變壓器檔位調整聯動顯示器的研究和應用

鐘育林

（廣東電網河源和平供電局，廣東河源，517200）

1 目前配網變壓器的分接開關運行維護現狀分析

配網變壓器分接開關按照調壓方式分為有載調節和無載調節（配網中普通配變通常在高壓側設一臺無載調壓開關），其中按照分接開關抽頭數量設置分為兩種：三個分接開關抽頭和五個分接開關抽頭。調整一次（高壓側）擋位可改變二次輸出電壓，適應一次電壓變化滿足二次用戶電壓要求。變壓器三個檔的電壓：一檔為額定電壓的+5%，二檔為額定電壓0%，三檔為額定電壓的-5%。

配網臺區在線路設備運維過程中，為解決配網變壓器的分接開關（檔位）沒有現場標識裝置的問題，基層運維班組人員通常是建立配網變壓器檔位清冊，及時更新配變檔位臺賬流程動態數據，同時在新建配變、配變輪換等在本臺區作業時需增加核查配變檔位工作，但是這種解決問題的管理模式，在日常運維實際操作時并不理想，配變檔位運維后登記造冊資料缺失情況時常發生。

配網電力變壓器分接開關的調節方式，區別于電力系統變電站的有載調壓變壓器，決定其變壓器內部無法安裝使用有載調壓變壓器的電路檔位顯示元件。在現有的配網線路中，即是同一電壓等級，由于會出現線路壓降變壓器安裝在不同位置等原因，那么每個位置變壓器的電壓也不是完全相同的，因此造成一次電壓的不同；為了達到二次輸出額定電壓基本一致，那么就需要通過調節分接開關來改變變壓器高低壓繞組的匝數比，調節變壓器輸出電壓值的高低。因此變電站的有載調壓開關可以設置有載調壓機構，在其內部安裝設置檔位顯示元件，用在特殊用途的變壓，比如電弧爐等，都帶有自動和手動的調壓機構，但是在配網線路的變壓器一般是無載調壓，無法做到同電力系統的主網變電設備一樣，實現上述功能的實現方便日常運維。

2 主要的電路工作方式與顯示聯動原理

本項目的檔位調整聯動器元件主要是運用整流電路和數碼管的顯示原理整合實現顯示功能，目前在電源電路的整流電路中，主流技術采用有橋式整流、半波整流電路、全波整流電路，（其中倍壓整流電路運用在弱電交流信號的整流，例如液顯、發光二極管、音頻信號等指示器電路）。而數碼管作為是一種半導體發光器件，主要采用發光二極管為基本單元。能夠顯示四位數字的叫四位數碼管，也可以設置有多位和單位的數碼管，他們的電氣原理相同（檔位顯示元件運用的是單位數碼管）。如依照數碼管段數來劃分，可以分為七段數碼管、八段數碼管，七段數碼管比八段數碼管只是減少一個數位點發光二極管單元（考慮到小數點顯示在檔位調整聯動器并沒有實際運用的意義，因此本裝置不予采用八段數碼管）；依照二極管單元共同連接陽、陰極方式的不同，可以劃分為共陽極數碼管或共陰極數碼管。其中共陽極的數碼管是將電路上的二極管陽極接到一起的公共陽極的數碼管。共陽極的數碼管公共極接到+5V電源上，如果其中一字段發光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。如果其中一字段的陰極為高電平時，相應的字段二極管不導通，字段為不亮。共陰的數碼管是將所有二極管的陰極接到一個公共陰極的數碼管。與共陽極不同點在點是共陰數碼管必須將公共極（COM）一定接地線極，如果其中的一個字段的二極管陽極為高電平時，那么對應的二極管字段顯亮。而其中的一個字段的陽極是低電平那么相應的二極管就不亮；無論是運用哪共陽還是共陰數碼管，輸出端口都必須和電路整流電路響應一致，因此綜合考慮檔位調整聯動器的顯示電路設計要求體積小、內部空間有限的特點，采用共陰數碼管較為有效合理。另一方面因為上述三種整流電路輸出的單向脈動性直流電特性是不一樣的，比如半波整流電路的電壓的波形是半周，因此在單向脈動性直流電頻率只有50Hz的情況下，考慮到交流市電的頻率也是50Hz，那么可以通過半波整流濾波電路來改變直流電單向脈動性頻率；但是全波和橋式整流電源電路基本是相同的，都是采用輸入交流電壓的正、負半周，使得全波和橋式輸出電流的頻率均擴大到一倍，所以這種單向直流電脈動性的頻率是100Hz，并將輸入交流電壓值的一個半周轉換極性，輸出的直流脈動性電流頻率比輸入交流電流提高了一倍，即有利于電源電路濾波電路降低功耗，濾波后更加平滑過渡，也為單位數碼管提供穩定的高低電平信號源，在電源電路中采用單向直流電脈動性的頻率更為有利于單片機的顯示和讀取數據。

在單位數碼管的電氣特性方面，因為數碼管設置通常均不低于十個管腳，其中八個管腳鐘中的3，8兩個管腳是公共COM腳，它們相連通且作用相同，可連接其中任意一個管腳（在原理闡述中有詳細內容說明）。為了更清楚表述，本文列出對應表。

表1 共陰數碼管腳位對應表

因為在電源電路的整流電路中，對電源電路的輸出端口有輸出線性特點方面的要求，比如在全波整流電路中要用兩只發光二極管，而在半波整流電路中只用一只發光二極管等，橋式整流電路更是運用四只發光二極管。所以根據上述兩個顯著特點，可以分辨出三種不同整流電路和數碼管電路的整合類型。

