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一种新型电力变压器有载分接开关的研究 樊慧贞 ( 河南省三门峡市技工学校,河南 三门峡4 7 2 0 0 0) 摘要:介绍了一种基于电力电子技术的电力变压器有载分接开关。 关键词: 有载分接开关; 变压器; 控制; 仿真 中图分类号:T M 4 0 3 . 4文献标识码:B文章编号:1 0 0 1 - 8 4 2 5(2 0 0 8)0 5 - 0 0 6 4 - 0 3 R e s e a r c ho nN e w O n - L o a dT a p - C h a n g e ro f P o w e rT r a n s f o r me r F A N H u i - z h e n (S a n me n x i aV e s t i b u l eS c h o o l , S a n me n x i a4 7 2 0 0 0 , C h i n a) A b s t r a c t:T h eo n - l o a dt a p - c h a n g e ro f p o w e rt r a n s f o r me rb a s e do np o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d . K e yw o r d s:O n - l o a dt a p - c h a n g e r;T r a n s f o r me r;C o n t r o l;S i mu l a t i o n 1前言 有载调压电力变压器具有调压范围大、调节过 程不断电的特点,对电力系统经济运行和改善电网 电能质量等方面具有无励磁调压变压器不可替代的 优点, 因此在现代各级电力网中使用越来越普遍。 有 载调压装置采用的机械式有载分接开关,由分接选 择器或选择开关、切换开关和过渡电阻等三部分构 成。通过利用电动机传动机构驱动开关机械触头动 作,使其在变压器带负载的状态下切换到与调压要 求相适应的位置, 从而达到调压的目的。 有载分接开 关作为变压器中唯一的可动部件,其技术性能好坏 与可靠性的高低,对变压器在电力系统中正常运行 产生重要影响。 电力变压器有载分接开关具有结构复杂、体积 大、 调节速度慢及价格贵等缺点, 其故障率一直居高 不下, 已成为影响变压器可靠运行的重要因素之一。 据有关资料统计,全国变压器事故中由于有载分接 开关故障引起的比例1 9 9 0年至1 9 9 4年为1 8 . 5 %, 1 9 9 7年为2 7 %, 某省1 9 9 8年甚至高达5 0 %。 在本文中笔者提出了一种基于电力电子开关技 术的新型无弧有载分接开关。该有载分接开关弥补 了传统有载分接开关燃弧、 环流等缺陷, 使装置在带 负载调压时电压波形平滑无冲击,达到无弧无触点 有载调压要求, 可以满足电力系统频繁切换的要求, 并可方便地嵌入变电站的电压无功控制(V Q C) 及数 据采集监控(S C A D A) 系统中。 2分接开关的构成 2 . 1主电路 有载调压变压器的分接头一般设在变压器高压 绕组和中压绕组上,常见的变压器调压抽头有端部 抽头、 中部抽头和中性点抽头等三种抽头方式。 根据 部颁标准 电力系统电压和无功技术导则( 试行) 有 关规定, 本方案中采用S C R( 普通晶闸管) 作为有载 开关的主回路通流器件,利用晶闸管的通断来取代 常规有载分接开关中的动触头与静触头,此种结构 已无传统意义上的硬触点, 实际是无触点开关。 晶闸 管的具体参数由变压器的容量、电压等级及调节电 压的百分数确定。 采用中性点调压方式的有载调压开关,主回路 原理如图1所示。 图1中所有开关均由晶闸管构成, 设初始态在接头W1位置,A 0、X 1和S X 1合上。现 从接头W1切换到W2, 动作次序如下:断开A 0, 电阻R接入;断开X 1, 接通X 2, 分接头W1、W2 间有环流;断开S X 1、 合上S X 2, 合上A 0, 切换完 毕。此时, 接头W2上的工作电流流经S X 2、A 0串联 支路及X 2, 其中X 2、S X 2可以互为冗余( 每个管子 第4 5卷 第5期 2 0 0 8年5月 T R A N S F O R ME R V o l . 4 5 Ma y N o . 5 2 0 0 8 樊慧贞: 一种新型电力变压器有载分接开关的研究 第5期 通过的电流得以降低) , 提高了电路的可靠性, 但增 加了一倍的晶闸管。 切换时, 在电压过零处触发晶闸 管导通或截止, 可以实现切换过程中不产生电弧。 2 . 2控制系统 控制系统原理框图如图2所示。控制器采用 M C S - 5 1单片机,为了适应电网频率的变化采用硬 件锁相环(P L L) 电路。 当变压器低压侧母线电压发生变化时,控制器 应能调节相应的分接头使二次侧电压回到额定电压 附近。 本方案采用半波傅里叶算法(F F T) 。 由于对信 号的频率要求比较高, 采用自适应频率采集, 即假设 信号相邻两个周期的频率变化可忽略,采集前一个 周期的时间作为计算后一周期采样时刻的基准值。 在半个周波内取6个点。 半个周波内取样6个点, 采样间隔为3 0 。