农村低压配电网自动稳压设备的研究

赵玉林，董守田，赵 琦

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

农村低压配电网由于负荷波动大、供电半径长、导线截面小，使电压大幅波动，人们通常采用配电变压器有载自动调压来稳定系统电压。现有的机械式有触点式自动分接开关，因改变分接头时产生电弧而必须安装在独立的油箱中，故不宜频繁操作且造价高不适合容量小、数量多的配电变压器使用。Cooke采用晶闸管作为辅助开关的有载调压分接开关[1]，解决了切换分接头时产生电弧的问题，但这种的分接开关仍然存在机械部分，使调节速度慢、不能频繁操作的固有缺点并没有改变[2]。Zhu等采用了辅助变压器与晶闸管相结合实现有载调压的方法虽然调节快、无电弧但由于需要复杂的辅助变压器和大容量的晶闸管[2]，造价高而限制了这种有载调压开关的应用。以上开关由于性能和造价原因，都不适合配电变压器。

电力电子元件易于实现计算机控制和具有关断与导通变换快，变换过程中不产生电弧等特性。将其作为变压器的有载分接开关将具有造价低，寿命长，可频繁调节等优点。本文介绍一种基于固态继电器作为分接开关的有载自动调压配电变压器。

1 无触点有载自动调压配电变压器的主电路及调压过程

1.1 无触点有载自动调压配电变压器的主电路

图1 有载自动调压配电变压器原理接线Fig.1 Main circuit of non contact automatic on-load voltage regulating distributing transformer

1.2 有载自动调压配电变压器的自动调节过程

配电变压器上电前监控系统由蓄电池供电，使SSR3处于导通状态，当变压器合闸后，单片机监控系统自动检测配电变压器的输出电压，如果电压超过允许波动范围，则进入自动有载调压程序。自动有载调压流程图如图2所示。

图2 有载自动调压流程Fig.2 Flow of automatic on-load voltage regulation

由图2可知，每次调高输出电压时，都是先将限流电阻RX串入分接头变换回路，然后再开始分接头的变换，这样可以起到限制环流值的作用，而在调低电压过程中，没有将限流电阻RX串联到变换回路中，而是直接进行变换的，变换比较。之所以采用这种方式，是因为在调高输出电压和调低输出电压就有不同的机理。

2 改变分接头时调节绕组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，从而在这个回路中产生环流，如果环流超过允许值将造成固态继电器的损坏。环流的大小与回路的阻抗和变压器高压侧的功率因数cosφ1有关，cosφ1越小，环流越大。cosφ1min=0.2 即φmax=78.5°。

样机为S9-50 kVA/10 kV节能配电变压器，高压侧靠近中性点侧有95%UN和UN三个分接头。当105%UN变压器一次侧线电压为额定电压10 kV，电流为额定电流2.75 A，SSR3导通，其余SSR关断，工作绕组为w10、w11两个绕组的串联，变压器二次侧的线电压为额定电压400 V，在额定状态下工作。变压器的短路电压百分数Uk=4%，短路损耗△Pk=1150 W，空载电流百分数I0=2.5%，空载损耗△P0=190 W。由此计算出折算到高压侧变压器等值阻抗为ZT=40 Ω，其中等值电阻为RT=23 Ω，等值电抗 XT=32.7 Ω。

当变压器输出电压低于允许值时，工作分接头将从UN向95%UN转换。在SSR1导通到SSR2关闭这段时间，调节绕组w11与SSR1和SSR2形成闭合回路，产生环流i。i可用图3的等效电路来计算（本电路也适用与分接头由105%UN到UN的变换）。

图3 改变分接头时的等效电路Fig.3 Equivalent circuit in the process of switching tap joint

图3中Xw11和Rw11分别为变压器一次侧w11段调节绕组的等效电抗和电阻，K为SSR1的等效开关，Uw11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，并考虑到现在是w10与w11串联工作，计算出[4]：Xw11=0.82 Ω，Rw11=1.15 Ω。uw11接近于一次侧相电压 u1φ（＝8 164sinωt）的 5%，即uw11≈408sinωt。图3的回路电压方程为：

方程式1的解为：

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式中，i'为回路电流的稳态分量，如果取RX=0则

i''为回路电流的暂态分量为

所以

式5中的A与变换分接头前一次侧的功率因数角φ和电流值有关。取φ=φmax=78.5°，得t=0-时，i1（0-）＝－3.81 A。图3中i的正方向与i1（0-）正方向相反，所以归算到图3中，在t=0时，

所以

为了便于观察SSR1导通前后流过SSR2中电流变化趋势，这里以虚线形式画出了与图3中电流方向一致的流过SSR2中的电流－i1。根据式6画出的环流波形如图4所示。

由图4可见，在t=0时SSR1导通后，流过SSR2中的电流由3.81A（与图3中电流正方向相同）迅速增大，达到im后逐渐变小，当i=0时SSR2关断。在调高电压过程中，SSR2关断前有过流出现。

