赵玉林 董守田 梁秋艳

（1.东北农业大学电气工程系，哈尔滨 150030；2. 佳木斯大学机械工程学院农机工程系，黑龙江 佳木斯 154007）

1 引言

变压器的有载自动调压是稳定系统电压的最有效的措施之一，目前人们通常采用机械式有触点式自动分接开关。这种开关改变分接头时因产生电弧必须安装在独立的油箱中，且不适合频繁操作。Cooke G H采用晶闸管作为辅助开关的有载调压分接开关[1]，解决了切换分接头产生电弧的问题，但这种结构的分接开关仍然存在机械部分，且调节速度慢、不能频繁操作的固有缺点并没有改变[2]。文献2的作者采用了辅助变压器与主变压器一次侧串联，通过由晶闸管改变辅助变压器二次侧分接头进而实现调压。这种调压方法虽然调节快，无电弧但由于需要复杂的辅助变压器和大容量的晶闸管，因造价高而限制了这种有载调压开关的应用。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优点。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的构成、基本原理和个环节的设计方法及实验结果。

2 无触点有载自动调压配电变压器的主电路及调压过程

2.1 无触点有载自动调压配电变压器的主电路

本装置由变压器本体、无触点分接开关、环流限制电路、控制单元组成。其主电路接线图如图1所示。

图1 有载自动调压配电变压器原理接线图

图中，w10为变压器的高压侧基本工作绕组，只要通电就在工作；w11，w12为高压侧调解绕组；w2为配电变压器低压侧绕组；SSRi(i=1,2,3,4)为过零型固态继电器，具有在控制电压作用下，交流电压过零时导通，控制电压为零时，交流电流过零时关断的特性；RX为环流限制电阻，只有在变换工作分接头的过程中才接入回路中。单片机监控系统的作用是检测配电变压器的输出电压，根据预定程序发出控制指令；CB为测量变压器，给监控系统提供电源和测量信号。

2.2 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。

从图 2可以看出，每次都是先将限流电阻 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幅值的作用。

3 无触点有载自动调压配电变压器总体布置

固态继电器作为无触点分接开关，动作时没有电弧产生，所以可以和变压器绕组共用一个油箱，本样机为S9系列50kVA，10/0.4kV节能配电变压器，带有油枕，为了调试方便，本样机将油枕稍加改造，将由固态继电器组成的无触点分接开关及由AT89C52单片机构成的控制器放在经改造后的油箱里，将原绕组的分接头和由于测量变压器输出电压的低压侧相电压经油路引入到油箱中与分接开关和控制器相连，这样即减小了变压器的体积，同时又解决了在中国北方严寒的冬天电子元件可能失控的问题。具体安装示意图如图3所示。

图2 自动有载调压流程图

图3 具有自动稳压功能配电变压器的结构示意图

4 无触点分接开关元件参数的选择

4.1 无触点分接开关的选择

固态继电器起有载分接开关的作用，在选择时应考虑电流和耐压两方面的因素。在电流方面，其额定电流应大于变压器的尖峰电流，并应能承受变压器的励磁涌流和电源侧熔断器熔断前变压器出口的短路电流。在电压方面，正反向耐压应大于关断时所承受的工作电压的110%。本变压器样机采用40A660V过零型交流固态继电器作为分接开关。这种继电器具有在控制电压作用下当所加交流电压过零时导通，在撤消销控制电压后，在交流电流过零时自动关断的特点。

4.2 阻容吸收电路的确定

为了保证固态继电器可靠关闭与安全开通，必须降低固态继电器关闭时两端电压的上升率du/dt和限制开通瞬间流过SSR电流的上升率di/dt。通常采用在 SSR两端并联阻容吸收电路来达到限制du/dt和di/dt的目的。阻容吸收电路的参数与变压器的容量和固态继电器的特性有关，可以参照可控硅的吸收电路参数选取，如下表1所示。电容耐压取固态继电器额定电压的2.5倍以上，电阻功率按下式选取

式中，Umax为电阻两端工作电压峰值。

表1 固态继电器阻容吸收电路经验数据[3]

本样机取C=0.2μF，额定电压为1500V的无极性电容，电阻取40Ω，额定功率为10W的绕线式电阻。

实际运行中没有出现失控和固态继电器烧毁现象和电阻过热现象，说明这种选择方法可行。

4.3 限流电阻的选择

过渡限流电阻的作用是在改变分接头的过程中，限制调节回路的环流。由文献[4]的分析可知，这个回路的电抗很小，环流大小基本由回路的电源电动势和串入回路的限流电阻所决定。本样机选择限流电阻R=20Ω，功率为20W的绕线式珐琅电阻。经实验室和现场运行表面，这么选取完全满足安全可靠，平稳过渡的要求。

4.4 计算机监控单元设计

本着安全，可靠，自动稳压精度高，响应快，系统稳定，经济适用的设计理念，本本样机采用AT89C52单片机为控制器的核心，采用C语言编程，三相分相触发的方法，设计出控制单元。

