（农业电气化与自动化专业论文）无触点有载自动调压配电变压器的研究.pdf

摘要 目前电网电压特别是农村电网电压随负荷的波动输出电压变化幅度较大，经常发生波动 范围超出允许值的情况，给电器设备和人们的生活带来严重的危害为了保证电力用户的供 电可靠性，降低电压波动带来的经济损失，应采用具有一定稳压功能的配电变压器供电。 本课题研究的是一种具有自动稳定输出电压功能的配电变压器。该变压器由无触点有载 自动调压分接开关和变压器本体弧大部分组成。变压器本体采用现在广泛使用的节能配电变 压器，分接开关则采用过零型固态继电器( s s r ) 为执行机构，配以单片机控制技术，通过 检测配电变压器二次侧电压，自动进行开关的变换，实现有载自动调压。固态继电器直接连 接在配电变压器高压绕组与中性点之间，采用过渡电阻限制分接头变换回路的环流值；变压 器二次侧电压经隔离降压变压器分成测量信号、同步信号及电源信号传送到控制器中，当单 片机接收到测量电压超出安全范围信号时，检测同步信号，在电压过零点给s s r 驱动电路触 发信号，调节分接开关的工作状态，自动改变变压器工作分接头，达到控制变压器= 次侧电 压基本稳定的目的。 理论分析和实验室实验及运行结果表明：基于上述技术的无触点有载自动调压配电变压 器样机可以适用于动力和生活负荷，可以在高寒地区的严冬可靠运行；饱和压降低于2 v 的 电力电子元件作为变压器高压侧分接开关，不产生谐波污染；分接头的变换顺序不同，环流 发展机理也不同；当电网电压波动和( 或) 负荷变化时，具有一定的稳压功能：当电网电压 在4 - 1 0 u 。，波动时，输出电压波动范围不超过5 u 。，使波动范围下降1 0 个百分点 本配电变压器采用易于实现计算机控制的过零型固态继电器为分按开关主体器件，控制 器则选用性价比较高的a t 8 9 c 5 2 单片机，能够实现快速、稳定的自动有载调压功能，且成本 较低，适合一切低压电力用户供电，市场前景广阔。 在此结构简单、造价低廉的无触点自动有载调压配电变压器的基础上，为了进一步提高 工作可靠性，针对固态继电器电压过零导通、电流过零关断的控制复杂问题，进行了采用大 功率全控器件i g b t 为分接开关的改进性研究，执行机构主电路采用两个i g b t 反并联方式 直接连接在变压器高压绕组与中性点之间，开关器件的导通与关断全部由单片机控制，简化 了控制方式，稳定性有所提高，在本课题中进行了开关器件选择及控制器硬件设计。 关键词：自动有载调压；固态继电器；单片机；l g b t v r e s e a r c ho nn o n c o n t a c to nl o a da u t o m a t i c v o l t a g e r e g u l a t i n gd i s t r i b u t i n gt r a n s f o r m e r a b s t r a c t t h ep o w e rn e t w o r kv o l t a g e , e s p e c i a l l yt h er u r a lp o w e rn e t w o r kv o l t a g e ，i sf l u c t u a t e sw h e nt h e l o a dc h a n g e s a n dt h ef l u c t u a t el a t i t u d ea l w a y se x c e e d sa c c e p t e dv a l u e i ti sh a r mt ot h ee l e c t r i c d e v i c ea n dp e o p l e sl i f e f o rg u a r a n t e e i n gt h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ya n dd e c r e a s i n gt h e e c o n o m i cl o s sc a u s e db yv o l t a g ef l u c t u a t i o n , t h ed i s t r i b u t i n gt r a n s f o r m e rw i t ha u t o m a t i cv o l t a g e s t a b i l i z i n gf u n c t i o ns h o u l db ea d o p t e dt os u p p l yp o w e r t h et h e s i sr e s e a r c h e sak i n do ft r a n s f o r m e rw h i c hr e g u l a t e sa u t o m a t i c a l l yt os t a b i l i z eo u t p u t v o l t a g ei nd i s t r i b u t i n gp o w e rn e t w o r lt h et r a n s f o r m e ri sc o m p o s e db yt h en o n - c o n t a c to nl 