變壓器無弧有載調(diào)壓的研究

肖遙，陳球武，慕嬌嬌，陳凱，張進龍

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

大容量沖擊性負荷會引起母線電壓波動過大，降低系統(tǒng)電壓穩(wěn)定并影響電力系統(tǒng)安全、可靠運行。變壓器由機械式有載分接開關(guān)調(diào)整其分接頭需要復(fù)雜的機械構(gòu)件和電動部件，而且分接開關(guān)帶載切換時存在較大電弧，可能燒蝕觸頭，影響變壓器絕緣特性。分接開關(guān)的動作速度慢，調(diào)壓響應(yīng)時間長，容易錯檔、錯位，不能進行動態(tài)調(diào)壓，而且故障率高，維護量大。并且機械開關(guān)動作時間具有分散性，使調(diào)壓時刻無法準確控制，而且在調(diào)壓過程在可能出現(xiàn)過渡過程，對電網(wǎng)的安全運行帶來不利的影響。故實現(xiàn)無弧化有載調(diào)壓是保證設(shè)備安全和系統(tǒng)運行穩(wěn)定的必要措施［1，2］。

無弧調(diào)壓的設(shè)計思想大體分兩種，一種是完全取消機械式觸頭的大功率晶閘管實現(xiàn)有載調(diào)壓;一種是機械觸頭與晶閘管相結(jié)合的混合式有載調(diào)壓。國內(nèi)提出的混合式調(diào)壓方案中有一種是晶閘管輔助機械開關(guān)無弧有載調(diào)壓。采用機械式開關(guān)與電力電子開關(guān)相結(jié)合的混合式調(diào)壓，以電力電子開關(guān)為輔助，只在切換時使用晶閘管，正常運行時仍使用機械開關(guān)。另外一種是完全取消機械和電動機構(gòu)的電力電子式有載調(diào)壓方案，次方案采用晶閘管電壓過零觸發(fā)和電流過零自動關(guān)閉的快速調(diào)節(jié)技術(shù)，每兩個分接頭間都反并聯(lián)，并且取消了過渡電阻，切換動作迅速，無電弧產(chǎn)生。本文所提出的的方法就是在后者的基礎(chǔ)上加入二進制編碼調(diào)節(jié)法來進行變壓器的有載調(diào)壓［3］。

2 二進制編碼調(diào)節(jié)法

常用的晶閘管無觸點分級有載調(diào)壓系統(tǒng)的分級方法為直接替代法，其方式為在傳統(tǒng)有載調(diào)壓變壓器的分接頭上直接以晶閘管開關(guān)一一代替機械開關(guān)。如果不考慮過渡電阻器或電抗器，則N個調(diào)壓繞組對應(yīng)N+1個級電壓和N+1組電力電子開關(guān)。如果考慮過渡電阻器或電抗器，則需相應(yīng)的增加N組電力電子開關(guān)。直接替代法需要的電力電子開關(guān)較多，故不考慮這種分級方法。

本次方案采用的為二進制編碼調(diào)節(jié)法，其原理為將調(diào)壓線圈的調(diào)壓范圍分別為8%、4%、2%、1%。結(jié)合線圈同名端極性的不同，每次調(diào)壓的調(diào)壓精度可精確到1%。這種方法需要的電力電子開關(guān)數(shù)量最少。N個調(diào)壓繞組，可以組合4N個級電壓，需要2N組電力電子開關(guān)［4］。

2.1 有載調(diào)壓主電路結(jié)構(gòu)

本設(shè)計方案采用晶閘管反并聯(lián)作為有載分接開關(guān)的執(zhí)行機構(gòu)的核心元件，在保證不影響負載工作的前提下進行分接頭的切換，實現(xiàn)無弧的有載調(diào)壓的目的。普通晶閘管是一種半控型電力電子器件，沒有自管斷能力，但應(yīng)用在交流系統(tǒng)中，可以利用交流電流本身的過零點而關(guān)斷，因此用2只晶閘管反并聯(lián)可作為交流開關(guān)，它們各通過正弦半波，可實現(xiàn)開關(guān)的無弧、無觸點化，也能承受高電壓大電流。因此選用反并聯(lián)晶閘管作為有載分接開關(guān)的一種無弧有載調(diào)壓方式，以單相為例其主電路土如圖1所示。

考慮到電力電子開關(guān)的最大耐壓水平，本次方案在低壓側(cè)加入調(diào)壓繞組。使晶閘管的耐壓水平不超過現(xiàn)有的標準，并且盡可能的減少晶閘管的串聯(lián)個數(shù)。

圖1 無弧有載調(diào)壓裝置單相主電路圖

2.2 調(diào)壓狀態(tài)

