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【中图分类号】TM423 【文献标识码】B 【文章编号】1009-9646(2009)12-0067-03
【摘要】本论文进行的是配电变压器无触点有载自动调压的设计,由接在变压器低压侧的电压测量单元提供测量信号,通过接口电路送入单片机。单片机与设定电压比较后,经驱动电路发出使固态继电器导通或截止的信号,以实现自动改变变压器工作分接头,进而实现变压器二次侧电压基本稳定的目的。
【关键词】自动稳压;有载分接开关;固态继电器
Study on the Automatic Regulating Voltage Device
Fang Junjie
【Abstract】The paper studied about automation regulating voltage device of power distribution transformer. Control unit was provided measuring signal by voltage measurement unit which was connected at the low-pressure side of transformer. The signal was put into microcontroller by the interface circuit. After compared with the assumed voltage, microcontroller sent out the signal which made solid state relay conduct and through driving circuit.
【Key words】Automatic voltage regulation; On-load tap switch; Solid state relay
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(Solid State Relay,缩写SSR)作为分接开关的执行部分,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SSR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SSR为分接开关的执行机构主电路接线方式如图1所示。
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SSR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 (Ⅱ)档位,SSR2导通,其余SSR都关闭,单片机自动检测变压器低压侧输出电压,当电压在(97～103)% 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所示。
1实验方案
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,试验变压器采用容量为50kVA的10×(1±5%)/0.4kV、S9型配电变压器,采用的40A固态继电器,在半个周波内允许最大电流200A, 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。
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0～5V的交流电压提供,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U1由0～11000V交流可调电源提供。配电变压器输入电压从500V起,分级加压,每级1000V。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结果与讨论
2.1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U1在3000V及以下时,调节测量调压器,无论分接头由Ⅰ向Ⅱ,Ⅱ向Ⅲ变换,还是由Ⅲ向Ⅱ, Ⅱ向Ⅰ变换,都不出现过流现象。但在U1=3000V时,由Ⅲ向Ⅱ,或由Ⅱ向Ⅰ转换时,配电变压器声音发生改变。
(2)当U1=4000V时,调节测量调压器,使测量电压降低时,控制器使分接头由Ⅱ向Ⅰ变换,保护熔断器熔断,由Ⅲ向Ⅱ变换时,也发生同样现象。继续升高U1,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Ⅱ,或由Ⅱ向Ⅲ转换时,都没有发生过流现象。
(3)调节U1高达11000V时,在分接头由Ⅰ向Ⅱ,或由Ⅱ向Ⅲ转换过程中都没有过流现象发生。
2.2讨论: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因数cosφ1有关, cosφ1越小,环流越大。在实际运行中0.2φ>18.2°。令cosφ1min=0.2,则φ1min=78.5°。