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 gt a ps w i t c ha n dt r a n s f o r m e ri t s e l f t r a n s f o r m e ri t s e l fi st h ee n e r g y s a v i n gd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rw h i c hi su s e dw i d e l y t a ps w i t c ha d o p t ss o l i ds t a t er e l a y s ( s s r s ) a s o p e r a t i n gu n i lc o m b i n i n gm o n o l i t h i cp r o c e s s o rc o n t r o lt e c h n i q u e ，b yd e t e c t i n gt h es e c o n d a r ys i d e v o l t a g eo f t h et r a n s f o r m e r , c h a n g i n gt h es w i t c ha u t o m a t i c a l l y , i tr e a l i z e so nl o a da u t o m a t i cv o l t a g e r e g u l a t i n g t h es o l i ds t a t er e l a y sa r ec o n n e c t e db c t w o o np r i m a r ys i d ew i n d i n g sa n dn e u t r a ll i n eo f t r a n s f o r m e r i ta d o p t st r a n s i t i o nr e s i s t a n c et os u p p r e s st h ec i r c u l a rc u r r e n tw h i c hi so c e u r r e x li nt h e p r o c e s so fr e g u l a t i n gw i n d i n g s t h es e c o n d a r ys i d ev o l t a g ei sd i v i d e di n t om e a s u r i n gs i g n a l ， s y n c h r o n i z i n gs i g n a la n dp o w e rs u p p l ys i g n a lb yt h ei s o l a t i n gt r a n s f o r m e r , t h e ni st r a n s m i t t e dt o t h ec o n t r o l l e r i f t h em e a s u r i n gs i g n a l “c e e d sp e r m i t t e dr a n g e t h em o n o l i t h i cp r o c e s s o rd e t e c t st h e s y n c h r o n i z i n gs i g n a la n ds e n d st r i g g e r i n gs i g n a lt ot h es s r sd r i v i n g c i r c u i ta t v o l t a g e z e r o - e r o s s i n gp o i n tt or e g u l a t et h eo p e r a t i n gs t a t eo f t h et a ps w i t c h e sa n dc h a n g et h eo p e r a t i n gt a p j o i n t so ft r a n s f o r m e ra u t o m a t i c a l l y c o n s e q u e n t l y , i ts t a b i l i z e st h es e c o n d a r ys i d ev o l t a g e o f t r a n s f o r m e r t h et h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l tp r o v et h a tt h en o n c o n t a c to nl o a da u t o m a t i c v o l t a g er e g u l a t i n gd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rp r o t o t y p eb a s e do na b o v e - m e n t i o n e dt e c h n o l o g yc a n a p p l yt op o w e ra n dl i f el o a d i