变压器无弧有载调压的研究

肖遥，陈球武，慕娇娇，陈凯，张进龙

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

大容量冲击性负荷会引起母线电压波动过大，降低系统电压稳定并影响电力系统安全、可靠运行。变压器由机械式有载分接开关调整其分接头需要复杂的机械构件和电动部件，而且分接开关带载切换时存在较大电弧，可能烧蚀触头，影响变压器绝缘特性。分接开关的动作速度慢，调压响应时间长，容易错档、错位，不能进行动态调压，而且故障率高，维护量大。并且机械开关动作时间具有分散性，使调压时刻无法准确控制，而且在调压过程在可能出现过渡过程，对电网的安全运行带来不利的影响。故实现无弧化有载调压是保证设备安全和系统运行稳定的必要措施［1，2］。

无弧调压的设计思想大体分两种，一种是完全取消机械式触头的大功率晶闸管实现有载调压;一种是机械触头与晶闸管相结合的混合式有载调压。国内提出的混合式调压方案中有一种是晶闸管辅助机械开关无弧有载调压。采用机械式开关与电力电子开关相结合的混合式调压，以电力电子开关为辅助，只在切换时使用晶闸管，正常运行时仍使用机械开关。另外一种是完全取消机械和电动机构的电力电子式有载调压方案，次方案采用晶闸管电压过零触发和电流过零自动关闭的快速调节技术，每两个分接头间都反并联，并且取消了过渡电阻，切换动作迅速，无电弧产生。本文所提出的的方法就是在后者的基础上加入二进制编码调节法来进行变压器的有载调压［3］。

2 二进制编码调节法

常用的晶闸管无触点分级有载调压系统的分级方法为直接替代法，其方式为在传统有载调压变压器的分接头上直接以晶闸管开关一一代替机械开关。如果不考虑过渡电阻器或电抗器，则N个调压绕组对应N+1个级电压和N+1组电力电子开关。如果考虑过渡电阻器或电抗器，则需相应的增加N组电力电子开关。直接替代法需要的电力电子开关较多，故不考虑这种分级方法。

本次方案采用的为二进制编码调节法，其原理为将调压线圈的调压范围分别为8%、4%、2%、1%。结合线圈同名端极性的不同，每次调压的调压精度可精确到1%。这种方法需要的电力电子开关数量最少。N个调压绕组，可以组合4N个级电压，需要2N组电力电子开关［4］。

2.1 有载调压主电路结构

本设计方案采用晶闸管反并联作为有载分接开关的执行机构的核心元件，在保证不影响负载工作的前提下进行分接头的切换，实现无弧的有载调压的目的。普通晶闸管是一种半控型电力电子器件，没有自管断能力，但应用在交流系统中，可以利用交流电流本身的过零点而关断，因此用2只晶闸管反并联可作为交流开关，它们各通过正弦半波，可实现开关的无弧、无触点化，也能承受高电压大电流。因此选用反并联晶闸管作为有载分接开关的一种无弧有载调压方式，以单相为例其主电路土如图1所示。

考虑到电力电子开关的最大耐压水平，本次方案在低压侧加入调压绕组。使晶闸管的耐压水平不超过现有的标准，并且尽可能的减少晶闸管的串联个数。

图1 无弧有载调压装置单相主电路图

2.2 调压状态

如图1所示设N2、U2e分别为为二次侧绕组的额定匝数和额定电压，取L0为0.9N2，L1－L4分别为N2的1%、2%、4%和8%。通过L1－L4的不同组合可以使U2在0.9～1.05U2e间变化。表1为调压状态和调压绕组的关系。

表1 调压状态和调压绕组的关系

其中1和0代表调压绕组工作与否，调压状态C1－15分别代表调压的级数1% ～15%。

设为U2e二次侧额定电压，A为待调压级数，U2为待调整电压。那么

表2 调压状态与开关状态的关系表

设调压状态为C，那么可得

其中B为上表得出的矩阵行为调压状态C1－15，列为开关状态。

电力电子开关结构的设计原则是寻求一种在保证电力电子开关的耐压水平和工作条件的前提下，满足二进制编码调压要求的使用电力电子开关数尽可能少的结构。

3 变压器有载调压系统调压的控制策略

其中U'2为变压器二次侧目标电压或待调电压;U2为变压器二次侧检测电压;

图2 有载调压系统控制框图

ΔU2=U'2－U2为调压差;

ΔUG=(U'2MAX－U2MIN)/A，A为调压级数;ΔA＞0为上升ΔA个级别，反之，为下降ΔA个级别;得到ΔA后就可以进入晶闸管控制程序进行调压。

在得到ΔA后，通过对比可以得到目标电压所需的调压状态，即可从表2中提取此调压状态下所需的开关状态，再由此控制开关，从而接入调压绕组或退出调压绕组。

4 仿真实验

本文采用Matlab仿真软件建立有载调压模型，并仿真有载调压的过程。

模型参数设置:考虑到晶闸管的耐压水平，变压器一次侧电压 U1=10kV，频率50Hz，二次侧负载ZL=200+j61.8Ω，仿真时间为0.2s。

仿真目的:适当的控制晶闸管开关，能否改变二次侧电压使其达到目标电压值，观察二次侧电压波形是否与理论相吻合。

实现目标:

(1)将变压器二次侧电压从额定电压的90%升至最大值;

(2)将变压器二次侧电压从最大值下降至额定电压。

图3、图4说明了晶闸管开关可以通过控制命令进行可靠地动作从而达到调压目的，在电流过零点迅速的切换调压绕组，在需要断开的开关在过零点断开后，通过一次触发即可是电压都达到目标值。

图3 调压状态0到调压状态15二次侧电压、电流变化

图4 调压状态15到调压状态10的二次侧电压、电流变化

5 结论

无弧切换的有载调压变压器利用晶闸管可准确断开的特性，运用简单的控制指令，从本质上消除了切换时的电弧，实现了调压开关的无弧切换。本文采用的二进制编码调节法，使电压调节范围增大，并且只使用8个调节开关，每次调压的调压精度可精确到1%。通过仿真实验得出此方案在调压过程中电压与电流没有明显的波动，基本符合电力系统运行的要求。

［1］赵刚，施围.无弧有载分接开关的研究［J］.高电压技术，2004，30(4):49－51.

［2］万凯，刘会金.晶闸管辅助机械开关无弧有载调压技术［J］.继电器，2002，30(11):5－9.

［3］李晓明，王婉晴，张水长.一种无弧快速有载调压模型及仿真［J］.高电压技术，2006，32(2):24－26，69.

［4］李晓明.连通拓扑组合状态有载调压原理与应用研究［D］.华中科技大学，2005.

［5］冯仲民.有载分接开关的应用［M］.北京:中国电力出版社，2004.