（农业电气化与自动化专业论文）基于电力电子技术的自动调压分接开关的研究.pdf

摘要 电压是衡量电能质量的一项重要指标。近儿年，各级用户对电压质量的要求不断提高。 因此，为了保证电力系统供电和用户用电的可靠性，电力部门为改善电压质龋采取了一些措 施。在系统无功充足的情况下加装有载自动调压设备是稳定系统电压最有效的方法之一。 本文研究一种具有实时监测电压波动而自动稳定变压器输出电压功能的有载自动调压 分接开关。该开关基于电力电子元件，应用单片机控制技术。在启动机构动作后控制系统 上电且监测经隔离变压器降压后的变压器二次侧电压进而根据所监测的电压值，输出相应 指令，进行分接开关的自动切换，实现有载自动调压功能。 通过对有载分接开关的主接线电路方案设计进行的分析和比较。相对于采用同态继电器 作为有载自动调压分接开关的主接线设计方案，采用全控器件i g b t 作为有载分接开关的土 接线设计，虽然主体结构简洁，控制流程清晰但是由于相应的保护电路与缓冲电路规模过 人。同时经济性能严重下降。囡此晟终本设计的土接线设计方案采用固态继电器作为有载自 动凋压分接开关的执行机构。 有载自动调压分接开关的启动问题是本设计的重点之一。本课题设计了采用双向晶闸管 和光电耦台器为主体的独立启动机构，摆脱了蓄电池供电启动机构在变压器或电网睦时间停 电无法启动的缺点，保证了有载自动调压分接开关随时可以投入运行，且t ：作安全。 使电力电子元件在电力系统过电压和工频耐压作用下不被损坏是本装置能否在配电变 压器中实际应用的关键问题。本课题通过悬浮地等多项技术提高了有载自动分接开关的整体 耐压水平与i = 作可靠性，完全满足了工程要求。 通过理论分析和实验室实验结果表明：基于上述技术的有载自动调压分接开关满足同等 级电网亡作要求，能够快速、稳定地进行有载自动调压。当电网波动范围在1 0 时，变压 器经自动有载调压后输出电压波动范围不大丁额定电压的5 ，使电压波动范同降低5 个卣 分点以上。同时，在有载分接开关变换的过程中，不产生谐波污染，对电网环境无害。 应用本课题设计的有载自动调压分接开关的配电变压器已经在农电系统安全可靠运行 、f 年。证明安全可靠、自动稳压效果好。 关键词：有载自动调压：电力电子；单片机；配电变压器 v r e s e a r c ho no n l o a da u t o m a t i ct a p - - c h a n g e rb a s e do n p o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y a b s t r a c t v o l t a g ei s i m p o r t a n ti n d e xo f q o a l i t yo f p o w e rs u p p l y r e c e n ty e a r s t h er e q u e s to f a l ll e v e l s c o n s u m e r st ot h eq u a l i t yo fv o l t a g er i s ec o n t i n u o u s l y t h e r e f o r e ，i no r d e rt oa s s u r et h e d e p e n d a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e ms u p p l y i n ga n dc u s t o m e r s c o n s u m e ，e l e c t r i cp o w e r d e p a r t m e n th a st a k e nas e r i e so fm e a s u r e st oi m p r o v et h ev o l t a g eq u a l i t y u n d e rt h ec o n d i t i o no f s y s t e mr e a c t i v ea d e q u a t l y ，a d d i n go n l o a dv o l t a g er e g u l a t i n gd e v i c ei sv a l i do n eo ft h em o s t e f f e c t i v em e t h o di ns t a b i l i z es y s t e mv o l t a g e t h i sp a p e rs t u d i e sao n - l o a dt 印一c h a n g e rw h i c hh a st h ef u n c t i o no fr e a l t i m em o n i t o rv o l t a g e f l u c t u a t i o na n ds t a b i l i z e st h e o u t p u tv o l t a g ea u t o m a t i c a l l y i tb a s e do np o w e re l e c t r o n i c c o m p o n e n t s