t r u l lr e l i a b l yi nt h ev e r yc o l da r e a w h e na d o p t i n gt h ee l e c t r i c p o w e r a n de l e c t r o nc o m p o n e n tw h o s es a t u r a t i o np r e s s u r ei su n d e r2 va st h eh i 【g l lp r e s s u r es i d et a p s w i t c h ，i td o e s n tg e n e r a t eh a r m o n i cp o l l u t i o n c h a n g i n go r d e ro f t h et a pi sd i f f e r e n t , t h ed e v e l o p i n g m e c h a n i s mo ft h ec i r c u m f l u e n c ei sd i f f e r e n t w h e np o w e rn e t w o r kv o l t a g ef l u c t u a t i n ga n dl o a d c h a n g i n g , i th a st h ev o l t a g es t a b i l i z a t i o nf u n c t i o n w h e nt h ep o w e rn e t w o r kv o l t a g ef l u c t u a t i n g b e t w 啪i o * au n l ，m co u t p u tv o l t a g ef l u c t u a t i n gl a t i t u d ed o e sn o te x c e e d 5 u n 2 ，i t m a k e st h a tt h ef l u c t u a t i n gl a t i t u d ed e c l i n e st e np e r c e n t a g ep o i n t s v l t h i sd i s t r i b u t i n gt r a n s f o r m e ra d o p t sz e r oc r o s s i n gt y p es o l i d - s t a t er e l a y sa st h em a i nb o d yo f t h es w i t c h ，w h i c hc _ h lc o n t r o l l e db yt h ec m p a t e re a s i l y t h ea t 8 9 c 5 2s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r i sc h o s e n c o n t r o l l e r , w h i c hi se c o n o m i ca n dp r a c t i c a l i tc a na u t o m a t i co nl o a dv o r a g er e g u l a t e f a s ta n ds t a b l y t h ec o s ti sl o w e r i ta d a p t st ot h et r a n s f o r m e rt h a tu s e di nt h el o wv o l t a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h ef o r e g r o u n di se x t e n s i v e b a s e do nt h en o r - c o n t a c to nl 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 gd i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rw h i c h t h es t r u c t u r ei ss i m p l ea n dt h ep r i c ei sl o w , t h i st h e w sa d o p t sh i g hp o w e ra l lc o n t r o l l e dd e v i c ei g b t a st a pc h a n g i n gs w i t c ht oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y , a i m i n ga ts o l v i n gt h ec o m p l e xc o n t r o l l n g p r o b l e mt h a tt h es s l hi so ni f v o l t a g ec r o s s e sz e r oa n di so f f i f c u r r e n to o s s o sz e r o t h eo p e