如圖1所示設(shè)N2、U2e分別為為二次側(cè)繞組的額定匝數(shù)和額定電壓，取L0為0.9N2，L1－L4分別為N2的1%、2%、4%和8%。通過L1－L4的不同組合可以使U2在0.9～1.05U2e間變化。表1為調(diào)壓狀態(tài)和調(diào)壓繞組的關(guān)系。

表1 調(diào)壓狀態(tài)和調(diào)壓繞組的關(guān)系

其中1和0代表調(diào)壓繞組工作與否，調(diào)壓狀態(tài)C1－15分別代表調(diào)壓的級數(shù)1% ～15%。

設(shè)為U2e二次側(cè)額定電壓，A為待調(diào)壓級數(shù)，U2為待調(diào)整電壓。那么

表2 調(diào)壓狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系表

設(shè)調(diào)壓狀態(tài)為C，那么可得

其中B為上表得出的矩陣行為調(diào)壓狀態(tài)C1－15，列為開關(guān)狀態(tài)。

電力電子開關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則是尋求一種在保證電力電子開關(guān)的耐壓水平和工作條件的前提下，滿足二進制編碼調(diào)壓要求的使用電力電子開關(guān)數(shù)盡可能少的結(jié)構(gòu)。

3 變壓器有載調(diào)壓系統(tǒng)調(diào)壓的控制策略

其中U'2為變壓器二次側(cè)目標電壓或待調(diào)電壓;U2為變壓器二次側(cè)檢測電壓;

圖2 有載調(diào)壓系統(tǒng)控制框圖

ΔU2=U'2－U2為調(diào)壓差;

ΔUG=(U'2MAX－U2MIN)/A，A為調(diào)壓級數(shù);ΔA＞0為上升ΔA個級別，反之，為下降ΔA個級別;得到ΔA后就可以進入晶閘管控制程序進行調(diào)壓。

在得到ΔA后，通過對比可以得到目標電壓所需的調(diào)壓狀態(tài)，即可從表2中提取此調(diào)壓狀態(tài)下所需的開關(guān)狀態(tài)，再由此控制開關(guān)，從而接入調(diào)壓繞組或退出調(diào)壓繞組。

4 仿真實驗

本文采用Matlab仿真軟件建立有載調(diào)壓模型，并仿真有載調(diào)壓的過程。

模型參數(shù)設(shè)置:考慮到晶閘管的耐壓水平，變壓器一次側(cè)電壓 U1=10kV，頻率50Hz，二次側(cè)負載ZL=200+j61.8Ω，仿真時間為0.2s。

仿真目的:適當?shù)目刂凭чl管開關(guān)，能否改變二次側(cè)電壓使其達到目標電壓值，觀察二次側(cè)電壓波形是否與理論相吻合。

實現(xiàn)目標:

(1)將變壓器二次側(cè)電壓從額定電壓的90%升至最大值;

(2)將變壓器二次側(cè)電壓從最大值下降至額定電壓。

圖3、圖4說明了晶閘管開關(guān)可以通過控制命令進行可靠地動作從而達到調(diào)壓目的，在電流過零點迅速的切換調(diào)壓繞組，在需要斷開的開關(guān)在過零點斷開后，通過一次觸發(fā)即可是電壓都達到目標值。

圖3 調(diào)壓狀態(tài)0到調(diào)壓狀態(tài)15二次側(cè)電壓、電流變化

圖4 調(diào)壓狀態(tài)15到調(diào)壓狀態(tài)10的二次側(cè)電壓、電流變化

5 結(jié)論

無弧切換的有載調(diào)壓變壓器利用晶閘管可準確斷開的特性，運用簡單的控制指令，從本質(zhì)上消除了切換時的電弧，實現(xiàn)了調(diào)壓開關(guān)的無弧切換。本文采用的二進制編碼調(diào)節(jié)法，使電壓調(diào)節(jié)范圍增大，并且只使用8個調(diào)節(jié)開關(guān)，每次調(diào)壓的調(diào)壓精度可精確到1%。通過仿真實驗得出此方案在調(diào)壓過程中電壓與電流沒有明顯的波動，基本符合電力系統(tǒng)運行的要求。

［1］趙剛，施圍.無弧有載分接開關(guān)的研究［J］.高電壓技術(shù)，2004，30(4):49－51.

［2］萬凱，劉會金.晶閘管輔助機械開關(guān)無弧有載調(diào)壓技術(shù)［J］.繼電器，2002，30(11):5－9.

［3］李曉明，王婉晴，張水長.一種無弧快速有載調(diào)壓模型及仿真［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(2):24－26，69.

［4］李曉明.連通拓撲組合狀態(tài)有載調(diào)壓原理與應(yīng)用研究［D］.華中科技大學(xué)，2005.

［5］馮仲民.有載分接開關(guān)的應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2004.