a p p l i e ds i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y a f t e rt h ea c t i o no fs t a r t u p m e c h a n i s m c o n t r o ls y s t e me l e c t r i f ya n dm o n i t o r i n gs e c o n d a r ys i d ev o l t a g eo f t r a n s f o r m e rw h i c h d e c o m p r e s s e db yi s o l a t i o nt r a n s f o r m e r t h e ni te x p o rc o r r e s p o n dc o m m a n da c c o r d i n gt ot h e m o n i t o r i n gv o l t a g ea n dc a 删t h r o u g ha u t o m a t i cs w i t c h i n go ft a p - c h a n g e r i tc a na c h i e v eo n - l o a d a u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t i n g t h r o u g ha n a l y s i s i n ga n dc o m p a r i n gf o rm a i nc i r c u i tp r o j e c to fo n - l o a dt a p - c h a n g e r - b e i n g r e l a t i v et ot h ed e s i g nw h i c hm a i nc i r c u i tp r o j o c to ft h eo n - l o a dt a p - c h a n g e ra d o p t i n gs o l i ds t a t e r e l a y ，t h o u g ht h ea g e n ts t r u c t u r eo f m a i nc i r c u i tp r o j e c tw h i c hb a s e do ni g b ti sc o n c i s e 。c o n t r o l p r o c e s si sa c u t e n c e i t sc o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i o nc i r c u i ta n ds n u b b e rc i r c u i ta r et o oh u g e ， m e a n w h i l et h ee c o n o m i c a le f f i c i e n c yd e s c e n d ss e r i o u s l y s ot h ed e s i g no fm a i nc i r c u i tp r o j e c t a d o p t e ss o i l ds t a t er e l a y 豁o p e r a t i n gm e c h a n i s mo f o n - l o a dt a p c h a n g e rf i n a l l y t h ep r o b l e mo fo n - l o a dt a p - c h a n g e rs t a r t u pi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t si nt h e i t e m s ot h i si t e ma d o p t st h et e c h n o l o g yc o m b i n i n gi n d e p e n d e n ts t a r t u pm e c h a n i s mb 驴e do n t r i a ca n dp h o t o e l e c t r i cc o u p l e r t h ed e v i c ec a ne l i m i n a t et h ed i s a d v a n t a g et h a ta c c u m u l a t o rc e l l s t a r t u ps c h e m ec a n ts t a r t u pa f t e rt h et r a n s f o r m e ra n dp o w e rn e th a ds t o p p e dr u nf o ral o n gt i m e i t e n s u r e st h eo n - l o a dt a p - c h a n g e rc a np u ti n t oo p e r a t i o ni na n yt i m ea n do p e r a t es a f e l y t h