r a t i n g u n i tm a i nc i r c u i ta d o p t st w oi g b tw h i e l l 黜i n v e r s ep a r a l l e l e db e t w e e nt r a n s f o r m e r sp r i m a r y w i n d i n ga n dn e u t r a lp o i n t o n - o f fs w i t c hu n i ti sc o n t r o l l e db ym o n o l i t h i cp l o c e s s o rt os i m p l et h e c o n t r o lm o d ea n di m p r o v et h es t a b i l i t y t h es w i s hc o m p o n e n ti ss e l e c t e da n dt h ec o n t r o l l e r h a r d w a r ei sd e s i g n e di nt h ep r o j e c t k e yw o r d s ：a u t o m a t i co nl o a dv o l t a g er e g u l a t i n g ；s o l i d - s t a t er e l a y ；s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r , i g b t c a n d i d a t e ：y a ox i n 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 f a g r i c u l t u r c s u p e r v i s o r ：p r o f z h a oy u l i n v l i 研究生学位论文独创声明和使用授权书 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 注；翅翌直基丝置噩缱型直盟数：查拦亘窒2 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：劲苎仅日期：伽绰绢夕日 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) 学位论文作者签名：桃自匙日期：。细。6 年占月尸e l 导师 签名：卷三局孓日期：扣形年6 月7 日 1 引言 1 1 研究的目的和意义 随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，电能质量的优劣直接影响着生产、生 活的正常运作，因此，提高电能质量是电力部门需要刻不容缓解决的闷题。在频率、电压及 波形三种衡量电能质量的标准中，电压稳定性是最重要的技术指标根据电力部门的测试， 在配电部分的市电电压不稳定性问题主要有以下几种： 1 输出电压有效值高于额定值1 1 0 ，持续时闻长达一个周期到数个周期的电涌： 2 峰值达6 0 0 0 v ，持续时间长达万分之一秒至二分之一周期的高压尖脉冲： 3 电压有效值介于额定值的8 0 8 5 ，持续时间长达一个周期到数个周期的电压下 陷； 4 电压有效值低于额定值，持续较长时间的持续低电压等( 刘风君，2 0 0 5 ) 这些问题对电力用户的生活生产造成严重干扰和破坏为了稳定系统电压，最有效的方 法是采用有载自动调压技术，也即通过变压器有载自动调压分接开关根据变压器的输出电压 自动改变变压器一次侧的分接头来调整二次侧输出电压，达到快速、不中断地进行变压器绕 组调节变换，及时有效的解决电压的稳定性问题( 哈比尔d 斯德特，2 0 0 1 ) 。 有载调压变压器的主要组成部分是有载分接开关，其作用是：在带有负荷的情况下，选 择变压器的分接头，调节变压器输出电压，满足用户对电压的要求( 丁保凯，2 0 0 2 ) 。目前 9 0 以上的变电所主变都装有有载分接开关。而使用的分接开关都是机械触头式的，调节速 度慢。不能频繁操作，冲击电流大，且切换过程中伴随有电弧出现，易烧毁触头，所以分接 开关在使用中经常会出现故障( x t i a n ，1 9 9 6 ) 。据调查，在1 9 9 0 到1 9 9 4 年间，有载分接开 关的故障占变压器故障的1 7 5 ，最高达2 2 以上。主要原因是内部连接器松动，材料强度 差，触头接触不良甚至脱落，操作机构及限位开关失灵等( 张明文，1 9 9 2 ；赵静等，1 9 9 8 ) 。 这些问题致使用户不能频繁操作，甚至不敢有载调压( 凌愍等，1 9 9 6 ) 。 为了更好的完善和改进有载调压变压器的结构和工作性能，随着电力电子技术的快速发 展，新型电力电子元件的不断出现，利用电力电子元件的易于控制和开断与导通时间短的优 点，制造能在负载不停电的情况下，快速频繁调节自动分接开关，改变变压器分接头的自动 调压方式是有载调压技术发展的必然趋势，也是稳定变压器输出电压，提高电能质量的切实 有效的方法( 陈敬佳等，2 0 0 1 ) 。 配电变压器的无触点自动调压的意义体现在以下三个方面： 1 保证电压质量。