煤矿变压器无触点有载分接开关调压设备研究

琚 翔

（山西省长治经坊煤业有限公司， 山西 长治 047100）

引言

变压器有载自动调压是稳定电力系统电压的有效措施。目前，自动机械接触式分接开关在电力系统中得到了广泛的应用。由于开关改变时会出现电弧，因此必须安装在独立的油箱内，以晶闸管为辅助的有载调压分接开关的变化开关[1]解决了开关动作时产生电弧的问题，但该装置有机械部分，不能频繁操作。将普通变压器的一次侧与主变压器相连，利用晶闸管改变辅助变压器的二次分接头进行调节电压，可以快速运行且不会发生电弧[2]。但这种方法需要复杂的辅助变压器和大容量晶闸管，增加了变压器的成本，限制了开关的性能。因此，它的成本和性能不适合配电变压器。电力电子元件易于控制，开关速度快，在切换过程中不会产生电弧[3]，如果用作变压器有载分接开关，则开关成本低，寿命长，可频繁调节。

本文提出了一种新的配电变压器解决方案，即采用基于双向晶闸管的固态继电器作为无触点自动有载电压调节分接开关。

1 无触点有载分接开关主电路及操作过程

1.1 非接触式分接开关主电路

无触点自动有载调压配电变压器主电路由变压器、非接触式分接开关、环形限流电路和断路器组成控制单元（如图1 所示）。W10为变压器的一次工作绕组，W11和W12为一次调节绕组，W2为次要的配电变压器绕组，SSRi（i=1，2，3，4）为过零型固态继电器，Rx为圆形限流电阻。单片机监控系统的功能是对配电变压器的输出电压进行监控，并根据预先安排的程序发送控制信号。CB 为测量变压器,它为监控系统提供电源和测量信号。

图1 无触点自动有载调压配电变压器主电路

1.2 自动无触点有载分接开关自动调压过程

配电变压器通电前，开关SSR3 处于打开状态。变压器合闸时，变压器输出电压由单片机监控系统自动检测[4]。如果电压超过允许的波动范围，将自动运行有载调压程序。自动有载调压流程图如图2所示。

图2 自动有载调压流程图

2 抽头接头改变时调节绕组状态的理论分析

从每个固态继电器在更换分接头过程中的操作顺序可以看出，在此过程中调节绕组和固态继电器将构成闭环。在回路中会出现循环电流，如果循环电流值过高，固态继电器超出允许值将会损坏。循环电流的值与回路阻抗和功率有关。变压器一次侧的系数为cosφ1，循环电流值越大，cosφ1越小。当cosφmin=0.2，即φmin=78.5°。样本为S9-50 kVA/10 kV 节能配电变压器。有3 个分接头95%UN、UN和105%UN，它们接近中点。当变压器一次侧额定电压为10 kV，额定电流为2.75 A，SSR3 为打开，其他SSR 与W10和W11串联作为工作绕组，连接变压器的线电压二次侧额定电压为400 V，在额定条件下工作。变压器短路电压百分比为4%，短路损耗ΔPk=1150 W，空载电流2.5 A，空载损耗ΔP0=190 W。可以计算转换为变压器一次侧的等效电阻侧RT=23 Ω，等效阻抗XT=32.7 Ω。

假设变压器在分接头UN和限流电阻RX=0 处工作，分析分接头开关过程中产生环流的机理。如果变压器输出电压低于允许值，工作分接头将发生变化，从UN切换到95%UN。从开启SSR1 到关闭SSR2 的这段时间内，闭合回路由调节绕组W11、SSR1、SSR2组成，产生环流电流i，图3 中的等效电路可计算循环电流i。分接头从105%UN切换到UN也适用于该电路。XW11和RW11分别是在变压器一次侧调节绕组W11的等效阻抗和等效电阻。K 是SSR1 的等效开关，UW11是电路的等效电源电压。假设绕组是均匀的，根据绕组的电阻与匝数成正比，阻抗为与其匝数的平方值成比例，且W10和W11串联，计算可得XW11=0.82 Ω，RW11=1.15 Ω。UW11约为一次侧相电压（=8 164sinωt）的5%，即UW11≈408sinωt。图3 中回路的电压方程[5]为：

图3 分接头切换过程中的等效电路

解（1）式，得：

式（2）中：i'为回路电流的稳定分量，i''为回路电流的瞬态分量。

如果RX=0，则：

式（4）（5）中，A 为相对于功率因数角。

如果φ=φmax=78.5°，i1（0-）=-3.81，当t 为0-方向时，3.81=1 289sin35.49°+A，得A=171.59。

为了方便观察SSR1 通断时电流通过SSR2 的变化情况，可绘制电流i1波形。调压降值过程中的圆形电流波如图4 所示，从图中可以看出，在t=0 时SSR1 开启，电流值为通过SSR2（其方向与图3 相同）从3.81 A 开始增加，并且在到达im之后逐渐变小。当i=0 时，SSR2 关闭。如果输出电压值高于允许值，工作分接头应调节至105%UN。K 是SSR4 的等效开关，电路参数采用W12的参数。W11=W12，如果RX=0，则电路参数值未更改。因此，环流方程与（5）式相同。

图4 调压降值过程中的圆形电流波形

在这种情况下，无论SSR4 打开或关闭，SSR2 的电流方向都不会改变。因此，当t=0 时，i1（0-）=-3.81Ai1（0）=3.81A，得A=164.97。

波形如图5 所示：

图5 调压过程中的圆形电流波形

从图5 可以看出，t=0 时，SSR4 开启，循环电流i（通过SSR2 的电流）从-3.81 A 快速变化到过零点。SSR2 在t=0 时关闭，在SSR2 关闭之前，循环电流i 未达到其最大值。在变化过程中，没有出现大的环流。

由此可以得出结论，在调节输出的过程中，环流的产生机理与调高电压、调低电压的过程不同。前者是分接头开关过程中的过电流引起的环流，和过电流值与电路的阻抗有关。后者无论电路阻抗值是多少，过电流不会发生在开关抽头接头的过程。交流调压器向具有多个电压等级的采样变压器施加电压，各电压等级为1 kV。电压调节器的输出电压范围为0～11 kV。在更换分接头将变压器输出电压调节到更高值的过程中，当一次侧施加电压为3 kV，会出现过流，保险丝熔断。在开关分接头将变压器输出电压调节到较低值期间，即使一次侧电压达到11 kV，也会发生过流。

由于会发生过电流，其值与电路电阻有关，因此电流限制在切换分接头的过程中，必须将电阻连接到电路上，RX值不能为零。

RX的连接降低了循环电流稳定分量的振幅和电流的时间常数。它加快了环流i 暂态分量的衰减，减小了环流i 暂态分量的衰减对过电流幅值的影响。如果RX=6.8 Ω，τ=0.227 ms，这表明瞬态分量在测量1.6 ms 后衰减为零。其大小由稳定分量决定。

试验变压器采用40 A 固态继电器，允许最大电流为200 A，其安全系数约为4。通过试验该方案能满足安全要求。

3 结语

试验表明有载自动调压是一种稳定负荷的有效方法。经理论分析和通过试验表明，在调压到较高电压和较低电压的过程中，环流的变化规律是不同的。调压到较高电压时，环形电流在其振幅达到最大值后穿过零值，因此限流电阻必须串联至电路。调压到较低电压时，环形电流在其振幅达到峰值之前穿过零值，因此不需要连接限流电阻。

（编辑：郭萍茹）