基于晶閘管的無觸點線路調壓裝置的低電壓治理

，，，， (.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 6004；.四川大學電氣信息學院，四川 成都 60065；.成都億成科技有限公司，四川 成都 67)

0 引 言

新世紀以來伴隨著中國對農村建設的一系列扶持政策，廣大農村的用電情況發生了天翻地覆的變化，而農網所承受的供電壓力也與日俱增，許多地區電網都存在低電壓的問題，電網長期處于低電壓運行狀態會對電網以及用電設備產生嚴重的影響。在電網方面，低電壓會使變壓器的輸出功率降低，運行線路損耗增加。在用戶方面，低電壓會導致用電設備、機床電器的電磁開關、電磁鐵的吸力不足，操作控制失效，觸頭燒毀，普通家用電器也會出現啟動困難，縮短使用壽命，甚至燒壞的情況[1]。造成低電壓問題的原因，一方面是管理的因素，農村供電部門普遍缺少管理經驗，同時受地理位置的影響，許多輸電線路的鋪設難度極大，造成電網延伸點分布眾多。另一方面是技術的因素：中國農網電壓等級為 35 kV、10 kV、0.4 kV，其中 10 kV 線路的供電負荷大、供電半徑長，因此在實際運行中往往存在低電壓的情況；由于上一級系統電壓較低，造成10 kV 母線出現電壓過低的問題；某些情況下配電變壓器的安裝位置會偏離用電負荷的中心位置，造成低壓線路分布超出了其供電半徑，這也會使電網低電壓運行[2]。

為了解決這一問題，國內外專家學者進行了廣泛的研究，主要提出了以下幾種治理方法：文獻[3-4]提出了靜止型動態無功補償裝置SVG進行低電壓治理的方案，通過控制其無功輸出的大小，就可以調節系統的電壓損耗，從而調節系統的電壓水平。文獻[5-7]提出了通過降低變壓器的三相負荷來改善三相不平衡情況，該方法可以有效降低變壓器和線路的損耗，尤其是對于傳統的采用Yyn0接線方式的配電變壓器降損效果更顯著。一般要求變壓器出口處電流不平衡度小于15%，但就目前農網格局而言，很難做到大規模的負荷調整。文獻[8-9]提出了靜止無功補償器SVC進行低電壓治理的方案。SVC也是目前市場上較為廣泛采用的動態無功補償裝置，它具有連續調節無功功率輸出、響應速度快的特點。但SVC向系統中輸入的高次諧波較多，鐵耗和銅耗相對來說都比較大，裝置中采用的電抗器的體積也比較大，還需要進一步地改進完善。文獻[10-11]提出了安裝無功補償裝置的方案，既可以減少線路的損耗，也可以提高線路末端電壓，一舉兩得。安裝無功補償設備的主要目的是平衡系統無功功率和降低損耗，無功補償設備對線路末端電壓抬升幅度取決于線路結構和負載的功率因數高低。文獻[12-14]提出了在低壓線路末端安裝調壓裝置的解決方案，該方案可在不更換變壓器和改造線路的情況下，提高線路末端電壓，滿足用戶用電需求，電壓提升幅度可以達到40%。但這種方法會使調壓裝置安裝處前端電壓有所降低，適用于供電半徑較大、線路首末端電壓差較大而末端負荷功率不是太高的配電臺區。

下面所介紹的晶閘管無觸點調壓器具有無觸點、調壓范圍寬、穩壓精度高、動態響應速度快等特點。這種裝置無需機械開關的切換，也不會產生電弧，在調節過程中不需要斷電,并且成本相對較低，這些特點在電力系統經濟運行、改善電網電能質量等方面都具有不可替代的優點。

1 無觸點線路調壓器工作原理

晶閘管無觸點調壓器主要包括串聯調壓變壓器T1、調節變壓器T2、反并聯晶閘管開關器件TR、控制器、旁路開關K、電壓互感器，如圖1所示。

控制器通過電壓互感器從電網采集電壓信號，并將其與標準電壓進行比較計算，得到需要生成的附加電壓ΔU，根據ΔU的取值，控制器生成相對應的信號來控制晶閘管開關器件組TRS的導通與關斷；反并聯晶閘管器件組TRS與串聯變壓器一次側中心抽頭相連接，根據晶閘管器件組TRS的導通情況決定串聯變壓器二次側感應電壓的大小，也就是附加電壓ΔU的大小，最終輸出U0=Ul±ΔU。當檢測到電網電壓過低時，生成的附加電壓ΔU為正值，稱為升壓調壓；當電網電壓過高時，生成的ΔU為負值，稱為降壓調壓：這樣就達到了穩定電網電壓的目的。