采用自动稳压设备能获得稳定优质的电压，而处于稳定额定值的电压 能使供电设备正常工作。电压偏移过大将影响工农业生产的质量和产量，甚至损害设备。例 如电压太低，变压器出力将低于额定值；而电压太高会使变压器产生过励磁空载涌流增大， 差动继电器误动作，断路器跳闸。当电动机在电压降低1 0 0 时，起动和最大转矩下降1 9 ， 转差率增大2 3 ，温升上升7 ；当电容器电压降低1 0 时，无功降低1 9 ：当白炽灯电压 增加1 0 ，寿命将降低7 0 0 4 ，气体放电灯寿命将降低2 0 0 0 ，因此保证电压质量是很重要的 ( 变压器手册编写组，1 9 9 0 ) 2 联络电网和调节负载潮流。联络电网可提高供电可靠性和系统经济性，而电网并列条 件之一是：必须调节电压使之相等或接近。而系统中的无功潮流总是从电压较高端流向电压 较低端，这样调节电压可以调节负载潮流，挖掘设备有功和无功潜力。 3 节约用电和减少设备事故。电压的稳定性提高了，对设备的冲击和干扰力度降低，可 以提高电力设备的安全性及用户设备的使用寿命；电压波动减少，电量的损耗降低，达到解 决用电的效果 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国内发展现状 目前国内变压器主要有两种型式：无载( 无励磁) 调压变压器和有载调压变压器 1 ，无载调压变压器：在高压绕组首端或中性点处设有5 或- - + 2 x 2 5 抽头，通过无载 调压开关确定变压器高压绕组与电源或中性点相连的分接头，从而调节变压器低压侧的电压 ( 陈敢峰等。2 0 0 2 ) 这种变压器的优点是造价低，工作可靠：但当改变分接头时，必须停 电，且必须测量接触电阻，所以分接头很少调节这种情况下，无论分接头开关在哪一档， 当负荷波动较大时，变压器输出电压的波动范围都接近5 以，调节范围过小。所以必须 发展有载自动调压变压器。 2 有载调压变压器：目前，我国在l o k v 配电系统中，主要有$ z 7 和s z 9 两个系列的有 载调压配电变压器，它们主要用于对电压质量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，且检测困难( 阮国方，1 9 9 8 ) 。 为了提高供电可靠性，有载自动调压变压器是有载调压发展的一个必然趋势。 2 0 世纪6 0 年代，我国开始进行自动调压变压器的研究( 冯仲民，2 0 0 4 ) 。到8 0 年代后 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。黑龙江双城市机电技术开发有 限公司，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关。 随后，该厂设计研制了第二代产品，采用滚珠丝杠传动，由一个执行电机驱动选择和切换机 构，选用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，用于电力变压器的有载调压( 骆平等，2 0 0 3 ) ，其机理是：利用晶闸管辅助机 械开关进行变压器分接绕组的变换，实现稳定电压的功能。切换时，两晶闸管先后导通，与 辅助桥臂配合使用，承担电流通路，使主臂等电位切换。切换过程完毕后，仍为主臂机械开 关工作。此种方式在切换时不发生线圈短路和电压突降现象；由于采用等电位切换方式，因 此没有火花和电弧产生；结构简单、制造容易、成本低( 万凯等，2 0 0 2 ) 一以上有载分接开关虽然相对于传统的设计有了质的飞跃，但是由于仍存在机械传动机一 构，开关不能频繁动作，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，贵州工业大学研制了配电变压器的晶闸管串联调压装置此调压装置完全 取消机械结构，反应迅速，调节快，可频繁调节，分接头动作由辅助变压器来完成，主变压 2 引言 器无分接头变换，切换时无电弧产生( 姚志松，2 0 0 3 ) 由于该方法需要辅助变压器，造价 高，因此不便于在成本较低的配电变压器中推广。 随着大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，以其低廉的价格和较 高的性能。为采用无触点电子开关自动调节分接头来实现自动调压提供了必要的物质和技术 基础( 毛申建，1 9 9 8 ；陈敬佳等，2 0 0 2 1 黄俊杰等，2 0 0 3 ) 目前国内研究的趋势是应用双 向晶闸管类器件作为无触点分接开关来实现自动调节变压器绕组，稳定输出电压的调压方 法此种调压方式以固态继电器为调压装置的执行机构，以单片机技术为控制器核心，通过 采集变压器二次侧电压与系统设置的基准值比较，控制分接开关工作状态，实现整个调压装 置的自动工作过程。整个调压系统中没有机械部分的存在，可频繁操作且没有电弧产生，控 制方式简单实用，稳定性和可靠性高，且造价低廉，将会成为配电变压器有载调压技术发展 的新方向。 1 2 2 国外发展现状 二十年代初，日美及欧洲的许多国家开始研制和使用有载分接开关( l t c ) ，当时l t c 的容量较小，限流元件有电抗器和电阻两种，其中美国主要以电抗器为主，但随着l t c 的容 量增大，使用电抗器己不经济，因而逐渐被电阻限流的l t c 代替( 王福兴，1 9 9 7 ) 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 的研究中。