一種改進型有載分接開關拓撲的設計與仿真

徐 杰，袁 敏，徐偉明

國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000

0 引言

傳統純機械式有載分接在開關切換過程中的電弧燒蝕觸頭問題十分突出。隨著電力電子技術的迅速發展，大功率、高耐壓晶閘管推動了有載調壓技術的研究與進步。國內外很多學者采用晶閘管器件取代傳統的機械式分接開關，以解決有載分接開關帶負荷切換時的電弧問題，并提出了各種設計方案[1-3]。文章以晶閘管為輔助開關，在分接開關切換時予以使用，可以實現無弧切換，但在正常運行時仍使用機械式開關。

1 晶閘管輔助機械開關式有載分接開關

文章所設計的改進型晶閘管輔助機械開關式有載分接開關的主電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 晶閘管輔助機械開關式有載分接開關

圖1中，L0為主繞組；L1～L16為調壓繞組，均為額定繞組的2.5%，共16個；DL為斷路器，只在斷路器投入運行和退出運行時動作；S1～S17、S01、S02為機械開關；K1～K4為雙向反并聯的晶閘管（附帶其各自的保護電路）。其中，R1、R3（R1=R3）的主要作用是為晶閘管提供正向電壓，使其可以導通，調節結束后需退出回路；R2、R4（R2=R4）為限流過渡電阻，可以保證在分接頭開關切換的過程中不會發生分接繞組間的直接短路，且R2遠小于R1，使負載電流能順利轉移到下支路。該拓撲結構設計可以實現有載調壓過程無電弧，且結構簡單，晶閘管數量少。

2 晶閘管輔助機械開關式有載分接開關控制策略

晶閘管輔助機械開關式有載分接投入運行的初始狀態投入運行的步驟：為了避免產生電弧，機械開關的開斷與閉合時，其所在支路都在無電流或電流較小的狀態下進行。由于機械開關不影響調壓的動態過程，而僅改變變壓器的穩態運行狀態，即調壓狀態，因此不需要動作時刻的準確性[4]。對調壓過渡過程產生決定性影響的是晶閘管開關，即圖1中的K1～K4。晶閘管開關由觸發脈沖信號所控制，因此以從初始狀態只接入主繞組L0到將調壓繞組L1的過程為例，對繞組投切時刻控制進行說明。

假設現因電壓變化，需要從S1切換至S2狀態，切換過程說明如下。

（1）停止觸發K3時。K3關斷后R1投入運行，使K1兩端承受一定的電壓，為其導通提供條件。

（2）給K1發送觸發信號。由于R1遠大于R2，變壓器電流大部分從S01支路轉移到K1支路，給K1發送觸發脈沖時，需要對其觸發時刻進行控制，使其在電流過零點觸發導通，避免產生暫態過程。

（3）斷開S01。此時斷開機械開關S01，變壓器一次側電流已經轉移到K1支路，斷開S01不會產生電弧，不需要對機械開關S01的開斷時刻進行控制。

（4）閉合S2。閉合S2時L1尚未形成回路，流經S2的電流為零，因此不需要對機械開關S2的動作時刻進行控制。S2閉合后，K2承受調壓繞組L1兩端電壓（忽略部分電壓損耗），為K2導通提供條件。

（5）觸發導通K2。K2導通后調壓L2兩端將形成回路，將會有一定的電流流過晶閘管K2，因此需要對晶閘管觸發時刻進行控制，使其在電流過零時刻觸發，避免產生暫態過程。K2導通后，R2和R4串聯在回路中，沒有發生直接短路。同時，停止觸發K1，此時與步驟（1）相似，晶閘管會在電流過零點自然關斷。

（6）斷開S1。K1已經關斷，S1上已經沒有電流，因此不需要對S1動作時刻進行控制。此時負載電流流過S2、K2、R4。

（7）閉合S02。此時，變壓器一次側電流主要流經K2支路，而流經S02上的電流非常小，因此不需要對S02的動作時刻進行精確控制。

（8）停止觸發K2。晶閘管K2關斷后，電流從下支路轉移到上支路。

（9）觸發K4。K4導通后變壓器一次側電流全部流經K4，因此需要對K4的出發時刻進行控制，使其在電流過零點觸發導通，避免產生暫態過程。此時，電阻R3短路，調壓過程結束。

從以上分析過程可以看出，對晶閘管而言，當其觸發導通時，均會有大電流流過晶閘管，因此需要對晶閘管的導通時刻進行電流過零觸發，避免產生暫態過程。

3 仿真分析

為了驗證所設計的晶閘管輔助機械開關式有載分接開關的拓撲結構及其控制策略的有效性，需要進行仿真驗證。以SimPowerSystems庫中的單相多繞組變壓器模型為基礎，搭建寬幅有載調壓變壓器的模型[5]。變壓器設計為從高壓側引出17個分接頭（16級調壓繞組），額定容量為20 000 kVA，一次側額定電壓為110 kV，二次側額定電壓為35 kV，并設置變壓器為飽和變壓器模型。仿真分為一次側電壓降低和一次側電壓升高兩種情形。

電壓降低時的電壓電流波形圖如圖2所示。圖2中，一次側電壓初始幅值為155.56 kV（即有效值為110 kV），變壓器在t=0.01 s時合閘。為了消除合閘涌流的影響，使其合閘角為90°，此時合閘涌流最不明顯。在t=0.10 s時，電源電壓降低，為了使效果更明顯，設置幅值降低至120.6 kV（有效值為85.25 kV，是額定電壓110 kV的77.5%）。

由圖2可見，一次側電壓在0.10 s后有明顯降低，一次側電流也隨之降低。此時，有載調壓變壓器并未完成調壓，二次側電壓降低，電流減小。有載調壓變壓器開始動作，在0.15 s后完成調壓，此時一次側電壓仍未恢復，而二次側電壓和電流已經恢復至額定值。同時，一次側電流比t=0.10 s時更大，這是因為負載功率保持不變而一次側電壓降低，導致一次側電流增大。在變壓器調壓過程中，因為晶閘管總是在電流過零點觸發導通，所以沒有產生明顯的沖擊電流，不會對電網產生沖擊，與仿真結果一致。

圖2 電壓降低時的電壓電流波形

一次側電壓初始幅值為155.56 kV（有效值為110 kV），變壓器在t=0.01 s時合閘。為了消除合閘涌流影響，使其合閘角為90°，此時合閘涌流最不明顯。在t=0.10 s時，電源電壓升高，幅值升高至175 kV（有效值為123.75 kV，是額定電壓110 kV的112.5%）。一次側電壓在0.10 s后有明顯升高，一次側電流也隨之升高。由于有載調壓變壓器尚未完成調壓，二次側電壓和電流也會暫時升高。當有載調壓變壓器開始動作，在0.15 s后，一次側電壓仍未恢復，而二次側電壓和電流均已恢復至額定值。此時，一次側電流小于t=0.10 s時的電流，這是因為負載功率保持不變而一次側電壓升高，導致一次側電流減小。

4 結束語

文章通過晶閘管輔助機械開關實現投切過程無弧化，并設計了晶閘管輔助機械開關式有載分接開關的控制策略。通過仿真研究結果可以看出，該設計可靠性高，控制策略合理有效，控制響應速度快，投切過程沖擊小，且設備結構簡單，造價較低，既避免了傳統機械開關式有載分接開關切換時存在電弧的問題，又有效解決了純電力電子開關式有載分接開關穩定性差、造價較高等問題，具有較好的推廣應用價值。