ek e yq u e s t i o no f w h e t h e rt h ed e v i c ec a na p p l yi nd i r t r i b u t i o n gt r a n s f o r m e ri st h a tt h ep o w e i e l e c t r o n i cc o m p o n e n t sc a l ln o tb ed a m a g e du n d e rt h eo v e r - v o l t a g eo fp o w e rs y s t e ma n dp o w e r f r e q u e n c yw i t h s t a n dv o l t a g e t h i sp a p e re n h a n c e st h ew i t h s t a n dv o l t a g el e v e la n dw o r k i n g p e f f f o r m a n c eo f t h eo n - l o a dt a p - c h a n g e rb y h a n gf l o a t i n gg r o u n da n do t h e rt e c h n o l o g i e s ，s a t i s f ) r i n g t h ee n g i n e e rr e q u e s t sc o m p l e t e l y v 1 东北农业大学工学礤士学位论文 t h et h o c r ya n a l y s i s ，s i m u l a t i o nr u ni nl a b o r a t o r yr e s u l t sp r o v et h a tt h eo n l o a dt a p - c h a n g e r w h i c hb a s e d0 1 qa b o v et e c h n i q u e sh a sm e e tt h ed e m a n do f t h es a m ev o l t a g ec l a s sp o w e rn e t ，i tc a n a c h i e v eo f f - l o a da u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t i n gq u i c k l ya n ds t e a d i l y w h e np o w e rn e t v o l t a g e f l u c t u a t i n gr a n g ei s 1 0 t h er a n g eo f o u t p mv o l t a g ef l u c t u a t ec a nn o tm o r et h a n 5 o f r m i n g v l o t a g e t h e f l u c t u a t er a n g e o f v o l t a g er e d u c e m o r e t h a n5 a t t h es a m e t i m e i t d o e s n t g e n e r a t e h a r m o n i cp o l l u t i o na n db eh a r m l e s st oe l e c t r i cn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h ed e s i g n e dd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rw h i c he m p l o y so n - l o a da u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t i n g t a p - c h a n g e rh a sr u nf o rh a l f y e a ri nr u r a le i e c 啊c 对s y s t e m ，i tp r o v e b 鞠n y ，r e l i a b l e ，g o o dr e s u l ti n s t a b i l i z ev o l t a g ea u t o m a t i c a l l y k e y w o r d s o n - l o a da u t o m a t i cv o l t a g er e g u l a t i n g ：p o w e re l e c t r o n i c s = s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ： d i s t r i b u t i o nt r a n s f b r m e r c a n d i d a t e = y a n gx i a n g u a n g s p e c i a l i t y = e l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o no fa g r i c u l t u r e s u p e r v i s o r ：p r o f z h a oy u l i n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 l 连! 