真空l t c 的特点是寿命长， 熄弧能力强。对介质无污染，适合大电流下的切换，触头基本无需维护等随后美国学者 h o u c h r l 等人在7 0 年代末开始将大功率、高电压的电力电子开关技术应用于电力系统，在 1 9 7 5 年电力装置与系统上发表了研究成果，并介绍了无触点开关装置在美国内拉斯加州 鹾部电网电压调整中的应用。德国西门子公司1 9 7 9 年在同一杂志上发表了无电弧有载调压 装置( 无触点的电力电子器件与有触头开关配合使用) 的论文，开创了使用晶闸管辅助开关 设计分接开关的先河。八十年代开始在一些发达国家( 例如：美国、德国) 使用无弧有载调 压装置( j h a r l o w ，1 9 8 2 ；g h c o o k ee ta l ，1 9 9 0 ) 英国在1 9 9 0 年前后，设计了采用晶闸 管辅助分流的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 r e t a l ，1 9 9 9 ) 。在1 9 9 7 年，美国的d e g e n e f f r c 提出了利用少量的晶闸管代替部分机械开关来进行调压的一个固态 有载分接开关的新概念( r c d e g e n e f f , 1 9 9 7 ) 。因此目前，国外研制的新型无弧有载分接开关 大部分采用的是机械触头与晶闸管结合使用，在切换瞬间晶闸管投入使触头处于无弧状态， 然后切换机械触头，当切换完毕后晶闸管退出，但是此装置仍使用机械通流，所以还存在一 定的弊端( z h ug u o r o n g ，2 0 0 2 ) 而晶闸管和微机组成的无触点开关使用过程中没有可动部 分，也就没有机械磨损，延长了变压器的使用寿命，加快了响应速度，每次分接头的调节都 在电流过零的时候发生，消除了电弧产生的根源( v p t h o m l e ye ta l ，2 0 0 1 ：g a od a w e ie ta l ， 2 0 0 2 ) 。在2 0 0 3 年m a i l a h n f 提出了利用微控制器与全电子开关相结合的一种新的技术( n f m a i l a he la l ，2 0 0 3 ) ，因此无触点开关的提出为变压器有载调压系统结构的发展提出了新的方 向。 本课题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问题和缺 点，为了更加完善自动调压功能而进行的无触点有载自动调压配电变压器新方案的设计 3 1 3 本文完成的主要任务 针对目前有载调压配电变压器存在的问题，本课题拟研制一种能够稳定3 8 0 2 2 0 v 的低 压配电系统的配电变压器。这种配电变压器主体采用现在的节能配电变压器，配以无触点分 接开关。该开关的通断状态由单片机根据检测到的配电变压器输出电压所决定。因此本文的 主要任务是研制一种工程上适用，可以频繁调节，造价低，自动稳压性好，可靠性高，寿命 长，对变压器油没有影响和现有变压器结构基本不变的有载自动调压分接开关，具体工作： 1 基于固态继电器的有载自动调压机理的研究； 2 有载分接开关主电路设计及其参数的选择； 3 有载自动调压分接开关控制器电路设计； 4 有载自动调压分接开关控制器软件设计； 5 有载自动调压配电变压器样机的实验研究； 6 有载分接开关改进性研究。 ”1w “ 一 tof# ，”t一，“= * w | h _ 4 以固态继电器为分接开关的主电路设计 2 以固态继电器为分接开关的主电路设计 本课题进行的是无触点有载自动调压配电变压器的设计，实现机理为通过检测变压器输 出电压的变化，由控制器控制分接开关的工作状态，达到调节变压器工作绕组匝数的目的， 从而实现自动稳定变压器输出电压的效果。 在此设计中，拟用双向晶闸管或固态继电器为分接开关器件( c a s m i t he t a l ，2 0 0 2 ) ， 试验变压器采用容量为5 0 k v a 的1 0 ( 1 5 ) 0 4 k v 、s 9 型配电变压器，通过实验室模 拟调试验证方案的可行性和存在的问题，选择合理的分接开关主电路设计。 2 1 执行机构主电路设计 在本课题的设计中，有载分接开关应能够保证在负载电流连续的情况下进行变换分接， 达到调节输出电压的目的。因此就需要一个能带电切换，而且又能保证负载电流连续的切换 开关。具体要求如下： 1 在变换分接开关位置的过程中，保证电流是连续的； 2 在切换过程中，保证不发生分接头承受过高电压情况； 3 在启动切换后，保证二次侧电压输出接近额定值，甚至达到额定值。 在满足以上要求的基础上，选择了过零型固态继电器( s o l i ds m mr e l a y ，缩写s s r ) 作 为分接开关的执行部分( 吕艳玲等，2 0 0 3 = 倪晶等，2 0 0 3 ) ，并以其直接连接在每个变压器绕 组抽头与中性点之间的形式设计主电路，通过控制s s r 工作状态完成变压器绕组的自动变 换，达到稳定输出电压的目的这种开关具有在控制信号作用下，当交流电压过零时导通， 撤消控制信号后，只有在交流电流过零时才能自然关断的特点。