样机选择S9-50kVA/10kV节能配电变压器,由图1可见,高压侧靠近中性点侧有95%UN(Ⅰ)、UN(Ⅱ)和105%UN(Ⅲ)三个分接头。当变压器一次侧线电压为额定电压10kV时,电流为额定电流2.75A,SSR2导通,其余SSR关断,工作绕组为w10,w11绕组的串联,变压器二次侧的线电压为额定电压400V。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ΔPk=1150W,空载电流百分数I0%=2.5,空载损耗ΔP0=190W。由此计算出折算到高压侧变压器等值阻抗为ZT=40Ω,其中等值电阻为RT=23Ω,等值电抗XT=32.7Ω。
下面以变压器原工作在Ⅱ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Ⅱ向Ⅰ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Ⅲ到Ⅱ的 变换)。
图中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Xw11=0.82Ω,Rw11=1.15Ω。uw11接近于一次侧相电压u1φ(8164sinωt)的5%,即uw11≈408sinωt。
图3的回路电压方程为:
为了便于观察SSR1导通前后流过SSR2中电流的变化趋势,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。
由图可见,在t=0时刻,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。在调高输出电压过程中,SSR2关断前有过流现象出现。
当输出电压高于允许值时,要将工作分接头调到Ⅲ。此时仍可用图3等效电路计算环流 。
波形如图5所示。
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向最大值方向变化的现象不同,这里在t=0时刻,SSR3导通后,环流i(SSR2中电流)由-3.81A快速向过零点变化。当i=0时,SSR2关断。因此在SSR2关断以前环流 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,虽然开关器件相同,但是产生环流的发展机理是不同的。分接头在调高输出电压(Ⅲ→Ⅱ→Ⅰ)的转换过程中有过流产生,且过流值与回路的阻抗有关,而分接头在调低输出电压(Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ)转换过程中无论回路中阻抗多大都没有过流现象的产生。环流的理论分析计算与实验室调试结果吻合,因此为了保证开关安全可靠工作,有载自动调压分接开关正常运行,必须要解决环流过大问题。
2.3改进方法:由等效电路图3分析可知,回路阻抗越小,则环流幅值越大,所以如果在变换回路中串入限流电阻RX,则可起到降低环流幅值的作用。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。
3结论
(1)在自动调压分接开关工作时调高输出电压与降低输出电压分接头转换过程中,具有不同的环流发展机理。当降低输出电压时可以不用在变换回路中加限流电阻,且没有异常现象发生;而调高输出电压的变换过程中,产生电流保险动作、固态继电器损毁故障。
(2)为解决故障问题,针对原有分接开关主电路设计的不足,在其基础之上,通过增加带限流电阻的过渡分接开关方式,改进了执行机构主电路设计,使分接开关变换过程中闭合回路一直有限流电阻的存在,达到了降低环流幅值的目的。
参考文献
[1]姚志松,姚磊.有载分接开关实用手册.中国电力出版社,2003:346-349
[2]凌愍,古正香.1990-1994年全国变压器事故统计及分析.电网技术,1996,(9):20
[3]于瑛.加速变压器有载调压改造改善电压质量.山西电力技术.1991,(4):38-40
[4]变压器手册编写组.变压器手册.辽宁科技出版社,1990:15-21
[5]王毓东.电机学(上).浙江大学出版社,1989:219-220
[6]吕艳玲,配电变压器自动稳压装置研究.东北农业大学硕士论文,2004
【摘要】本论文进行的是配电变压器无触点有载自动调压的设计,由接在变压器低压侧的电压测量单元提供测量信号,通过接口电路送入单片机。单片机与设定电压比较后,经驱动电路发出使固态继电器导通或截止的信号,以实现自动改变变压器工作分接头,进而实现变压器二次侧电压基本稳定的目的。
【关键词】自动稳压;有载分接开关;固态继电器
Study on the Automatic Regulating Voltage Device
Fang Junjie
【Abstract】The paper studied about automation regulating voltage device of power distribution transformer. Control unit was provided measuring signal by voltage measurement unit which was connected at the low-pressure side of transformer. The signal was put into microcontroller by the interface circuit. After compared with the assumed voltage, microcontroller sent out the signal which made solid state relay conduct and through driving circuit.