翅亟直基丝盏垂挂型壹蛆盥：奎拦互窒或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：移删日期睁多月扩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) l 学位论文作者签名：邛乃f 硌圳 日期：别年声月p 同 导师签名：赵五林 胁岬年多月汐r 1 引言 1 1 研究的目的和意义 我国电网经过几十年的建设已经颇具规模，但总体而言结构还是较为薄弱，加上装机容 量不足，负荷高峰时段电力系统往往处于零备用运行状态，电网安全受到极人威胁。与之相 对的是随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，用户对电能质量以及供电可靠性 提出了更高的要求，尤其是近几年，信息技术飞速发展，信息社会对供电质量提出了新的挑 战 周立红，2 0 0 4 ) 。如何在现有电网结构的基础上尽量避免故障，保证供给用户可靠和合 乎标准的电能确保用户电气设备的安全经济运行已成为急需解决的课题。 从1 9 9 6 年到2 0 0 4 年，我国变压器产量增长了3 5 倍，年递增率为1 6 9 。2 0 0 0 年。 1 0 k v 6 3 0 0 k v a 及以_ f 等级变压器产量为3 0 万台。容量为4 1 7 7 8 万k v a ，3 5 k v 6 3 0 0 k v a 及 以下等级为7 8 2 1 台，容量为9 3 1 6 万k v a ( 李东等，2 0 0 3 ) 。根据国家电网公司“十一无” 电网规划及2 0 2 0 年远景目标报告，“十一五”期间，国家电网公司将新增变电容壁3 亿k v a 。 预计到2 0 0 8 年变压器行业的年需求量为3 6 4 亿k v a ( 孙焦德，2 0 0 6 ) 。冈此，配电变压 器的远行可靠性、产品技术性能与经济指标都直接影响着国家的经济建设与城乡居k 及企事 业单值的供电安全。 电压的稳定性是衡量电能质量的最重要的技术指标之一，电压波动直接影响着l ：农业生 产和人民生活的正常运行。为了稳定系统电压，最有效的方法是采j = | j 有载自动调压技术，即 从变压器某一侧的线圈中引出若干分接头，通过有载分接开关，在不切断负荷电流的情况下， 由一分接头切换到另一分接头，以变换有效匝数，达到调节电压的目的。 目前9 0 以上的变压器都装设有载分接开关，而使用的分接开关都是传统机械触头式 的。由于其自身复杂的机械构件和电动部件。在分接开关有载切换时产生电弧，引起触点烧 蚀以及变压器油质f 降，长期运行将影响变压器绝缘特性。另外，面对冲击性的扰动负荷， 以机械开关进行有载调压，其响应速度和可控性无法达到要求，对于快速变化的冲击负荷引 起的电乐波动就失去了作用。因此有载调压的无弧化不仅是调压设备安全远行的保证，也是 系统稳定、快速稳压的需要( 朱应浩，2 0 0 3 ) 。 电弧的存在使结构设计复杂化，可靠性降低。若能实现切换过程中无弧，那么对触头的 设计要求就可以降低，不必在有载分接开关内填充熄弧介质，也不需要复杂的切换开笑。由 于无弧，触头切换的速度就可降低，传动机构也可随之简化，有载分接开关的体积和重量也 将降低。所以，无弧有载分接开关有可能真正成为一个安装于变压器体外的独立配件( 赵刚 等，2 0 0 4 ) ，而且体积小，重量轻，安装检修很便利。 目前，国内外有载调压装置机构主要应用于电力变压器与大型变电所的主变中，而且大 都采用机械式有触点自动分接开关。这种开关传动复杂，造价高，且不能频繁操作。如果将 其应用在配电变压器中，增加的成本将大大超过配电变压器本身的价格，因此配电变压器目 东北农业人学t 学坝l ：学位论文 前都使用无载( 或称无励磁) 调压分接开关，这一方法有几个弊端：一是需要一定的停电时间 来作调整干扰了正常生产，减少了供电量：二是调整次数受限制，仅能作阶段性或季节性 调整，不能经常进行，对每天电量峰谷变化所引起的电压波动，处于无可奈何的状态；二是 经常操作无励磁凋压分接开关，密封件易受损造成漏油。由丁配电变压器容j 荤 小，等效电阻 人，在负载波动时，输出电压波动较人。因此，为稳定电压，需在不停电的情况卜，频繁调 节高压侧绕组的匝数。但鉴于机械式有触点分接开关由于造价和不适丁频繁调节等原闪，不 适丁配电变压器( 黄俊杰等，2 0 0 3 ) 。 综上所述，如果在配电变压器上进行有载调压就必须突破传统的有载调压模式，研制新 型的有载自动调压分接开关。 随着电力电子技术的快速发展新型电力电子元什的不断出现，人”j 一直在试图利h j 电 力电子元件的易丁控制和通断时间短的优点，制造能在负载不停电的情况f 快速频繁凋常 分接头的有载分接开关( 赵贺。2 0 0 1 ) 。于是提出了复合式分接开关( 即机械电子混合式) ， 也称可控硅辅助换接式和全电子式分接开关。