在七位數碼管的驅動方式方面，本裝置主要有采用端口輸出驅動為主，其次用BCD碼（二-十進制譯碼器譯碼）驅動。如果采用靜態驅動，那么它的優點是編程簡單、顯示亮度高，但是考慮到端口資源有限，就是占用I/O端口太多所以缺點也是明顯，對其他的附加性能運用降低運用能效，產生不利影響，甚至于制約擴展功能的使用，比如要驅動5個數碼管的靜態顯示，則需要四十個I/O端口才能驅動相關功能模塊的使用，這樣太耗費寶貴的端口資源，并且在實際應用時還要增加譯碼驅動器進行二次驅動，大大增加了電源電路的復雜性和同時降低其可靠性。

作為當前應用最廣泛的數碼管動態顯示，在主流單片機的應用中技術最為成熟，使用動態的譯碼驅動器，將數碼管的"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連接成公共端，同時為每個發光數碼管的COM增加位選通控制回路，相對獨立的I/O總線控制位選通發出信號源，單片機通過I/O端口輸出字形碼時，如果八個數碼管同時接收到了字形碼信號后，具體由那幾個數碼管顯示出字形，持續和間斷時間多少，都是由單片機上的位選通控制電路控制決定的，最后通過原有的單片機程序打開數碼管的選通控制回路端口，就能實現配網變壓器檔位對應字形顯示，控制回路端口信號關閉的數碼管就不導通。另外也用單片機設定的分時輪流控制程序控制八個數碼管端口的公共端，動態驅動使得數碼管輪流受控顯示實現輪流顯示，雖然動態顯示的效果和靜態顯示結果相同，但是節省大量的I/O端口資源，功耗降低50%甚至更低，擴展性功能開發就有了更多的選擇。靜態驅動在亮度方面通常會高于動態驅動的亮度，在強光環境或戶外使用時中效果較好；另外配合鎖存器記憶先前狀態數據，增加新數碼管就能組成是三位以上的數碼管顯示模式。

檔位調整聯動顯示器又一個主要功能，能通過4G網絡提醒運維人員故障原因，方便設備運維管理，提高用戶用電質量等問題，提高客戶滿意度，其中檔位調整聯動顯示器包括故障識別模塊、報警裝置、通信模塊、備用電源等模塊。

為提高檔位調整聯動顯示器判斷的準確度，首先在過電壓及正常運行電壓下，對各類不同故障類型進行模擬，找出各類故障識別模塊故障電流區間及異常錯誤數據差異值的大小，記錄電流數據及持續時間,一般情況下發生一次或二次電路故障的時間通常極短，短暫數據采集錯誤的對裝置系統沒有影響，在正常負荷和系統電壓運行環境下，以故障電流大于1A，放電持續時間大于5s時，對二次電路影響很小，如在變壓器過負荷的條件下運行超2小時，檔位調整聯動顯示器將啟動保護組，停止多個模塊的工作，并發出紅色顯示燈，作為現場運維人員的故障識別判斷依據。

為進一步提高報警裝置傳動性和有效性，報警裝置接收到故障故障模塊發出的信息后自動啟動持續性的紅色提示告警閃燈，極大的方便配網線路巡視運維人員及周邊人員查看（警示燈設置成高亮報警紅燈）。同時為解決廣大山區線路多地域廣地形復雜等問題，造成巡查運維困難，可通過加裝故障通訊模塊，有效利用4G通信網絡將檔位和故障類型信息及位置信息通過短信發送到運維人員手機上或傳遞詳細故障信息到運維人員特定等通訊設備上，達到快速排查識別故障運維目的。

為保證將裝置采集的故障信息能通過通信模塊傳遞給運維人員，需提供長續航的備用電源，當線路故障停電時，可通過備用電源提供電能給驅動報警裝置以及信息上傳使用，而檔位調整聯動顯示器電源主要是兩個供給方式，電源一：當線路有電時由變壓器220V供電和充電，而沒有外部電源時由備用電源供電；電源二：太陽能電板給備用電源供電，整個檔位調整聯動顯示器電源均由蓄電池供電。

3 檔位調整聯動顯示器概要

（1）主要的技術原理

檔位調整聯動顯示器主要由三個單元模塊功能，感應識別單元模塊能通過識別變壓器檔位設置點位，根據不同的感應讀取信號并轉換為模擬信號給集成電路，再由電路單片機邏輯單元判斷后，發出相應的動作信號給顯示單元模塊。

為在電力系統發生故障停電時，保證檔位調整聯動顯示器能在臺區停電時，可以保持變壓器檔位顯示狀態，檔位調整聯動顯示器的電源模塊設置了備用電源的供電方式，當電力系統恢復變壓器供電時，由變壓器220V供電使用并保持充電，而沒有系統和外部電源時由備用電源供電。

（2）主要的創新點

配電網配變沒有直觀的檔位顯示裝置一直是配網運維的難點痛點，本裝置的創新點就在于解決這個問題，檔位顯示裝置能有效提升配網工作效能，幫助運維人員快速發現供電質量問題和后期故障的處理，在配網運維管理方面有良性發展的重要促進意義。

（3）裝置的應用場景

在電力系統配電網的變壓器中將應用廣泛，能十分有效解決配網運維人員在變壓器帶電情況下，現場識別掌握變壓器的檔位設置情況，為電壓調整、負荷割接等運維策略調整提供有力的依據。

4 檔位調整聯動顯示器故障類型表述

檔位調整聯動顯示器檔位故障主要有檔位位開關檢測單元故障、顯示單元故障、數碼管元器件損壞和主電源備用電源等故障；檔位顯示方面體現在無法辨認、檔位錯亂、死屏等現象。檔位顯示異常要檢查擋位開關是否短路或斷路，是否曾經進水等問題。運維人員可以測量電路電板，判斷是否存在檔位開關的電子故障，或者是顯示單元的電子元件故障，對損壞的電子元器件更換即可。