w12，所以回路參數值不變，環流表達式也與式5相同，i1（0-）＝－3.81A。SSR4導通前后，SSR2的電流方向不變，所以，t=0 時，－3.81=-289sin35.49°+A，A＝164.97。

波形如圖5所示。

圖5 調低輸出電壓過程中環流波形Fig.5 Circular current waveform in the process of regulating voltage to lower value

由圖5可見，與調高電壓分接頭轉換過程中，SSR1導通后環流i向最大值方向變化不同，這里在t=0時間SSR4導通后，環流i（SSR2中電流）由－3.81 A快速向過零點變化。當i=0時，SSR2關斷。在SSR2關斷以前環流i沒有達到最大值，即這個變換過程中，沒有大的環流產生。

在調高輸出電壓和調低輸出電壓時，環流的發展機理是不同的。前者在分接頭轉換過程中有過流產生，過流值與回路的阻抗有關，后者在分接頭轉換過程中無論回路的阻抗多大都沒有過流的產生。這個結論在實驗室也得到了驗證。

實驗室用0～11 kV的交流調壓器從0 V開始給樣機分級加壓，每級1 kV，然后進行直接變換分接頭，即在電壓過零點關閉正在導通的SSR的控制電壓的同時給要使其導通的SSR施加控制電壓直接進行電壓調節。結果發現，在調高輸出電壓分接頭的轉換過程中高壓側加3 kV電壓，就出現過流，導致保險熔斷。而在輸出電壓由高向低調時，當一次側電壓高達11 kV時也沒有出現過流現象。因為調高輸出電壓過程中有過流的產生，且過流值與回路電阻有關，所以必須在分接頭變換過程中在回路串入限流電阻，即RX不能為零。RX的串入不但減小了環流穩態分量的幅值，也使回路的時間常數變小，加快了環流i的暫態分量i''的衰減，降低了i''對過流幅值im的影響。

當取RX=10 Ω時，τ=0.33 ms，說明在1.7 ms后，暫態分量已衰減為零，大小取決于穩態分量。此時

本樣機采用40 A固態繼電器，在半個周波內允許最大電流200 A，安全系數大于5，試驗和樣機運行均表明這鐘選擇滿足安全的要求。

3 諧波問題及其解決方法

在理論上，由于固態繼電器在電壓小于2V時具有非線性，在交流電壓過零時，控制脈沖不同步觸發，造成固態繼電器在零點附近不導通，造成交流電壓不連續。進而產生諧波。

由計算可知，電力電子元件非線性只在交流電壓過零附近的±0.014°區域產生的諧波，其值很小完全可以忽略。采用電壓過零導通固態繼電器，只要一直保持控制電壓的存在就可保證其連續導通。解決諧波問題。

樣機在實驗室帶負荷后，用DS5202CA型數字示波器錄得的輸出波形見圖6。本無觸點有載自動調壓配電變壓器不產生諧波污染。

圖6 自動有載調壓配電變壓器輸出電壓波形Fig.6 Output voltage of automatically carrier booster transformer

4 自動穩壓試驗結果

在實驗室，用0～11 kV的交流調壓器調節本項目樣機的輸入電壓，當輸入電壓在9～11 kV之間變化時，通過單片機監控系統自動控制，自動有載調節分接頭，輸出電壓變化范圍為379～419 V。如果不進行有載調壓，則輸出電壓變化范圍為360～440 V。可見本裝置具有明顯的穩壓效果。

5 結論

本試驗說明采用自動有載調壓是穩定負載電壓的有效方式；采用SSR作為有載分接開關，不會產生諧波畸變。在改變分接頭的過程中，調高電壓和降低電壓變換分接頭過程中環流的變化規律是不同的。前者的環流是經過幅值以后過零的，因而必須在變換回路串接限流電阻；后者的環流不經過幅值就過零，不產生過流，因而變換回路可以不串接限流電阻。限流電阻可以按照將環流穩態分量幅值限制在SSR額定值。

[1] Cooke G H.New thyristor assisted diverter switch for on load transformer tap changers[J].Conference IEEE Proceedings IPEMC,1992,139(6):507-511.

[2] Zhu G R,Li M Z,Liu X D,et al.Voltage regulation method in series thyristor of distribution transformer[J].Transformer,2002,22(5):1001-8425.

[3] 趙玉林,董守田.無觸點有載自動調壓配電變壓器[P].中華人民共和國國家知識產權局:發明專利ZL 20041 0043740X,2009-07-09.

[4] Zhao Y L,Li J H,Dong S T.The research on load automatic ratio control tap changer switch without contract on distributing transformer[J].Conference IEEE Proceedings IPEMC,2004(1):280-285.