混合式分接开关虽然在电压调节中阻l p 了电弧 的产生，提高了安全可靠性，但是由于仍然存在机械动作，因此不能频繁操作。而全电子式 无机械运动部件，切换速度快，可瞬时响应。频繁切换，因而现在很多厂家都积极开发研制 这种分接开关( 陈敬佳等，2 0 0 1 ) 。 目前国内的研究主要是应用电压过零导通、电流过零关断的同态继电器作为无触点开 关这种开关由丁：采用集成1 ：艺制造，所以体积小、造价经济，且稳定性能不错，闪此受到 ，“泛关注。 电力电子刑无触点有载自动调压分接开荧是实现现代化生产的必然要求适合府用丁，1 农业生产、生活用电的配电系统，具有重丈的现实意义。 1 2 国内外发展现状 1 2 i 国内发展现状 目前国内配电变压器主要有两种形式：无载( 无励磁) 调压变压器和有载调压变压器( 姚 志松等，2 0 0 3 ) 。 1 ) 无载调压变压器。对于常规无励磁调压2 x 2 5 范围的1 l o k v 变压器基本采用高 压绕组抽头结构，丽对于超过此调压范围的1 l o k v 级及以上的产品，通常单独设立调压绕组， 以获得好的安匝平衡，减少轴向短路力。这种变压器的优点是造价低， 作可靠：但当改变 分接头时，必须停电，且必须测量接触电阻所以分接开关很少调节。这种情况一f ，无论分 接开关所处何档位当负荷波动较大时，变压器输出电压的波动范用都超出国家标准要求的 供电变化范围5 u 。现今针对大型电力变压器无载调压装置改进为有载调乐有了 一定的理论分析与实验成果。但电压等级较低的无载调压变压器，由丁自身的设计以及电力 网中的应用地位，目前仍处于研究阶段。因此发展有载自动调压变压器已成为电力系统研究 的趋势之一 2 弓i葺 2 ) 有载调压变压器。目前。我国有1 0 k v ，s z 7 和s z 9 两个系列的有载调压配电变压器， 它们主要用丁对电压质角要求较高的配电系统中。这种配电变压器的优点是能提供较稳定的 输出电压。缺点是造价高，不适于频繁调节。有载调压分接开关是有载调压变压器的核心部 件，也是研究有载调压的核心之一。 1 9 5 3 年上海电机厂制造出3 5 k v 电压等级的5 0 0 0 k v a 有载调压交压器，1 9 5 7 年沈碑l 变 压器厂制造出i1 0 k v 电压等级3 1 5 0 0 k v a 有载调压变压器。但是，这些有载调压变压器所采 用的都是年代陈旧的电感式分接开关，经济、技术指标落后。1 9 5 8 年，沈阳变压器厂制造出 我国第一台电阻式分接开关。该产品是套管型，结构复杂，难以保证质量。1 9 7 0 年前后，上 海电力制造厂制造出3 5 k v 简易型复合式分接开关。7 0 年代初，国内组建了分接开关专业生 产骨干企业遵义长征电器一厂，并于1 9 8 4 年引进德国m l i 公司分接开关制造技术( 张德明。 2 0 0 1 ) 。 上世纪8 0 年代侨期，有触点的有载自动调压变压器进入成熟阶段。1 9 9 4 年底，我国研 制了第一台箱式直线运动的有载分接开关，从而取代了圆柱形真空有载分接开芙。1 9 9 8 年初， 采刖滚珠丝杠传动的第- r 产品研制成功，其结构是由一个执行电机驱动选择和切换机构组 成，至此，选心进口真空管的箱形有载分接开关投入市场。1 9 9 6 年，骆平申请一种变压器有 载分接开关的专利( 骆平等，2 0 0 3 ) ，用于电力变压器的有载调压，其机理是；3 个动触点 分别装设在1 个主臂和2 个辅臂上，主臂和2 个辅甓圊分剐接有双向晶闸管。切换时，两晶 闸管先后导通，与辅臂配合承担电流通路使主臂等电位切换。该技术方案切换时不发生 线圈短路和电压突降现象；等电位切换，不产生火花和电弧；结构简单、制造容易，成本低。 以上有载分接开关虽然相对于传统的设计有了质的e 跃，但是由丁| 仍存在机械传动机 构，开荚不能频繁动作，所以还有待对高性能的开关进行深入的研究。 2 0 0 0 年前后，贵州：【：业大学研制了配电变压器的晶闸管串联调压( 朱国荣等，2 0 0 2 ) 。 此调压装置完全取消机械结构，反映迅速，调节快，可频繁调节，主变压器无分接头，切换 时无电弧产生。但该方法需要辅助变压器，造价高，不便了在成本较低的配电变压器中推广。 目前国内的主流研究趋势是应用周态继电器作为无触点开关，这种开关没有机械部分的 存在，所以可以频繁操作并且没有伴随电弧的产生。配以运算速度高、可靠性高、精度高的 单片机控制技术的无触点有载自动调压配电变压器可以节省麻用空间降低制造成本，并且 有利丁：有载分接开关的检修。它的研制将会是配电变压器的另一个发展趋势 1 2 2 国外发展现状 上世纪二十年代扔，日美及欧洲的许多国家开始研制和使用有载分接( l t c ) 开关，具 体分为电阻式和电抗式丽种，但由于电抗式变压器体积大，制造成本较高，现在除美国外， 其它国家不采用这种分接开关。六十年代初，人们利用真空易于熄弧的原理将其应用于l t c 研究。真空l t c 的特点是寿命长，熄弧能力强，对介质无污染，适合大电流f 的切换，触头 基本无需维护等。 七十年代后期，一些发达国家( 例如：美国，德国) 开始研制并使用无弧有载调压装置。 