以s s r 为分接开关的执行机 构主电路接线方式如图2 - 1 所示。 图2 - 1 执行机构主电路接线图 f i g 2 - 1t h ew i r i n gd i a g r a mo f t h eo p e r a t i n gu n i tm a i nc i r c u i t 5 东北农业大学工学硕士学位论文 图中单片机监控系统的功能是检测配电变压器低压侧的电压，根据采集的电压自动发出 改变s s r 工作的控制信号，进而达到稳定低压侧电压的目的。 上电后，变压器工作在u n ( 1 i ) 档位，s s r 2 导通，其余s s r 都关闭，单片机白动检 测变压器低压侧输出电压，当电压在( 9 7 1 0 3 ) u n 范围波动时，变压器工作分接头不变。 如有超出此安全范围则开始进行自动变换分接头工作，具体开关工作流程如图2 - 2 所示 图2 - 2 开关工作流程图 f i g 2 - 2t h ew o r k i n gf l o wc h a r to f s w i t c h 2 2固态继电器应用性能分析及选择 + 在无触点有载自动调压分接开关中，固态继电器起执行机构的作用，直接连接在变压器 高压绕组与中性点之间，器件性能的优劣直接影响着整个调压系统的稳定性及工作安全性， 因此在试验调试之前应进行固态继电器的性能分析及选择，达到最优化设计。 6 以固态继电器为分接开关的主电路设计 2 2 1 固态继电器选择 为了选择满足自动有载调压功能的固态继电器型号，应从电流、电压和谐波三方面因素 考虑。在电流方面，其额定电流应大于变压器的尖峰电流，并应能承受变压器的励磁涌流和 熔断器熔断前的短路电流。在电压方面，对地耐压应能承受工频耐压值，关断时正反向耐压 应大于本继电器承受的最高电压的1 0 。谐波方面则保证器件工作的非线性范围不能过大。 为了确保试验中圃态继电器正常工作，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：按电压输入输出波形确定谐波的影响。 1 电流选择 实验室调试样机为5 0 k v a 配电变压器，其高压侧额定电流为2 8 9 a ，从正常工作电流考 虑可以选5 a 的固态继电器，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 个周期的短路电流时，这个值偏小，因此选择4 0 a 的固态继电器。经查询固态继电器使用手 册，4 0 a 固态继电器在一个周期内允许电流为3 0 0 a ，符合分接开关的电流要求，所以合格。 2 电压选择 对于器件的耐压问题，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，因此必须能承受分接头之问的最高电压值。在本无触点有载自动调压配电变压 器中应用的是1 0 ( 1 5 ) 0 4 k v 、s 9 型配电变压器中，在额定状态，高压电网电压可以 达到1 1 0 0 0 v ，分接头之间最高电压则为1 1 0 0 0 ( 5 + l 一5 i ) 4 3 = 6 3 5 0 9 v ，通过查询 固态继电器使用手册可知，选择耐压值为6 6 0 v 的固态继电器就可满足分接开关的耐压要求。 3 谐波含量 在谐波问题方砸，从理论上分析，固态继电器的饱和导通压降小于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 ) 具体 的电源电压输入波形与继电器输出电压波形如图2 _ 3 所示 图2 - 3 输入输出电源电压波形比较 f i g 2 - 3c o m p a r i s o nb e t w e e l li n p u ta n do u t p u tp o w e rs u p p l y v o l t a g ew a v e f o r m 7 由图2 - 3 可见，在交流电压过零点处的2 v 左右，电网电压处于非线性区间，在电网 电压额定时，由计算可知固态继电器非线性情况只在交流电压过零点附近的o 0 1 4 。区域产 生，即固态继电器只在交流电压过零点附近的o 0 1 4 。区域内导通状态不正常，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。采用过零型固态继电器，则只要 一直保持控制电压的存在就可保证其连续导通，解决谐波问题。 综合以上电压、电流及谐波问题的分析，在可以实现自动调节的基础上，本设计采用 4 0 a 6 6 0 v 的过零型固态继电器作为分接开关，利用其具有在控制电压作用下，电网电压过 零时导通，在没有控制信号作用下，电流过零时自动关断的特点，完成分接开关自动控制功 能，满足无触点有载自动调压配电变压器的设计要求。 2 2 2 固态继电器保护电路选择 虽然选择的固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 运行中固态继电器可以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固态继电器电流的上升率d i l d i 。