当输出电压高于允许值时，要将工作分接头调到105%UN。此时仍可用图3等效电路计算环流i，其中K为SSR4等效开关，回路参数变为w12的参数。如果仍然取RX=0，因为w11=w12，所以回路参数值不变，环流表达式也与式5相同，i1（0-）＝－3.81A。SSR4导通前后，SSR2的电流方向不变，所以，t=0 时，－3.81=-289sin35.49°+A，A＝164.97。

波形如图5所示。

图5 调低输出电压过程中环流波形Fig.5 Circular current waveform in the process of regulating voltage to lower value

由图5可见，与调高电压分接头转换过程中，SSR1导通后环流i向最大值方向变化不同，这里在t=0时间SSR4导通后，环流i（SSR2中电流）由－3.81 A快速向过零点变化。当i=0时，SSR2关断。在SSR2关断以前环流i没有达到最大值，即这个变换过程中，没有大的环流产生。

在调高输出电压和调低输出电压时，环流的发展机理是不同的。前者在分接头转换过程中有过流产生，过流值与回路的阻抗有关，后者在分接头转换过程中无论回路的阻抗多大都没有过流的产生。这个结论在实验室也得到了验证。

实验室用0～11 kV的交流调压器从0 V开始给样机分级加压，每级1 kV，然后进行直接变换分接头，即在电压过零点关闭正在导通的SSR的控制电压的同时给要使其导通的SSR施加控制电压直接进行电压调节。结果发现，在调高输出电压分接头的转换过程中高压侧加3 kV电压，就出现过流，导致保险熔断。而在输出电压由高向低调时，当一次侧电压高达11 kV时也没有出现过流现象。因为调高输出电压过程中有过流的产生，且过流值与回路电阻有关，所以必须在分接头变换过程中在回路串入限流电阻，即RX不能为零。RX的串入不但减小了环流稳态分量的幅值，也使回路的时间常数变小，加快了环流i的暂态分量i''的衰减，降低了i''对过流幅值im的影响。

当取RX=10 Ω时，τ=0.33 ms，说明在1.7 ms后，暂态分量已衰减为零，大小取决于稳态分量。此时

本样机采用40 A固态继电器，在半个周波内允许最大电流200 A，安全系数大于5，试验和样机运行均表明这钟选择满足安全的要求。

3 谐波问题及其解决方法

在理论上，由于固态继电器在电压小于2V时具有非线性，在交流电压过零时，控制脉冲不同步触发，造成固态继电器在零点附近不导通，造成交流电压不连续。进而产生谐波。

由计算可知，电力电子元件非线性只在交流电压过零附近的±0.014°区域产生的谐波，其值很小完全可以忽略。采用电压过零导通固态继电器，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。

样机在实验室带负荷后，用DS5202CA型数字示波器录得的输出波形见图6。本无触点有载自动调压配电变压器不产生谐波污染。

图6 自动有载调压配电变压器输出电压波形Fig.6 Output voltage of automatically carrier booster transformer

4 自动稳压试验结果

在实验室，用0～11 kV的交流调压器调节本项目样机的输入电压，当输入电压在9～11 kV之间变化时，通过单片机监控系统自动控制，自动有载调节分接头，输出电压变化范围为379～419 V。如果不进行有载调压，则输出电压变化范围为360～440 V。可见本装置具有明显的稳压效果。

5 结论

本试验说明采用自动有载调压是稳定负载电压的有效方式；采用SSR作为有载分接开关，不会产生谐波畸变。在改变分接头的过程中，调高电压和降低电压变换分接头过程中环流的变化规律是不同的。前者的环流是经过幅值以后过零的，因而必须在变换回路串接限流电阻；后者的环流不经过幅值就过零，不产生过流，因而变换回路可以不串接限流电阻。限流电阻可以按照将环流稳态分量幅值限制在SSR额定值。

[1] Cooke G H.New thyristor assisted diverter switch for on load transformer tap changers[J].Conference IEEE Proceedings IPEMC,1992,139(6):507-511.

[2] Zhu G R,Li M Z,Liu X D,et al.Voltage regulation method in series thyristor of distribution transformer[J].Transformer,2002,22(5):1001-8425.

[3] 赵玉林,董守田.无触点有载自动调压配电变压器[P].中华人民共和国国家知识产权局:发明专利ZL 20041 0043740X,2009-07-09.

[4] Zhao Y L,Li J H,Dong S T.The research on load automatic ratio control tap changer switch without contract on distributing transformer[J].Conference IEEE Proceedings IPEMC,2004(1):280-285.