s i e m e n s - - - a l l i s 公司的h a r l o w 等提出了另种基丁| 辅助线圈的有载调压变压器，实现了无弧 3 东北赦业大学t 学锁j 学位论义 操作。八十年代开始，在一些笈达国家( 如美国、德国) 进行了无弧有载调压装置的研究 ( j 1 l a r l o w ，1 9 8 2 ；g h c o o k ee ta 1 1 9 9 0 ) 。英国在1 9 9 0 年前后，设计了采用晶闸管的辅 助分流的l t c ，并不断改进完善( g h c o o k e 。1 9 9 2 ：a s m e y e re ta 1 1 9 9 9 ) 。在1 9 9 7 年， 美国的d e g e n e f fr c 提出了利用少鼙的晶闸管代替部分机械开关来进行调压的一种有载 分接开戈的新概念( r c d g e n e f f 1 9 9 7 ) 。2 0 0 3 年，f a i zj 提出了基丁词态继电器的新翟有 载调压配电变乐器的设计( j f a i z ，2 0 0 3 ) 。同年，m a i l a h n f 提出了利埘微控制器与全电 子开关相结合的种新的技术( n f m a i l a h 2 0 0 3 ) ，由此无触点开关为变乐器有载调压系统 结构的发展提出了新的方向。 随着人功率高电压电力电子元件的出现和单片机控制技术的发展，以其低廉的价格平较 高的性能，为采用无触点电子开关自动调节分接头来实现有载自动调压提供了必要的物质和 技术基础。本设计是根据我国的国情和现状，分析了国内外有载分接开关在应用中存在的优 点及缺点，借鉴其经验，采用最优方案设计了电力电子无触点有载自动调压配电变压器。 1 3 本文完成的主要任务 本课题结合黑龙江省科技厅2 0 0 5 年攻关项目“无触点自动有载凋压配电变乐器的研究” 课题，研制一种适h j 丁配电变压器的有载自动调压分接开关。这种分接开戈要f ，稗上适、 稳压性能好、可频繁调竹、可锥性能高、经济成本低、馒h j 寿命长、能安装在配电变乐器中。 它通过单片机对配电变压器- 二次侧输出电压进行监测来实现有载分接开关的自动凋压功能。 本文具体r 作如下： 1 ) 基丁二不同电力电子元件的有载调压分接开关主电路的研究与实施； 2 ) 有载自动调压分接开关启动机构的设计； 3 ) 有载自动调压分接开关控制系统的设计： 4 ) 有载自动调压分接开关耐压措施的研究； 5 ) 有载自动调压分接开关整体运行实验。 4 2 有载自动调压分接开关主电路设计方案的研究 随着电力电子技术迸一步向高频的大功率用电领域发展，电子器件也一直是沿着提高频 率和提高功率这两方面努力向前发展的，曾经用作电力开关的 导体器件一晶闸管 ( t h y d s t o r ) ，场控晶闸管( f c t ) ，门极可关断品闸管( g t o ) ，双极犁晶体管( b j t ) ，结型 场效麻管( j f e t ) ，功率双极型晶体管( g t r ) 和功率m o s f e t 等已不能完全满足生产生活 的需要( 张国俊等，2 0 0 3 ) 。 本课题设计初选用同态继电器与i g b t 两种电力电子元件作为分接开关的执行元件进行 了主电路设计，经过理论与实验分析，比较。进而选择最佳设计方案。 2 1 基于固态继电器有载自动调压分接开关的主接线方案 ( s o l i d s t a t er e l a y ，s s r ) 是用分离的电子元器件，集成电路( 或芯片) 及混台微 电路技术结合发展起来的一种具有继电器特性的无触点式电子开关，具有寿命长、可靠性高、 开关速度快、电磁干扰小、无噪声、无火花等特点( 张有义，2 0 0 3 ) 。 2 1 1 固态继电器的选择 为了确保实验中围态继电器止常一【作，应按变压器高压侧尖峰电流选择其额定电流；按 变压器的分接头之间最高电压值选择正反向耐压值；接电压输入输出波形分析谐波的影响。 实验室调试样机为1 0 x ( 1 5 ) o a k v 、s 9 _ ! i ! ! 配电变压器，其高压侧额定电流为2 8 9 a 在额定状态，高压电网电压可以达到l 1 0 0 0 v 。因此，从正常工作电流考虑可以选5 a 的同 态继电器，考虑安全裕度，一般应选2 0 a 。但是考虑到励磁涌流和承受一个周期的短路电流， 这个值偏小，4 0 a 的固态继电器较为适宜；从器件的耐压角度考虑，分接头之间最高电压为 6 3 5 0 9 v ，固态继电器作为分接开关执行机构直接连接在变压器高压绕组与中性线之间必须 能承受分接头之间的最高电压值：从谐波问题方面考虑，固态继电器的饱和导通压降小丁2 v ， 即固态继电器在电压小于2 v 时具有非线性，从而在此区间将发生波形畸变现象( 杨斌文等， 2 0 0 2 ) 。而住交流电压过零点处的+ 2 v 左右，电网电压处丁二非线性区间，虽有产生谐波的可 能，但是其值很小，影响也很小，因此完全可以忽略。 综上分析通过查询同态继电器使用手册，最终选择4 0 a 6 6 0 v 的过零型嘲态继电器。 利用其具有在控制信号作用f ，电压过零时导通；在没有控制信号作用f ，电流过零时自动 关断的特点，完成分接开关自动调压功能( 倪晶等，2 0 0 3 ) 。 