基于PLC的有載調容變壓器控制系統研究

張慧賢，苗靈霞，曹俊杰

（1.黃淮學院 電子科學與工程系，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店市農業機械化技術推廣站，河南 駐馬店 463000）

基于PLC的有載調容變壓器控制系統研究

張慧賢1，苗靈霞1，曹俊杰2

（1.黃淮學院 電子科學與工程系，河南 駐馬店 463000；2.駐馬店市農業機械化技術推廣站，河南 駐馬店 463000）

針對農村電網中配電變壓器因季節性負荷不均而出現的過載和輕載問題，以非晶合金材料鐵芯變壓器為基礎，采用西門子 S7-200PLC核心控制器，設計了有載調容變壓器控制系統．該控制系統通過互感器和變送器實時采集變壓器電流，并與設定值比較后控制分接開關的自動切換．

有載調容；變壓器；控制器；分接開關

0 引言

在城鄉及企業電網中，晝夜負荷變化顯著，且季節性負荷變化幅度比較大，因此，配電變壓器本身的負載及功率因數是變化的，具有較低負荷以及超載運行的可能性．若配電變壓器容量選得過大，則會經常出現“大馬拉小車”的現象，其空載損耗可達整個配電損耗的40%左右；若配電變壓器的容量選得過小，則在負載率大于80%后，損耗率呈正比例緩慢上升，配電變壓器負載損耗隨之增大．最新資料統計顯示，我國全年變壓器總的電能損失3000多億kW·h，相當于三個中等用電量省份用電電量之和，而中壓系統中配電變壓器的損耗約占整個配電系統損耗的50%[1]．隨著電力需求的快速增長和能源的日益緊張，如何最大化地減少配電變壓器的損耗，成為人們目前研究的重要課題．

用非晶合金材料制作變壓器的鐵芯，變壓器的空載電流較傳統硅鋼片鐵芯變壓器下降約80%，有顯著的節能效果．因此，將有載調容技術與非晶合金材料鐵芯變壓器結合起來，當負荷較輕或接近空載時，由大容量自動調為小容量運行，可大幅度降低空載損耗；在負載進入大負載不良運行狀態時，由小容量自動切換為大容量，可有效降低負載損耗，對于農村電網有較好的適用性[2]．

1 有載調容系統的構成

有載調容配電變壓器主要由S11型油浸式配電變壓器、有載調容分接開關、有載調容控制器、傳感器及相關附件組成．圖1為有載調容控制系統結構圖，主要包括數據采集、數據處理和驅動輸出模塊，數據采集由傳感器及模擬量、開關量輸入單元實現，數據處理由PLC主單元實現，驅動輸出包括電機驅動單元和數據顯示單元等．

圖1 有載調容控制系統結構圖

有載調容系統的工作原理為：首先通過互感器將配電變壓器350 A左右的大電流轉換為毫安級交流微電流，然后通過變送器變為0～5 V標準信號送入PLC模擬量輸入模塊的輸入端；經過數據處理后，輸出開關量信號控制驅動電機使分接開關觸點滑動，接通不同繞組線圈，進而使變壓器在不同容量之間切換，完成帶電情況下的容量調節；系統參數的設定與調節過程可通過文本顯示器實現，文本顯示器通過RS232與PLC實現串口通信．

2 有載調容系統設計

2.1 有載調容控制器設計

有載調容控制器在整個有載調容變壓器中起中心控制的作用，可完成數據采集、分析判斷、存儲顯示以及發送指令等功能．圖2所示為有載調容控制器的硬件結構圖，主要由中央處理單元、采集單元、通信單元、輸入單元、輸出單元、控制面板單元及電源組成．由于PLC本身具有很高的可靠性和抗干擾能力，因此可以滿足各種惡劣環境下的應用需求．

圖2 有載調容控制器硬件結構圖

本設計采用西門子S7-200CPU224（繼電器輸出型）主單元作為有載調容控制器的核心控制器，外接EM235模擬量4入1出擴展模塊．S7-200CPU224內含14輸入10輸出數字量I/O口，通過數據線與EM235擴展模塊相連．