【Key words】Automatic voltage regulation; On-load tap switch; Solid state relay
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(Solid State Relay,缩写SSR)作为分接开关的执行部分,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SSR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SSR为分接开关的执行机构主电路接线方式如图1所示。
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SSR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 (Ⅱ)档位,SSR2导通,其余SSR都关闭,单片机自动检测变压器低压侧输出电压,当电压在(97～103)% 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所示。
1实验方案
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,试验变压器采用容量为50kVA的10×(1±5%)/0.4kV、S9型配电变压器,采用的40A固态继电器,在半个周波内允许最大电流200A, 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。
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0～5V的交流电压提供,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U1由0～11000V交流可调电源提供。配电变压器输入电压从500V起,分级加压,每级1000V。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结果与讨论
2.1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U1在3000V及以下时,调节测量调压器,无论分接头由Ⅰ向Ⅱ,Ⅱ向Ⅲ变换,还是由Ⅲ向Ⅱ, Ⅱ向Ⅰ变换,都不出现过流现象。但在U1=3000V时,由Ⅲ向Ⅱ,或由Ⅱ向Ⅰ转换时,配电变压器声音发生改变。
(2)当U1=4000V时,调节测量调压器,使测量电压降低时,控制器使分接头由Ⅱ向Ⅰ变换,保护熔断器熔断,由Ⅲ向Ⅱ变换时,也发生同样现象。继续升高U1,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Ⅱ,或由Ⅱ向Ⅲ转换时,都没有发生过流现象。
(3)调节U1高达11000V时,在分接头由Ⅰ向Ⅱ,或由Ⅱ向Ⅲ转换过程中都没有过流现象发生。
2.2讨论: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因数cosφ1有关, cosφ1越小,环流越大。在实际运行中0.2
样机选择S9-50kVA/10kV节能配电变压器,由图1可见,高压侧靠近中性点侧有95%UN(Ⅰ)、UN(Ⅱ)和105%UN(Ⅲ)三个分接头。当变压器一次侧线电压为额定电压10kV时,电流为额定电流2.75A,SSR2导通,其余SSR关断,工作绕组为w10,w11绕组的串联,变压器二次侧的线电压为额定电压400V。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ΔPk=1150W,空载电流百分数I0%=2.5,空载损耗ΔP0=190W。由此计算出折算到高压侧变压器等值阻抗为ZT=40Ω,其中等值电阻为RT=23Ω,等值电抗XT=32.7Ω。
下面以变压器原工作在Ⅱ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Ⅱ向Ⅰ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Ⅲ到Ⅱ的 变换)。
图中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Xw11=0.82Ω,Rw11=1.15Ω。uw11接近于一次侧相电压u1φ(8164sinωt)的5%,即uw11≈408sinωt。
图3的回路电压方程为:
为了便于观察SSR1导通前后流过SSR2中电流的变化趋势,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。
由图可见,在t=0时刻,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。在调高输出电压过程中,SSR2关断前有过流现象出现。
当输出电压高于允许值时,要将工作分接头调到Ⅲ。此时仍可用图3等效电路计算环流 。
波形如图5所示。
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向最大值方向变化的现象不同,这里在t=0时刻,SSR3导通后,环流i(SSR2中电流)由-3.81A快速向过零点变化。当i=0时,SSR2关断。因此在SSR2关断以前环流 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,虽然开关器件相同,但是产生环流的发展机理是不同的。分接头在调高输出电压(Ⅲ→Ⅱ→Ⅰ)的转换过程中有过流产生,且过流值与回路的阻抗有关,而分接头在调低输出电压(Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ)转换过程中无论回路中阻抗多大都没有过流现象的产生。环流的理论分析计算与实验室调试结果吻合,因此为了保证开关安全可靠工作,有载自动调压分接开关正常运行,必须要解决环流过大问题。
2.3改进方法:由等效电路图3分析可知,回路阻抗越小,则环流幅值越大,所以如果在变换回路中串入限流电阻RX,则可起到降低环流幅值的作用。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。
3结论
(1)在自动调压分接开关工作时调高输出电压与降低输出电压分接头转换过程中,具有不同的环流发展机理。当降低输出电压时可以不用在变换回路中加限流电阻,且没有异常现象发生;而调高输出电压的变换过程中,产生电流保险动作、固态继电器损毁故障。
(2)为解决故障问题,针对原有分接开关主电路设计的不足,在其基础之上,通过增加带限流电阻的过渡分接开关方式,改进了执行机构主电路设计,使分接开关变换过程中闭合回路一直有限流电阻的存在,达到了降低环流幅值的目的。
参考文献
[1]姚志松,姚磊.有载分接开关实用手册.中国电力出版社,2003:346-349
[2]凌愍,古正香.1990-1994年全国变压器事故统计及分析.电网技术,1996,(9):20
[3]于瑛.加速变压器有载调压改造改善电压质量.山西电力技术.1991,(4):38-40
[4]变压器手册编写组.变压器手册.辽宁科技出版社,1990:15-21
[5]王毓东.电机学(上).浙江大学出版社,1989:219-220
[6]吕艳玲,配电变压器自动稳压装置研究.东北农业大学硕士论文,2004