串聯變壓器的副邊上并聯有旁路開關K，用于各種故障的快速旁路以保證線路供電連續性，也便于裝置的投運、調試與檢修。

由于器件串聯在線路上，裝置的軟件設計充分考慮了短路保護、過載保護和換擋調壓的快速性，縮短響應時間、換擋失電時間以及控制任何故障下的旁路時間，以便保證所有時段的供電連續性。

圖1 晶閘管無觸點線路調壓器工作原理圖

1.1 晶閘管分接開關主電路

晶閘管反并聯器件組是整個裝置的關鍵元件，它必須在不影響變壓器負載正常工作的情況下實現對變壓器一次側分接抽頭的切換，來調節輸出電壓，即自動穩定有載調壓。晶閘管是一種半控型的電力電子器件，它本身沒有自關斷的能力，可是如果將其運用在交流電系統中，可以借助其過零關斷的能力實現晶閘管的導通關斷，所以將兩只晶閘管反向并聯作為交流開關使用。在工作中，反并聯的兩只晶閘管各自只會通過完整正弦波中的一個半波，實現了開關的無觸點化，且器件反應時間可以達到微秒級。正因為這些優點，在所提方案中將其作為有載調壓器的執行元件。具體設計時，把反并聯晶閘管組連接到變壓器一次側的每一段繞組與中性點之間，從而形成了調壓器執行部分的主電路，如圖2所示。

圖2 反并聯晶閘管連接方式

由圖2可知，該方案主電路部分包括安裝在變壓器T1一次側的6組反并聯晶閘管器件組SCR1、SCR3、SCR4以及并聯在晶閘管器件組兩側的RC緩沖電路、限流分支電路SCR2與R1，還有連接在變壓器二次側的電壓檢測變壓器T2以及單片機控制系統。

在變壓器的一次繞組處，從三相繞組中各設置3組連接頭，標記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。它們與反并聯晶閘管開關組SCR相連后連到變壓器的中性點。單片機控制系統通過隔離變壓器來監測變壓器二次側的電壓，然后根據采集到的電壓信號發出對應的指令信號來觸發電路控制晶閘管器件組的開通和關斷。除此之外，主電路部分還增加了限流分支SCR2和R1，其目的就是限制環流的大小，從而保證晶閘管器件組在切換工作過程中的供電可靠性以及安全性。

反并聯的晶閘管器件組兩端裝設有RC緩沖電路，其目的是減小晶閘管器件長期處在快速開斷時器件兩端產生的高電壓，也就是關斷浪涌電壓。

裝置開始工作后，變壓器一次側的晶閘管開關工作在Ⅱ檔位，此時SCR3器件組導通，其他SCR器件組關斷，單片機控制系統通過監測變壓器檢測二次側的電壓，如果電壓是在(95%～105%)UN內波動時，晶閘管器件組的工作狀態將保持在Ⅱ擋位；當檢測到二次側電壓低于95%UN時，分接開關會調整到Ⅰ擋位；當二次側電壓高于105%UN時，晶閘管分接開關就調整到Ⅲ擋位。

1.2 反并聯晶閘管器件組控制策略

變壓器調壓分接頭在調高輸出電壓的時候會有環流產生，但要調低輸出電壓時不會出現環流。

反并聯晶閘管器件組在工作中，單片機控制系統只能通過觸發信號控制器件的導通，如果要關斷晶閘管必須選在晶閘管通過的電流過零的時侯，所以有必要研究具體操作時的控制方式。

圖3為變壓器正常運行時的等效電路圖。

圖3 變壓器穩態運行的等效電路

圖4 變壓器穩態運行的簡化等效電路

假設原邊電壓u=Umsin(ωt+θ)，原邊電流為i1，由圖4可以得到i1在穩態運行時為

=Imsin(ωt+θ-α)

(1)

由于晶閘管開關電流過零關斷的特點，如果控制系統同時發出晶閘管關斷和導通的信號時，會出現將要開通的開關導通而需要斷開的開關還未能關斷的情況，在兩個開關器件所構成的閉合回路中就會出現環流Δi，ΔU為兩晶閘管開關間的電壓，K1、K2為分接頭，等效電路如圖5。