輸入單元主要實現電流信號與開關信號的采集與轉換，即通過對模擬量的采集和開關量的檢測，根據所獲得被控對象的相關參數和運行狀態，確定是否滿足控制條件．如果滿足控制條件則實現升容，否則實現降容．

輸出單元主要通過PLC驅動分接開關實現調容開關的高、低容量投切轉換．控制參數的顯示與設置通過自帶RS232接口的文本顯示器實現，可以顯示電流和電壓，并根據實際負載大小修改高、低容量的定值參數，保證變壓器經濟運行．

2.2 調容變壓器及分接開關設計

調容變壓器根據負荷大小進行大、小容量的調整，主要是通過調容開關改變繞組的聯結方式來實現的，如圖3(a)、(b)所示．

圖3 調容變壓器的聯結方式

當變壓器運行在大容量狀態時，三相高壓繞組接成三角形，同時低壓繞組并聯；當變壓器運行在小容量狀態時，三相高壓繞組接成星形，同時低壓繞組串聯．每相低壓繞組由三部分組成：第一部分（I段）匝數較少，另外兩部分（II，III段）采取雙線并繞的方式，匝數較多．大容量狀態時，II、III段并聯再與I段串聯；小容量狀態時，I、II、III段全部串聯．由大容量狀態調節為小容量狀態時，高壓繞組變為星形接法，同時低壓繞組匝數增加，且低壓繞組匝數的增加比例與高壓繞組相電壓降低的比例相同，從而保證輸出電壓不變．高壓繞組聯結方式的改變、低壓繞組并串聯的轉換以及各分接部分的調整，均由特制的無勵磁調容開關完成．大容量狀態變為小容量狀態時，低壓線圈匝數的增加使得鐵心的磁通密度大幅度降低，從而硅鋼片的單位損耗變小，變壓器的空載損耗和空載電流隨之變小，這就達到了降損節能的目的[3―4]．

如圖4所示，調容分接開關設計為立式筒形結構．筒體上分布著高低壓繞組接線柱，外設手動調容手柄及高低容顯示窗，高低容的切換指令通過PLC輸出，然后驅動電機完成高低容量切換．電機的啟動與停止是通過限位開關實現的，其減速機構為一對精加工的齒輪．在操作機構頂部設有防水罩，用于保證操作機構安全，延長使用壽命．

圖4 分接開關結構圖

根據相關計算分析：每臺S11型有載調容配電變壓器每年可比同容量的普通變壓器節約電量 6750 kW·h；按綜合電價每千瓦時0.6元計算，每臺有載調容變壓器每年可節約4050元；按每千瓦時電量耗煤0.38 kg計算，每臺有載調容變壓器每年可節約煤炭2.565 t，減少CO2排放量7.11 t；預計可在5年內收回成本[5]．

非晶合金有載調容變壓器的設計，可解決長期以來農村地區因變壓器負載運行不平衡而造成的空載和負載損耗問題，并可替代原有子母變壓器的運行模式，極大地提高供電的自動化水平和效率，對提高供電系統的可靠性與經濟性具有積極的意義．總之，有載調容變壓器能夠滿足農網智能化發展的要求，有著廣闊的市場前景．

[1] 王金麗．有載調容變壓器綜合經濟性分析及應用研究[J]．高壓電器，2009，45(3)：32―35．

[2] 陳玉國．調容配電變壓器的原理與性能分析[J]．變壓器，1998，35(1)：24―25．

[3] 劉偉，段玉波，姜建國．油田有載調容變壓器節能控制系統的開發[J]．自動化技術與應用，2003，22(1)：26―29．

[4] 樸在林，王冬冬，鄭鈺．配電變壓器無弧有載自動調容仿真分析[J]．農業工程學報，2011，27(2)：224―228．

[5] 李慶領，陳志豪．S11調容變壓器推廣及發展的設想[J]．河南電力，2006，(3)：32―33．

TM402，TP273

A

1006-5261(2012)02-0028-02

2012-03-08

河南省科技廳科技發展計劃項目（112102210348）

張慧賢（1975―），男，甘肅天水人，講師，碩士，太原理工大學博士研究生．

〔責任編輯 張繼金〕