4.5 无触点分接开关抗电压技术

当配电变压器一次侧出现单相接地时，非接地相电压升高到相电压。从图1中可以看出，分接开关—固态继电器与控制电路及隔离变压器的原副边绝缘相串联承受变压器一次侧线电压的作用，虽然可以通过提高隔离变压器原副绕组之间的耐压强度来保证隔离变压器绝缘不被击穿，但由于固态继电器控制回路和交流回路的绝缘强度只有2500V，控制电路的耐压水平更低，而电压是按照阻抗反比分配的，固态继电器直交流回路之间的绝缘电阻又非常高，所以在 10kV电压作用下，必然造成固态继电器和控制线路的损坏。本样机采用在固态继电器的交流回路侧与隔离变压器副边之间加装 0.01μF电容器的方法来保护固态继电器和控制电路。实验证明这个方法实用可行。

5 实验及运行结果

经过分接开关主电路方案确定，控制器软硬件设计，最终完成了具有无触点有载自动调压功能的配电变压器实验样机，为了进一步验证其工作性能的稳定性及可靠性，对变压器样机分别进行了实验室模拟实验和现场运行考核。

5.1 实验室模拟实验内容和目的

实验室进行模拟实验主要是对固态继电器的耐压能力及动作可靠性进行验证，在其运行情况良好的基础上进行无触点有载自动调压装置的自动稳压功能实验。

5.2 实验接线

实验室应用输出电压为0－450V的调压器与升压变压器（配电变压器反接）相连，得到所需的 0－11000V的交流电源模拟电网电压；应用电阻箱（阻性负载）及电动机（感性负载）作为实验样机的负荷。实验室模拟实验接线如图4所示。

图4 实验室模拟实验接线图

图中，Tt为0－450V调压器；T1升压变压器；T2为实验样机；M为7.5kW电动机；R为5kW电阻箱；K1、K2为负载投切开关；V1为调压器输出电压；V2为实验样机高压侧电压；V3为实验样机输出线电压；V4为实验样机输出相电压；SC为DS5202CA型数字示波器。

5.3 固态继电器耐压考核实验

通过调节调压器输出电压使变压器高压侧电压在 UN±15%UN范围变化，使 SSR1与 SSR4分别处于导通状态，计算截止状态开关承受的最高电压，在一定时间内，观察开关的工作状态，从而来判断SSR的耐压能力。实验数据如表2所示。

表2 固态继电器在空载情况下的耐压数据

由表2实验数据可知，在空载状态下，无论哪组分接开关导通，装置工作均正常，没有SSR损坏等故障现象发生，表明 660V固态继电器耐压情况良好，可以承受开关变换过程中的最高电压，满足无触点有载自动调压配电变压器的设计要求。

5.4 环流实验

在实验过程中，经过多次改变实验样机的一次侧电压，使其在9－11kV反复调节，SSR进行反复转换，变换动作可靠，且没有出现过流，导致 SSR损坏现象，由此可验证，采用20Ω限流电阻完全能达到限流作用，SSR的可靠性满足变压器的要求。

5.5 无触点自动有载调压装置启动实验

变压器原边合闸送电时，因副边没有电压，控制电路没有电源，将使所有的SSR都截至，SSR因承受电网电压而击穿。本项目采用蓄电池启动，也就是在投入前由蓄电池给控制单元供电，使SSR3处于导通状态。当原边合闸时，SSR3将三相的中性点连到一起，使副边输出电压，控制系统由电源变压器供电，装置进入有载自动调压状态。

在实验室经过反复合闸给变压器送电，没有出现SSR损坏现象。合闸后反复调节样机的输入电压，样机进入自动有载调压状态，说明这种方法可行。

5.6 自动稳压功能实验

为了验证整个装置是否可以在电压大范围波动时稳定工作，进行了实验室自动稳压功能实验。按照图4的接线方式，在负载状态下通过调节调压器输出电压来模拟电网电压波动，自动有载调压后输出电压也输入电压变化的比曲线如图5所示。

图5 样机自动稳压功能效果对比图

从图5中可以直接看出，调压器输入从360V 变化到440V时，输出电压从378V变化到412V，即输入电压在±10%UN变化时，输出电压变化范围为-5.5%UN－+3%UN，。证明自动稳压效果良好。

5.7 谐波畸变的检测

当测定无触点有载自动调压装置稳压效果良好后，使实验样机在带负载情况下，用DS5202CA型数字示波器录得的输出波形如图6所示。由图可以看出，变压器输出波形完好，本课题设计的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

6 结论

由理论分析和实验结果表明，采用固态继电器作为配电变压器有载分接开关，只要采取合适的保护方法，是完全能够满足安全稳定运行要求的；采用无触点开关，可以实现快速变换分接头，特别适用与负荷波动较大的农村电网使用；采用固态继电器作为分接开关，不会产生谐波污染。本项目只在实验室对动力负荷，纯阻性负荷进行了自动有载调压实验，但对以电焊机为主要的具有冲击性的感性负荷还没有进行实验，有待于进一步研究。

[1]Cooke G. H. et al. New Thyristor Assisted Diverter Switch for On Load Transformer Tap Changers[J]. IEE Proceedings. Vol.139.No.6.pp.507-511.September 1992.

[2]Guorong Zhu. Minzu Li, Xiaodong Liu and Tingting Wang Voltage Regulation Method in Series Thyristor of Distribution transformer. Transformer. Vol. 22.No. 5. pp. 1001-8425. May 2002.

[3]莫正康.晶闸管变流技术[M].北京∶机械工业出版社,1985.6∶73.

[4]Zhao Yulin, Dong-Shoutian∶ “Study on Non Contact Automatic on-Load Voltage Regulating Distributing Transformer Based on Solid State R.