5 2 1 2 主接线的设计 本方案设计采用过零型固态继电器作为有载分接开芙的执行元件，将其连接至变压器每 介绕组抽头与中性点之间。以此构成执行机构的主电路。 然而由分接头变换过程中各固态继电器的动作顺序可以看出，在变换过程中调绕组与 同态继电器将形成闭合同路( 济钧，2 0 0 2 ) ，从而在这个同路中产生环流，如果环流超过开关 允许值将造成保险丝熔断或崮态继电器损坏。环流的大小与回路的阻抗和变压器高压侧的功 率冈数e o s c p 有芙，c o s r p 越小，环流越火( 郭爱华。1 9 9 4 ) 。因此为了防止环流过大导致崩 态继电器失效，采取加入限流电阻的方法限制环流幅值。从而实现有载自动调乐分接开关在 切换过程中保证供电可靠、运行安全。执行机构的主电路接线圈如图2 - i 所示。 堡 一 可一 图2 1 执行机构主电路接线圈 f i g 2 一lt h em a i nw i r i n gd i a g r a mo f a c t u a t i n gm e c h a n i s m 图中砘为变压器一次侧电压；为变压器二次侧电压；w o 、m 、w 2 分别为分接绕组： 冗。、r ，、墨分别为a 、b 、c 三相的限流电阻。 执行机构通过单片机控制系统的监测单元对经隔离变压器降压后的二次侧c 相电压进行 电压监测。经单片机控制系统将控制信号发送至固态继电器控制端，完成有载分接开关的切 换，达到自动调压稳压功能的目的。变压器投入运行时，其有载分接开关j f 作在初始档位一 - - 1 i ，即s s r 3 导通，其它s s r 均关断，单片机自动监测变压器二二次侧输出电压u ，电压 在9 5 u 。1 0 5 u 。范围内，变压器有载分接开关档位保持不变。当u ， 1 0 5 时，有载分接开关由i i 档位切换至u i 档位。 由于在调高输出电压和调低输出电压时，产生环流的发展机理是不同的( z h a oy u l i n 。 2 0 0 6 ) 。分接头在调高输出电压( i i i n i ) 的转换过程中有过流产生。而分接头在调低输 出电压( i i ii i i ) 转换过程中无过流现象的产生。因此，有载自动调压分接开关j ：作流 6 程如图2 - 2 所示。 图2 - 2 有载自动调压流程图 f i g 2 2 t h e f l o w c h a r t o f a u t o m a t i c o l l - l o a dv o l t a g er e g u l a t i o n 2 1 3 驱动电路的设计 f i l i l 态继电器s s r 驱动单元是有载分接开关进行自动切换的信号源。虽然表面上看是电压 信号控制周态继电器s s r 。实则是电流信号驱动固态继电器s s r 。因为在固态继电器s s r 的 输入端，即控制端，一般都具有一个恒流发生器。因此，固态继电器s s r 驱动单元就必须保 证以电压信号的方式提供不低于固态继电器s s r 驱动电流最小值的电流信号，确保吲态继电 器s s r 正常工作。 针对固态继电器s s r 处于高压电路的实际情况，本驱动单元采用直流继电器( d c 5 v ) 将控制回路与固态继电器s s r 之问进行电气隔离，保证通过u l n 2 0 0 3 负逻辑驱动的固态继 电器s s r 能够安全可靠的工作，其驱动电路如图2 3 所示。 7 虽然选择的阔态继电器性能指标均满足调压分接开关的设计与试验要求，但是为了保证 运行中固态继电器能够更可靠关闭与安全开通，必须降低其关闭时两端电压的上升率d u d t 和限制开通瞬间流过闶态继电器电流的上升率击，击。通常采用在硎态继电器两端并联r c 阻窬吸收电路来达到限制d u d t 和d i d t 的目的。r c 阻容吸收电路的参数与变压器的容量 和州态继电器的特性有关。可以参照可控硅的吸收电路参数选取，如表2 1 所示。 表2 一l 喇态继电器阻容吸收电路经验数据 t a b 2 1e x p e r i e m i a l d a t a o fs o l i d s t a t er e l a yr e s i s t a n c e c a p a c i t a n c ea b s o r b i n gc i r c u i t 电容耐压取固态继电器额定电压的2 5 倍以上，电阻功率按下式选取( 莫止康，1 9 8 5 ) p = u 忽l o 。w ( 2 1 ) 式2 - 1 中，。为电阻两端 作电压峰值。 根据上述选择要求，本设计的试验样机选取c = 0 2 妒，额定电压为1 5 0 0 v 的无极性电 容；电阻选取r = 4 0 q ，额定功率为5 0 w 的碳膜电阻。 2 2 基于i g b t 有载自动调压分接开关的主接线方案 绝缘栅双极型晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 是一种新型的电力半导体 器件现已成为电力电子领域的新一代主流产品。其一方面保留了功率m o s 高速化的特点 另一方面又引入了一个双极型晶体管注入载流子来调制电导，解决了m o s 管的高耐压与低 导通电阻之问的矛盾，是种高频率、高功率器件( 华伟，2 0 0 1 ) 。 