基于PLC的有载调容变压器控制系统研究

张慧贤，苗灵霞，曹俊杰

（1.黄淮学院 电子科学与工程系，河南 驻马店 463000；2.驻马店市农业机械化技术推广站，河南 驻马店 463000）

基于PLC的有载调容变压器控制系统研究

张慧贤1，苗灵霞1，曹俊杰2

（1.黄淮学院 电子科学与工程系，河南 驻马店 463000；2.驻马店市农业机械化技术推广站，河南 驻马店 463000）

针对农村电网中配电变压器因季节性负荷不均而出现的过载和轻载问题，以非晶合金材料铁芯变压器为基础，采用西门子 S7-200PLC核心控制器，设计了有载调容变压器控制系统．该控制系统通过互感器和变送器实时采集变压器电流，并与设定值比较后控制分接开关的自动切换．

有载调容；变压器；控制器；分接开关

0 引言

在城乡及企业电网中，昼夜负荷变化显著，且季节性负荷变化幅度比较大，因此，配电变压器本身的负载及功率因数是变化的，具有较低负荷以及超载运行的可能性．若配电变压器容量选得过大，则会经常出现“大马拉小车”的现象，其空载损耗可达整个配电损耗的40%左右；若配电变压器的容量选得过小，则在负载率大于80%后，损耗率呈正比例缓慢上升，配电变压器负载损耗随之增大．最新资料统计显示，我国全年变压器总的电能损失3000多亿kW·h，相当于三个中等用电量省份用电电量之和，而中压系统中配电变压器的损耗约占整个配电系统损耗的50%[1]．随着电力需求的快速增长和能源的日益紧张，如何最大化地减少配电变压器的损耗，成为人们目前研究的重要课题．

用非晶合金材料制作变压器的铁芯，变压器的空载电流较传统硅钢片铁芯变压器下降约80%，有显著的节能效果．因此，将有载调容技术与非晶合金材料铁芯变压器结合起来，当负荷较轻或接近空载时，由大容量自动调为小容量运行，可大幅度降低空载损耗；在负载进入大负载不良运行状态时，由小容量自动切换为大容量，可有效降低负载损耗，对于农村电网有较好的适用性[2]．

1 有载调容系统的构成

有载调容配电变压器主要由S11型油浸式配电变压器、有载调容分接开关、有载调容控制器、传感器及相关附件组成．图1为有载调容控制系统结构图，主要包括数据采集、数据处理和驱动输出模块，数据采集由传感器及模拟量、开关量输入单元实现，数据处理由PLC主单元实现，驱动输出包括电机驱动单元和数据显示单元等．

图1 有载调容控制系统结构图

有载调容系统的工作原理为：首先通过互感器将配电变压器350 A左右的大电流转换为毫安级交流微电流，然后通过变送器变为0～5 V标准信号送入PLC模拟量输入模块的输入端；经过数据处理后，输出开关量信号控制驱动电机使分接开关触点滑动，接通不同绕组线圈，进而使变压器在不同容量之间切换，完成带电情况下的容量调节；系统参数的设定与调节过程可通过文本显示器实现，文本显示器通过RS232与PLC实现串口通信．

2 有载调容系统设计

2.1 有载调容控制器设计

有载调容控制器在整个有载调容变压器中起中心控制的作用，可完成数据采集、分析判断、存储显示以及发送指令等功能．图2所示为有载调容控制器的硬件结构图，主要由中央处理单元、采集单元、通信单元、输入单元、输出单元、控制面板单元及电源组成．由于PLC本身具有很高的可靠性和抗干扰能力，因此可以满足各种恶劣环境下的应用需求．

图2 有载调容控制器硬件结构图

本设计采用西门子S7-200CPU224（继电器输出型）主单元作为有载调容控制器的核心控制器，外接EM235模拟量4入1出扩展模块．S7-200CPU224内含14输入10输出数字量I/O口，通过数据线与EM235扩展模块相连．

