无触点有载调压变压器分接头变换方式研究

赵玉林，张吉冬，高程

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

无触点有载调压变压器分接头变换方式研究

赵玉林，张吉冬，高程

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

变压器有载调压时分接头变换方式对调压可靠性和分接开关结构具有较大影响。在变换分接头过程中，变换回路电流不中断，不可出现较大过流。文章通过对直接进行分接头变换的等值电路回路电流的理论分析、计算机仿真和实验室模拟试验进行研究，得到调低输出电压时，可直接进行分接头变换；而调高输出电压时，经过串接限流电阻的过渡回路进行分接头变换。

有载调压；变换分接头；过渡回路

目前常用的机械式有载分接开关，操作时易产生电火花且不能频繁操作[1-2]。运用电力电子开关可避免机械式分接开关操作的弊端。过零型电力电子元件是理想开关元件，具有在电压过零时施加控制电压后立即导通，无控制信号时在电流过零时关断等特点。如果用过零型电力电子元件接在变压器分接头上（如图1所示），由计算机根据配电变压器输出电压高低，控制相应分接头上电力电子元件导通或者关断状态直接进行分接头变换，将使接线简单，变换方便[3-4]。但在实验室通过高压调压器，按图1接线的配电变压器逐级提供电压，通过计算机控制进行有载调压试验时发现，当配电变压器电源电压不超过3 000 V时，无论调高输出电压还是降低输出电压，都能安全工作；在电源电压高于3 000 V时，如果调高输出电压，则出现过流现象，保护跳闸，而调低电压时，无跳闸现象发生，在电源电压加到11 000V，调低电压时，可安全工作。说明在调节变压器分接头过程中，调高和调低电压，调节回路电流具有不同变化规律。本文对这种现象进行分析，提出变换分接头过程中，限制调节回路环流措施。

图1 直接进行分接头变换时的主电路Fig.1 Directly with the tap transformation ofthe main circuit figure

1 调节回路的电流

若直接进行分接头变换，为保证电流连续性，在原导通的分接开关尚未在电流过零关闭前，与要变换到的分接头相联的无触点开关已经被触发而导通[5-6]。在原分接开关关断前的等效电路如图2所示。

图2 等效电路Fig.2 Equivalent circuit diagram

图中，US为调节回路等效电动势，对额定电压为10 kV，5%额定电压的调节回路，其值为289 V，R、X分别为调节回路的等效电阻和等效漏抗[7]。

1.1 调节回路的电流及其变化率

由图2的等效电路，根据KVL定律，得

式（1）为一阶微分方程，故有暂态分量和稳态分量两个解，即

求解暂态分量i''1时，令t=0时动作，可得

对一阶微分方程求解得

根据us=Umsin(ωt+ϕ)求得稳态分量为

故

从式（4）、（5）和（6）中可知，电流i1(t)与电阻R

和电感L有关。对暂态电流分量而言，其幅值与R和L无关，但越大衰减越快；而电阻R与电感L的值越大，稳态电流分量的幅值越小。

1.2 调低输出电压时电流的波形

以50 kVA/10 kV，S13系列节能变压器为例，应用Matlab求其变换分接头过程中，变换回路电流及其最大变化率。空载变压器的功率因数很低，令cosφmin=0.2，则φmax=78.5°[8]。当变压器的二次侧的输出电压大于额定电压允许值时，则增加工作绕组匝数的等效线路图和图2相同，只是电流方向相反。其中R=1.15 ΩX=0.825 Ω[9-10]。

当t=0时

得

则应用Matlab求得

根据式（10），运用Matlab的数据处理功能，绘制出调高输出电压是调节回路电流i1波形如图3（a）所示，图中虚线为暂态分量、点连线为稳态分量、实线为回路电流总i1。图（b）为电流暂态分量衰减到零前i1的放大图。

图3 调低输出电压时电流波形Fig.3 Current waveform figure of lowering the output voltage

由图3中可知，环路形成后，i1从-3.81 A变化到0 A，然后逐渐增大，到达峰值后逐渐减小。在无控制信号作用下，若电流过零点的变化率小于电力电子元件的临界变化率，则无触点开关自动关闭，分接头变换完成，变换过程中回路没有过电流产生。由此可见，在调低电压的过程中，可直接进行分接头变换。

1.3 调高输出电压时电流波形

调高输出电压时，等效线路仍和图2相同，当t=0时，i1=3.81 A，则

则运用Matlab求得

应用Matlab绘出回路电流i1波形如图4（a）所示，（b）为其局部放大图。

图4 调高输出电压时电流波形Fig.4 Current waveform figure of increasing the output voltage

由图4可知，电流是先经峰值后再到达过零点，即使在过零点原处于导通状态的分接开关能可靠关闭，回路也会出现很大过电流，将造成开关或绕组烧毁。在调高输出电压时，不能直接进行分接头变换，而必须经过接有限流电阻的过渡回路。

2 限制调节回路电流措施

为限制调高电压时，调节回路电流峰值，在原电路基础上增加带有限流电阻的过渡回路，改进后的原理接线图如图5所示。

图中作为分接开关的K1、K2、K3和K4均为固态继电器（Solid state relay，SSR）

分接头变换程序流程图如图6所示。

图5 具有过渡回路的有载调压原理接线Fig.5 Transition circuit for on-load voltage regulation schematic wiring figure

