一种改进型有载分接开关拓扑的设计与仿真

徐 杰，袁 敏，徐伟明

国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000

0 引言

传统纯机械式有载分接在开关切换过程中的电弧烧蚀触头问题十分突出。随着电力电子技术的迅速发展，大功率、高耐压晶闸管推动了有载调压技术的研究与进步。国内外很多学者采用晶闸管器件取代传统的机械式分接开关，以解决有载分接开关带负荷切换时的电弧问题，并提出了各种设计方案[1-3]。文章以晶闸管为辅助开关，在分接开关切换时予以使用，可以实现无弧切换，但在正常运行时仍使用机械式开关。

1 晶闸管辅助机械开关式有载分接开关

文章所设计的改进型晶闸管辅助机械开关式有载分接开关的主电路拓扑结构如图1所示。

图1 晶闸管辅助机械开关式有载分接开关

图1中，L0为主绕组；L1～L16为调压绕组，均为额定绕组的2.5%，共16个；DL为断路器，只在断路器投入运行和退出运行时动作；S1～S17、S01、S02为机械开关；K1～K4为双向反并联的晶闸管（附带其各自的保护电路）。其中，R1、R3（R1=R3）的主要作用是为晶闸管提供正向电压，使其可以导通，调节结束后需退出回路；R2、R4（R2=R4）为限流过渡电阻，可以保证在分接头开关切换的过程中不会发生分接绕组间的直接短路，且R2远小于R1，使负载电流能顺利转移到下支路。该拓扑结构设计可以实现有载调压过程无电弧，且结构简单，晶闸管数量少。

2 晶闸管辅助机械开关式有载分接开关控制策略

晶闸管辅助机械开关式有载分接投入运行的初始状态投入运行的步骤：为了避免产生电弧，机械开关的开断与闭合时，其所在支路都在无电流或电流较小的状态下进行。由于机械开关不影响调压的动态过程，而仅改变变压器的稳态运行状态，即调压状态，因此不需要动作时刻的准确性[4]。对调压过渡过程产生决定性影响的是晶闸管开关，即图1中的K1～K4。晶闸管开关由触发脉冲信号所控制，因此以从初始状态只接入主绕组L0到将调压绕组L1的过程为例，对绕组投切时刻控制进行说明。

假设现因电压变化，需要从S1切换至S2状态，切换过程说明如下。

（1）停止触发K3时。K3关断后R1投入运行，使K1两端承受一定的电压，为其导通提供条件。

（2）给K1发送触发信号。由于R1远大于R2，变压器电流大部分从S01支路转移到K1支路，给K1发送触发脉冲时，需要对其触发时刻进行控制，使其在电流过零点触发导通，避免产生暂态过程。

（3）断开S01。此时断开机械开关S01，变压器一次侧电流已经转移到K1支路，断开S01不会产生电弧，不需要对机械开关S01的开断时刻进行控制。

（4）闭合S2。闭合S2时L1尚未形成回路，流经S2的电流为零，因此不需要对机械开关S2的动作时刻进行控制。S2闭合后，K2承受调压绕组L1两端电压（忽略部分电压损耗），为K2导通提供条件。

（5）触发导通K2。K2导通后调压L2两端将形成回路，将会有一定的电流流过晶闸管K2，因此需要对晶闸管触发时刻进行控制，使其在电流过零时刻触发，避免产生暂态过程。K2导通后，R2和R4串联在回路中，没有发生直接短路。同时，停止触发K1，此时与步骤（1）相似，晶闸管会在电流过零点自然关断。

（6）断开S1。K1已经关断，S1上已经没有电流，因此不需要对S1动作时刻进行控制。此时负载电流流过S2、K2、R4。

（7）闭合S02。此时，变压器一次侧电流主要流经K2支路，而流经S02上的电流非常小，因此不需要对S02的动作时刻进行精确控制。

（8）停止触发K2。晶闸管K2关断后，电流从下支路转移到上支路。

（9）触发K4。K4导通后变压器一次侧电流全部流经K4，因此需要对K4的出发时刻进行控制，使其在电流过零点触发导通，避免产生暂态过程。此时，电阻R3短路，调压过程结束。

从以上分析过程可以看出，对晶闸管而言，当其触发导通时，均会有大电流流过晶闸管，因此需要对晶闸管的导通时刻进行电流过零触发，避免产生暂态过程。

3 仿真分析

为了验证所设计的晶闸管辅助机械开关式有载分接开关的拓扑结构及其控制策略的有效性，需要进行仿真验证。以SimPowerSystems库中的单相多绕组变压器模型为基础，搭建宽幅有载调压变压器的模型[5]。变压器设计为从高压侧引出17个分接头（16级调压绕组），额定容量为20 000 kVA，一次侧额定电压为110 kV，二次侧额定电压为35 kV，并设置变压器为饱和变压器模型。仿真分为一次侧电压降低和一次侧电压升高两种情形。

电压降低时的电压电流波形图如图2所示。图2中，一次侧电压初始幅值为155.56 kV（即有效值为110 kV），变压器在t=0.01 s时合闸。为了消除合闸涌流的影响，使其合闸角为90°，此时合闸涌流最不明显。在t=0.10 s时，电源电压降低，为了使效果更明显，设置幅值降低至120.6 kV（有效值为85.25 kV，是额定电压110 kV的77.5%）。

由图2可见，一次侧电压在0.10 s后有明显降低，一次侧电流也随之降低。此时，有载调压变压器并未完成调压，二次侧电压降低，电流减小。有载调压变压器开始动作，在0.15 s后完成调压，此时一次侧电压仍未恢复，而二次侧电压和电流已经恢复至额定值。同时，一次侧电流比t=0.10 s时更大，这是因为负载功率保持不变而一次侧电压降低，导致一次侧电流增大。在变压器调压过程中，因为晶闸管总是在电流过零点触发导通，所以没有产生明显的冲击电流，不会对电网产生冲击，与仿真结果一致。

图2 电压降低时的电压电流波形

一次侧电压初始幅值为155.56 kV（有效值为110 kV），变压器在t=0.01 s时合闸。为了消除合闸涌流影响，使其合闸角为90°，此时合闸涌流最不明显。在t=0.10 s时，电源电压升高，幅值升高至175 kV（有效值为123.75 kV，是额定电压110 kV的112.5%）。一次侧电压在0.10 s后有明显升高，一次侧电流也随之升高。由于有载调压变压器尚未完成调压，二次侧电压和电流也会暂时升高。当有载调压变压器开始动作，在0.15 s后，一次侧电压仍未恢复，而二次侧电压和电流均已恢复至额定值。此时，一次侧电流小于t=0.10 s时的电流，这是因为负载功率保持不变而一次侧电压升高，导致一次侧电流减小。

4 结束语

文章通过晶闸管辅助机械开关实现投切过程无弧化，并设计了晶闸管辅助机械开关式有载分接开关的控制策略。通过仿真研究结果可以看出，该设计可靠性高，控制策略合理有效，控制响应速度快，投切过程冲击小，且设备结构简单，造价较低，既避免了传统机械开关式有载分接开关切换时存在电弧的问题，又有效解决了纯电力电子开关式有载分接开关稳定性差、造价较高等问题，具有较好的推广应用价值。