输入单元主要实现电流信号与开关信号的采集与转换，即通过对模拟量的采集和开关量的检测，根据所获得被控对象的相关参数和运行状态，确定是否满足控制条件．如果满足控制条件则实现升容，否则实现降容．

输出单元主要通过PLC驱动分接开关实现调容开关的高、低容量投切转换．控制参数的显示与设置通过自带RS232接口的文本显示器实现，可以显示电流和电压，并根据实际负载大小修改高、低容量的定值参数，保证变压器经济运行．

2.2 调容变压器及分接开关设计

调容变压器根据负荷大小进行大、小容量的调整，主要是通过调容开关改变绕组的联结方式来实现的，如图3(a)、(b)所示．

图3 调容变压器的联结方式

当变压器运行在大容量状态时，三相高压绕组接成三角形，同时低压绕组并联；当变压器运行在小容量状态时，三相高压绕组接成星形，同时低压绕组串联．每相低压绕组由三部分组成：第一部分（I段）匝数较少，另外两部分（II，III段）采取双线并绕的方式，匝数较多．大容量状态时，II、III段并联再与I段串联；小容量状态时，I、II、III段全部串联．由大容量状态调节为小容量状态时，高压绕组变为星形接法，同时低压绕组匝数增加，且低压绕组匝数的增加比例与高压绕组相电压降低的比例相同，从而保证输出电压不变．高压绕组联结方式的改变、低压绕组并串联的转换以及各分接部分的调整，均由特制的无励磁调容开关完成．大容量状态变为小容量状态时，低压线圈匝数的增加使得铁心的磁通密度大幅度降低，从而硅钢片的单位损耗变小，变压器的空载损耗和空载电流随之变小，这就达到了降损节能的目的[3―4]．

如图4所示，调容分接开关设计为立式筒形结构．筒体上分布着高低压绕组接线柱，外设手动调容手柄及高低容显示窗，高低容的切换指令通过PLC输出，然后驱动电机完成高低容量切换．电机的启动与停止是通过限位开关实现的，其减速机构为一对精加工的齿轮．在操作机构顶部设有防水罩，用于保证操作机构安全，延长使用寿命．

图4 分接开关结构图

根据相关计算分析：每台S11型有载调容配电变压器每年可比同容量的普通变压器节约电量 6750 kW·h；按综合电价每千瓦时0.6元计算，每台有载调容变压器每年可节约4050元；按每千瓦时电量耗煤0.38 kg计算，每台有载调容变压器每年可节约煤炭2.565 t，减少CO2排放量7.11 t；预计可在5年内收回成本[5]．

非晶合金有载调容变压器的设计，可解决长期以来农村地区因变压器负载运行不平衡而造成的空载和负载损耗问题，并可替代原有子母变压器的运行模式，极大地提高供电的自动化水平和效率，对提高供电系统的可靠性与经济性具有积极的意义．总之，有载调容变压器能够满足农网智能化发展的要求，有着广阔的市场前景．

[1] 王金丽．有载调容变压器综合经济性分析及应用研究[J]．高压电器，2009，45(3)：32―35．

[2] 陈玉国．调容配电变压器的原理与性能分析[J]．变压器，1998，35(1)：24―25．

[3] 刘伟，段玉波，姜建国．油田有载调容变压器节能控制系统的开发[J]．自动化技术与应用，2003，22(1)：26―29．

[4] 朴在林，王冬冬，郑钰．配电变压器无弧有载自动调容仿真分析[J]．农业工程学报，2011，27(2)：224―228．

[5] 李庆领，陈志豪．S11调容变压器推广及发展的设想[J]．河南电力，2006，(3)：32―33．

TM402，TP273

A

1006-5261(2012)02-0028-02

2012-03-08

河南省科技厅科技发展计划项目（112102210348）

张慧贤（1975―），男，甘肃天水人，讲师，硕士，太原理工大学博士研究生．

〔责任编辑 张继金〕