令当 前采样点数K = 6, 每周期采样点数N = 1 2。 实部为U R= 1 3 3 ! 2 (U 1- U5)+ 1 2( U2- U4)- U6# 虚部为U I= - 1 3 3 ! 2 (U 2+ U4)+ 1 2( U1- U5)+ U3$ % & ( 于是便得到交流电压有效值为: U = UR 2 + UI 2 ! 整个软件系统由主程序和若干子程序构成。主 程序如图3所示。 W0 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 X A D L X 1 S X 1 S X 2 X 2 S X 3 X 3 S X 4 X 4 S X 5 X 5 S X 6 X 6 S X 7 X 7 A 0 R 图中表示 S C R 图1主电路图 F i g . 1 Ma i nc i r c u i td i a g r a m 同步信号 P T C T 电 流 电 压 主 电 路 开 关 信 号 调 理 触 发 驱 动 A/ D 光 耦 控 制 器 显 示 键 盘 通 信 图2控制系统原理框图 F i g . 2 D i a g r a m o fc o n t r o l s y s t e m 转 换 开始 系统初始化 断开全部开关 ( 断开励磁涌流) 等待两秒 开中断 分接开关至主分接 A BD转换次数 n = 6 是 否 进行F F T运算 与当前开关位 置电压相比 大 小 上调一级相等下调一级 存当前挡位数显示 否 系统关闭? 是 断开全部开关( 避开 切空变过电压) 图3主程序流程图 F i g . 3 Ma i np r o g r a m f l o w d i a g r a m 6 5 第4 5卷 收稿日期:2 0 0 7 - 1 1 - 0 7 作者简介: 樊慧贞(1 9 7 1 -) , 女, 河南三门峡市人, 河南省三门峡市技工学校讲师, 从事变压器运行、 工厂供电及电力电子技 术的研究工作。 3基于MA T L A B / S i mu l i n k的计算机仿真 M A T L A B是一种交互式、 面向对象的程序设计 语言, 利用M A T L A B的工具箱P S B, 可以方便地对 动态系统做适当的仿真和分析。对于使用S i m u l i n k 的用户而言, 只需用鼠标的点击拖拽功能, 就可以 轻易地完成模型的建构, 大大地降低了仿真的难度。 模型建构完成之后,就可以启动系统仿真功能来分 析该系统的动态特性。仿真结果可以用图形的方式 显示在类似于示波器的窗口内。主电路的仿真模型 ( 两挡) 如图4所示。 通过M A T L A B仿真获得调压过程中负载上的 电压、 电流波形及过渡电阻上的电压、 电流波形。从 仿真波形上看, 负载上的电压、 电流过渡波形达到了 平滑、 无冲击的过渡, 过渡电阻上的电压电流波形也 很正常。调压过程的过渡状态只持续了半个周波便 进入新稳态运行。电压上调与下调的仿真波形如图 5所示。 4结论 有载调压电力变压器是电力系统中关键设备之 一, 随着人们对电能质量要求的进一步提高, 开发一 种新型的调压装置具有十分重要的现实意义。本文 中笔者提出了一种新型的基于晶闸管实现的无弧无 触点变压器有载分接开关,利用单片机对晶闸管切 合进行控制, 能保证调整电压过程平滑无冲击。 参考文献: 1 姚志松.提高有载分接开关安全运行的措施 J .变压器, 2 0 0 0 , 3 7 ( 1 2 ) : 3 5 - 3 9 . 2 王福兴.新型无弧有载分接开关研制的可能性 J .电网 技术, 1 9 9 7 , ( 7 ) : 5 4 - 5 8 . 3 李晓明.平滑无冲击电力电子有载调压装置 J .电力系 统及其自动化, 2 0 0 3 , 2 0 ( 1 0 ) : 4 5 - 4 8 . 4 苏泽光.基于电力电子技术新型分接开关的发展 J .电 气应用, 2 0 0 5 , ( 4 ) : 4 3 - 4 6 . 5 陈桂明.应用M A T L A B建模与仿真 M .北京:科学出版 社, 2 0 0 1 . + - + l n 1 过零触发 及控制模块 O u t 1 O u t 2 O u t 3 O u t 4 O u t 5 O u t 6 O u t 7 O u t 8 子系统 v a g k m ka mg S X 1 ak g m ka m g S X 2 R ak gm S 1 S 2 ak g m a k gm ak gm W0 W1 T 时钟 超时模拟输出 + - 5 0 R L + - v v F i g . 4 S i mu l a t i o nmo d e l o fma i nc i r c u i t 图4主电路的仿真模型 1 0 . 8 0 . 5 0 - 0 . 5 - 0 . 8 - 1 0 . 80 . 8 50 . 90 . 9 511 . 0 5 1 . 5 1 . 5 5 1 . 6 1 . 6 5 1 0 0 8 0 4 0 0 - 4 0 - 8 0 - 1 0 0 F i g . 5 Wa v e f o r mso fv o l t a g er e g u l a t i o n 图5电压调节波形 6 6