图6 有载调压原理流程Fig.6 Flow chart of automatic on-load voltage

由图6的变换分接头流程图可以看出，每次调高输出电压时，均先将限流电阻R2串入分接头变换回路，然后再开始分接头变换，这样可以起到限制环流值作用，而在调低电压过程中，没有将限流电阻R2串联到变换回路中，而是直接进行变换，变换比较简单。

3 结果与分析

3.1 仿真结果

运用实验室现有高压设备，组成高压调压器，作为试验样机的高压可调电源，通过改变试验样机高压侧电源的方法，使分接头自动变换，检验其可靠性。试验接线图如图7所示。图7中，Tt为三相自耦调压器，其电源侧接有电流速断保护。T1为50 kVA配电变压器，低压侧接三相自耦调压器。在自耦调压器作用下，可以产生0～11 kV的可调三相交流电压。T2为本无触点有载自动调压配电变压器试验样机，M、R、V、SC分别为三相电动机、电阻箱、电压表和示波器，分别用来模拟负荷和测量电压和观察变压器输出波形。接通三相电源后，通过调节Tt手柄，逐渐升高变压器T2高压侧电源，当电压达到额定电压10 kV以后，反复升高和降低电压，使其分接头反复自动变换。观察是否能可靠变换分接头，是否有过流现象产生，如电流速断保护动作，说明变换分接头时在调节回路有过流产生，反之，调节回路电流在允许范围内。

图7 实验室模拟试验接线Fig.7 Imitate experiment circult diagram in laboratory

试验结果为：当调低T2输入电压时，T2输出电压下降，当降到相电压约为198 V时，分接头自动变换，输出电压自动升高。而在升高T2输入电压时，T2输出电压自动升高，当电压达到237 V时，分接头自动变换，输出电压下降，恢复到220 V附近。无论是调高输出电压还是调低输出电压，电流速断保护均无动作，即无过电流产生。表明在调高输出电压时，只要把合适的限流电阻串入过渡回路，可限制变换分接头时环流在允许范围内。而在调低输出电压时，可进行分接头的直接变换，不产生过流。

3.2 试验结果分析

在调低Tt的输出电压，使升压变压器T1输出电压降低，模拟电网电压下降，T2输出电压下降超过临界值时，改变分接头调高输出电压时，由图6可知，不管原分接头在什么位置，均先将过渡回路无触点开关先触发导通使限流电阻R2串入，再触发与应该变换到的分接头相连的无触点电子开关，使其导通。形成调节过渡回路，其等效电路与图2相同，图中R为限流电阻与调节回路等效电阻之和。

同样以50 kVA/10 kV，S13系列节能变压器为例。限流保护电阻的串入可减小稳态分量幅值，而且可加快暂态分量衰减。若取限流电阻R1=6.8 Ω，则τ=0.227ms，即在1.2 ms以后，暂态分量i"1已衰减为零，则电流i1max主要取决于稳态分量i'1。

在串入限流保护电阻以后，过电流最小减小到51.05 A，该电流值小于开关元件的额定值，也小于电流速断保护的动作值，所以保护不动作。而如果直接进行分接头变换则有大过流产生，验证了前文分析的调高输出电压必须经过限流过渡回路的理论分析结果。

由图6可知，当电网电压升高，使配电变压器输出电压升高，需降低输出电压时，直接进行变换，不经过过渡限流回路。试验结果在变换分接头过程中也无过流产生。说明调低电压时，可直接变换分接头，不必经过限流过渡回路。

4 结论

通过对无触点有载调压变压器调节回路电流理论分析、仿真研究和实验室模拟试验，得出结论为：

①在自动有载调压过程中，调节回路电流变化规律不同，调高输出电压时，电流先到达峰值后再过零点，变换分接头过程中，必须在变换回路中串入限流电阻。而调低电压时，回路电流从变换前的初始值，先到达零点，再到达峰值，若电流变化率小于作为分接开关电力电子元件的临界变化率，在过零点可以可靠关断，不会出现过流，可直接变换分接头。

②从可靠性方面考虑，为降低电流变化率，无论是调高电压还是调低电压，建议均采取降低电流变化率措施，以保证无控制信号时，作为开关的电力电子元件在电流过零点可靠关断。

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Study on no contact on-load regulating transformer tap transformation way

ZHAO Yulin,ZHANG Jidong,GAO Cheng
(School of Electrical and Information,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Transformer on-load voltage regulation around joint transformation has a larger effect on the reliability of the pressure regulating and the structure of the tap-changer.In the process of transformation of the tap,transform circuit current should not be interrupted,and in the transformation can not appear larger overcurrent.Text by directly tap transform equivalent circuit loop current theoretical analysis,computer simulation and laboratory simulation experiment,when the output voltage was lowered,you could directly trigger,and without going through the transition loop,when you increased the voltage,must go through the string current limiting resistance transition loop can tap transform.

on-load voltage regulation;transform tap;transition circuit

TM4

A

1005-9369（2014）11-0124-05

2013-03-06

黑龙江省教育厅科学技术项目（12511038）；黑龙江省高教兴省项目（1252CGZH30）

赵玉林（1956-），男，教授，硕士生导师，研究方向为电力系统自动化技术。E-mail:zyl5631@163.com

时间2014-11-21 16:44:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141121.1644.016.html

赵玉林,张吉冬.无触点有载调压变压器分接头变换方式研究[J].东北农业大学学报,2014,45(11):124-128.

Zhao Yulin,Zhang Jidong,Gao Cheng.Study on no contact on-load regulating transformer tap transformation way[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(11):124-128.(in Chinese with English abstract)