通常采用在固态继电器两端并联阻容 吸收电路来达到限制d u d t 和d i l d t 的目的。阻容吸收电路的参数与变压器的容量和固态继 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 - i 所示。 表2 - i 固态继电器阻容吸收电路经验数据 t a b 2 一l e x p e r i e n t i a ld a t ao f s o l i d - s m 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 ge i m u r 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( 莫正康，j 9 8 5 ) p = f c u ：x l o 一6 w ( 2 一i ) 式2 - 1 中，u 。为电阻两端工作电压峰值。 根据上述选择要求，本设计的试验样机选取c = o 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 3 变换分接头过程中的环流实验及结果分析 ”4 _ 1 tf j + m # ”4 2 3 1 实验方案 在确定了分接开关的选择和执行机构连接方式以后，为了验证开关的可行性，进行了实 验室模拟实验。现以图2 - 1 的开关主电路接线方式进行实验室模拟试验，其中控制器由蓄电 池供电，检测电压由外接调压器( 测量调压器) 经隔离变压器变为0 5 v 的交流电压提供， 8 通过改变调压器输出电压，来模拟配电变压器的输出电压。配电变压器的输入电压( 以) 由 o 1 0 0 0 v 交流可调电源提供。配电变压器输入电压从5 0 0 v 起，分级加压，每级1 0 0 0 v 。 调节控制系统的输入电压，检验在每级电源电压作用下，改变分接头的过程中是否出现过流。 2 3 2 实验结果 通过上述实验方案进行了环流实验，结果如下所述： 1 当配电变压器输入电压u 1 在3 0 0 0 v 及以下时，调节测量调压器，无论分接头由i 向 ，i i 向变换，还是由i n 向，i i 向i 变换，都不出现过流现象但在u - - 3 0 0 0 v 时， 由m 向n ，或由向i 转换时，配电变压器声音发生改变。 2 ，当u ，- - - 4 0 0 0 v 时，调节测量调压器，使测量电压降低时，控制器使分接头由向i 变 换，保护熔断器熔断，由向变换时，也发生同样现象继续升高【，。，这个现象同样发生 而在同样电压作用下，调高测量电压，使分接头由i 向。或由向m 转换时，都没有发生 过流现象 3 调节以高达1 1 0 0 0 v 时，在分接头由i 向或由向转换过程中都没有过流现象 发生。 2 3 3 调节绕组时环流状况的理论分析 由分接头变换过程中各固态继电器的动作顺序可以看出，在变换过程中调节绕组与固态 继电器将形成闭合回路( 济钧，2 0 0 2 ) ，从而在这个回路中产生环流，如果环流超过开关允 许值将造成保险丝熔断或固态继电器损坏。环流的大小与回路的阻抗和变压器高压侧的功率 n k c o s 矿, 有关，c o s 伊, 越小，环流越大( 郭爱华， 9 9 4 ) 令c o s 仍。= 0 2 ，n 尹1 = = 7 8 5 。 样机选择s ，_ 5 0 k v a i o k v 节能配电变压器，由图2 - l 可见，高压侧靠近中性点侧有 9 5 u n ( i ) 、u n ( ) 和1 0 5 u n ( ) 三个分接头当变压器一次侧线电压为额定电 压1 0 k v 时，电流为额定电流2 7 5 a ，s s r 2 导通，其余s s r 关断，工作绕组为w l o ，w i l 绕 组的串联，变压器二次侧的线电压为额定电压4 0 0 v 在额定状态下工作，变压器的短路电 压百分数u k - - 4 短路损耗必= 1 1 5 0 w 空载电流百分数l o = 2 5 ，空载损耗 9 昂= 1 9 0w 由此计算出折算到高压侧变压器等值阻抗为z t = 4 0 q ，其中等值电阻为 r t = 2 3 q ，等值电抗x t = 3 2 7 q ( 杨宝林，1 9 9 2 ：赵爱众，1 9 9 5 ) 。 下面以变压器原工作在分接头为例，分析改变分接头过程中环流产生的发展机理。 当变压器输出电压低于允许值时，工作分接头将从向i 转换在s s r l 导通到s s r 2 关闭这段时间，调节绕组w l l 与s s r l 和s s r 2 形成闭合回路，产生环流f 。f 可用图2 - 4 的 等效电路来计算( 本电路也适用与分接头由到的变换) 。 图2 4 改变分接头时的等效电路 f i g 2 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i tw h e nt h et a p j o i n ti sc h a n g e d 图中x w l l 和r w l l 分别为变压器一次侧w l l 段调节绕组的等效电抗和电阻，k 为s s r l 的等效开关，u 。i l 为回路的等效电源电压。设绕组是均匀的，则根据绕组电阻与匝数成正比， 电抗与匝数的平方成正比的关系( 王毓东，1 9 8 9