圖5 晶閘管器件組等效電路

可以計算得到：

(2)

由于L11、R11很小，即使很小的ΔU都將產生較大的△I，使得ΔI?Im。因為Δi自身就是沖擊電流，且ΔI?Im，那么即使不考慮衰減系數A的大小，也可以得到Δi?i1，這就會嚴重危害裝置的安全運行，導致變壓器無法正常工作。為了避免上述情況的發生，可采用在電流i1過零時導通晶閘管有載分接開關。該方法可以確保將要導通的晶閘管器件組K2接到控制信號時，晶閘管器件組K1已經完全徹底斷開連接，電路中不會出現沖擊電流Δi。

2 晶閘管調壓器主要技術指標

圖6和表7分別為基于晶閘管的無觸點線路調壓裝置的外形及局部尺寸圖和對應的裝置外形尺寸表。

圖6 基于晶閘管的無觸點線路調壓裝置結構

圖7為基于晶閘管的無觸點線路調壓裝置的使用接線圖，其中L、L3、N接口分別為火線輸入、火線輸出和零線接口，分別接電源側進線L、N和用戶側出線L3、N。

表1 晶閘管無觸點線路調壓裝置技術參數

圖7 裝置使用接線圖

3 實驗及掛網運行

3.1 調壓性能實驗

針對調壓器的調壓性能進行測試。按圖8所示，為了顯示電壓變化，將兩臺電壓表分別接到調壓器輸入端、輸出端，并在輸出端連接一臺示波器以檢測電壓波形。

圖8 測試接線圖

實驗時逐漸升壓到最大值后再逐漸降壓，同時記錄調壓器輸入端的電壓以及輸出電壓。將輸入輸出電壓進行對比，結果見圖9、圖10。

根據試驗結果可知：當輸入端電壓發生150 V到250 V之間的波動時，該型調壓器具備良好的調壓性能，可以將輸出電壓始終穩定在220 V左右。根據實際電網情況，電壓下降不會低于150 V，所以當輸入端電壓不穩定時，調壓器能夠很好地調節輸出電壓，使得輸出電壓保持在一個穩定的水平，供用戶正常使用。

圖9 升壓實驗數據

圖10 降壓實驗數據

3.2 掛網運行實驗

為了更好地檢驗在實際工作條件下的調壓器工作情況，選取了某縣郊區的低電壓臺區作為線路調壓裝置的掛網試驗地點。該臺區配電變壓器容量為315 kVA，供電半徑長400 m左右，支線戶數為5戶。裝置的安裝位置選擇在該臺區某支線線路中的C相末端。根據當地電工提供的信息，所選位置用戶長期電壓在190 V左右，在用電高峰時期，甚至低至160 V左右，導致居民不能正常使用家用電器，嚴重影響了正常生活用電。安裝效果如圖11所示。

圖11 晶閘管無觸點線路調壓裝置安裝效果示意

設備投入運行后，通過電能質量分析儀記錄的支路農戶數據情況如圖12所示。

圖12 調壓裝置掛網運行后線路測試數據

由圖12分析可知，經過調壓器的處理后，低電壓問題得到顯著改善，線路末端電壓始終處于一個穩定的水平。這說明無觸點線路調壓器解決了該縣低電壓臺區末端電壓偏低問題，相比增設變壓器等解決方式大大節省了成本。這種調壓器配置靈活，能做到快速安裝解決低電壓問題，無論投入的成本還是人力均較低，簡單方便，可以大力推廣使用。

4 結 論

針對電網中的低電壓問題，提出了采用基于晶閘管無觸點線路調壓裝置的治理措施，并通過實驗驗證了該方案對處理低電壓問題的有效性，并得到以下結論：

1)晶閘管無觸點線路調壓器能夠對電網電壓的波動進行快速頻繁的調節，使線路末端電壓的合格率得到滿足。而且相對于有觸點調壓器以及其他調壓設備有很多優點，如快速性和頻繁性。在實驗中，可以看到晶閘管無觸點線路調壓器在輸入端不斷地進行升降壓操作時，均可以將輸出電壓保持在一個比較穩定的水平，從而很好地解決了電網中的低電壓問題。這對整個電力系統而言都具有相當重要的意義。

2)基于晶閘管的無觸點調壓器在控制策略方面需要格外注意，為了防止晶閘管器件組之間形成強大的環流損壞晶閘管以及線路，可采用在電流i1過零時導通晶閘管有載分接開關消除環流的影響。

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