s i g b t 既有m o s f e t 的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单，开关速度高的优点 又具有双极功率晶体管的电流密度大，饱和压降低、电流处理能力强的优点。其三人特点就 是高压、大电流、高速，这是其它功率器件不能比拟的。因此，1 g b t 已成为电力电子领域 非常理想的开芙器件。 2 2 1i g b t 的选择 由前文可知，分接头之间最高电压= 1 1 0 0 0 x ( 5 + 一5 0 0 1 ) 压6 3 5 v 。 = u d x 1 5 x 仃= 6 3 5 x 1 5 x 1 1 = 1 0 4 7 7 5 v 式中：p 岛为i g b t 芙断时峰值电压；1 5 为过电压保护程度系数；口为安全系数，取 考虑安全运行裕度，i g b t 的额定电压p 0 大于，因此选择1 2 0 0 v 等级的i g b t 。 同时该变压器高压僦额定电流为2 s 9 a 。考虑安全裕度及励磁涌流和短路电流的冲击， i g b t 的额定电流选择为6 0 a 。最终选择富士电机出品的i m b h 6 0 1 2 0 0 型i g b t 作为有载分 接开关器件。 2 2 2 主接线的设计 在本课题的设计中，有载分接开关应能够保证在不影响负载【：作的前提f 进行分接头切 换的过程，以达到根据负载电流的变化调整变压器l ：作绕组匝数，从而实现臼动稳定有载调 压的目的( 吕艳玲等，2 0 0 3 ) 。 i g b t 交流动态开关是以i g b t 为核心实现的电力电子开关。由于i g b t 是电压驱动器件， 故其基本1 作原理是当栅极加上正控电压时，阳极电流导通；当栅极加上零电压时，辫| 极电 流断开( 刘福斌等。1 9 9 9 ) 。由于其自身的单岛导电特性，故在开关形式的选择上采蹦嘏| g b t 反并联的形式。其开关形式如图2 _ 4 所示。 叫：卜 图2 - 4i g b t 交流动态开关形式 f i g 2 - 4t h es h a p eo f d y n a m i ca c s w i t c ha d o p t i n gi g b t 9 东北农业大学工学硕上学位论文 目前的有载调压分接开关在改变分接头过程中，都是先将过渡电阻串入变换同路屙再进 行分接头的切换，这种方法好处是限制了切换过稃中的环流但过渡电阻太小容易产生过流 过人易产生电压波动，且容易动作失误，是发生故障的土要环话( z h a oy u li n 。2 0 0 4 ) 。本 文拟利川i g b t 的可控关断特性对分接头实现直接变换。 u w o i w l i i w 2 i i i 矾 图2 - 5 应用i g b t 为分接开关的主电路图 f i g 2 - 5 t h e w i r i n gd i a g r a mo f m a i nc i r c u i t a d o p t i n g i g b t a s t a p c h a n g e rs w i t c h 针对1 0 k v 0 4 k v 的5 0 k v a 容量的s 9 型配电变压器的一次侧，根据电压9 5 u 。、u 。、 1 0 5 u 。从a 、b 、c 三相绕组中各引出三组分接头。分别记为i 、i i 、i 。其各个分接头 与i g b t 交流动态开关串联，接于变压器的中性点。通过隔离变压器监测电压，传送至单片 机控制系统，经过单片机控制系统输出的命令来控制i g b t 的通断。其执行机构的主电路如 图2 - 5 所示。 变压器启动后，有载臼动调压分接开笑f ：作在u 。( i i ) ，此时1 2 1 ( 1 2 2 ) 处丁导通， 其余i g b t 都芙断。单片机控制系统根据检测到的隔离变压器一次侧电压【t 进行分接头的切 换，即控制分接开关的通断。当电压在( 9 5 1 0 5 ) u 。范围内波动时，不予以考虑，单 片机不输出任何指令；在电压超过此范围时，分接开关由单片机发出的正负控制脉冲控制相 应的有载分接开关进行自动切换工作，实现直接切换，取消了过渡电阻和过渡有载分接开关， 其具体t 作流程如图2 - 6 所示。 2 2 3 驱动电路的设计 随着i g b t 工艺的不断发展，其驱动电路也在不断地发展。由最初的分立元件组成的驱 动电路发展到现今专用的集成驱动电路。由于i g b t 自身的特性决定，在其触发或芙断时要 l o 在栅极与基极之间施加正向电压或反向电压( 王水平等，1 9 9 7 ) 。因此，设计合理有效的驱动 电路是十分必要的。 n y y 图2 - 6 有载分接开关j ：作流程图 f i g 2 - 6t h ew o r k i n gf l o wc h a r o f o n - l o a dt a p - c h a n g e r 理想的驱动电路应具有以下基本功能： i ) 要求驱动电路为 g b t 提供一定幅值的正反向栅极电压，。，。驱动电路的止向偏压一 般不允许超过+ 2 0 v ；反向栅极电压必须在- - 5 v - - 1 5 v 。 2 ) 要求驱动电路具有隔离的输入、输出信号功能，同时要求在驱动电路内部