農村電網自動穩(wěn)壓技術的研究

孫 猛，趙玉林*，付 巖

（1.東北農業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030；2.綏化市郊農電局，黑龍江 綏化 152000）

目前，雖經農網改造，農網電壓質量有所提高，但仍無法達到國家標準，難以適應農村經濟發(fā)展需要。配電變壓器采用有載自動調壓是穩(wěn)定農村電網電壓的最有效方式[1]。目前通用的機械式有載調壓開關由于結構和性能的限制，不適用與農村配電變壓器[2]，而采用普通調壓方式的無觸點分接開關，雖能自動有載調壓，但由于元件耐壓的限制，調壓范圍只能在電壓波動±10%范圍內，將農網電壓穩(wěn)定在±5%的國標范圍內，穩(wěn)壓范圍小。本文介紹一種應用固態(tài)繼電器（Solid State Relay-SSR）作為分接開關，通過改變獨立的調壓繞組串接的極性，實現(xiàn)大范圍的有載自動調壓進而實現(xiàn)穩(wěn)定農網電壓的接線及控制方式。

1 正反調壓分接開關的主電路及調壓過程

1.1 正反調壓主電路

目前的固態(tài)繼電器最高額定電壓只有660 V，10 kV配電變壓器分接頭通常設在高壓側中性點側，考慮到系統(tǒng)電壓最高為額定電壓的110%，則5%分接頭之間的電壓為317.5 V。如果在每個分接頭上接一個固態(tài)繼電器作為分接開關[3-4]，當分接頭在105%UN檔工作時，則接在95%UN分接頭上的處于關閉狀態(tài)的固態(tài)繼電器就要承受最高635 V的電壓，這時的調壓范圍比較小。而采用鏈式接法[5]，雖然理論上分接頭可以任意多，但采用的固態(tài)繼電器也隨之較多，成本較高；同時在轉換過程中會產生較大的諧波[6]，因此不能被廣泛的應用。本文通過改變配電變壓器的獨立調節(jié)繞組接入極性的方法，即采用正反調壓方式，使調壓繞組串聯(lián)和反串聯(lián)接入基本工作繞組，實現(xiàn)調節(jié)輸出電壓的目的。采用固態(tài)繼電器作為正反調壓開關元件連接方式見圖1。

圖1 正反調壓接線Fig.1 Non-contact on-load tap-changer wiring of positive and negative voltage regulating

圖1中，W0為基本工作繞組，W1和W2為調節(jié)繞組，其匝數(shù)均為W0匝數(shù)的5%。SSR1、SSR2、SSR3、SSR4、SSR5、SSR6、SSR7和SSR8為660 V固態(tài)繼電器。R1和R2均為調壓回路過渡電阻，與之相串聯(lián)的固態(tài)繼電器SSR7和SSR8為過渡回路分接開關，只有在變換分接頭時該開關才導通。在正常工作狀態(tài)，該固態(tài)繼電器均處于截止狀態(tài)。

1.2 自動調節(jié)過程

當變壓器上電后，在啟動電路作用下，變壓器二次側有電壓輸出，單片機監(jiān)控系統(tǒng)工作，初始狀態(tài)是SSR1和SSR4，其余關斷。經一定延時后，監(jiān)控系統(tǒng)進入自動調節(jié)程序。如果變壓器二次側輸出電壓高于允許值，則應當關閉SSR4，使SSR5導通，為了限制變換分接頭時調節(jié)回路的電流[7-11]，必須在變換過程中，首先觸發(fā)SSR8，將限流電阻串入回路，然后關閉SSR4，再觸發(fā)SSR5，最后關閉過渡回路的開關SSR8，完成一次調節(jié)。如果電壓還是高于允許值，則應使SSR1和SSR6導通，變換過程中首先觸發(fā)SSR8，然后關閉SSR5，再觸發(fā)SSR6，最后關閉SSR8。每次調節(jié)時都是先串入限流過渡回路，再進行分接頭的變換。當SSR1和SSR4導通其余固態(tài)繼電器均處于截止狀態(tài)時，如果輸出電壓低于允許值時，則應將變壓器的調節(jié)繞組與基本工作繞組進行同名端連接，即將調壓繞組反串聯(lián)接入工作電路，進行分接頭的調節(jié)。首先觸發(fā)SSR7，將限流電阻R1串入調節(jié)回路，關閉SSR1，觸發(fā)SSR2，關閉SSR7，即SSR2與SSR4導通。若電壓還是低于允許值，則使SSR3和SSR4導通。首先觸發(fā)SSR7，然后關閉SSR2，再觸發(fā)SSR3，最后關閉SSR8。輸出電壓與固態(tài)繼電器導通狀態(tài)及工作繞組如表1所示。

由表1可看出，有載調壓共分為5檔，每次調壓過程中每相只改變兩個固態(tài)繼電器的工作狀態(tài)，只需控制一個固態(tài)繼電器關閉，并過渡到另外一個固態(tài)繼電器導通。這就使控制結構及控制流程簡單化。具體的調節(jié)過程如圖2所示。

表1 固態(tài)繼電器工作狀態(tài)與工作繞組Table 1 Status of Solid State Relay and working windings

圖2 有載調壓流程Fig.2 Flow chart of on-load voltage regulation

2 正反調壓各開關元件承受電壓分析

采用圖1的接線，當一次側電壓為額定電壓時，SSR1和SSR4導通，處于關閉狀態(tài)的SSR3和SSR6承受的電壓最高，為一次側額定相電壓的10%，為577.4 V，固態(tài)繼電器有83 V的絕緣裕度。當變壓器一次側電壓有10%的過電壓時，SSR1和SSR6導通，此時處于關閉狀態(tài)的SSR3和SSR4承受電壓最高，為一次側額定相電壓的11%，為635 V，具有24 V的絕緣裕度。而當一次側電壓為額定電壓的90%或更低時，SSR3和SSR4將處于導通，其余處于關閉狀態(tài)。此時SSR1和SSR7承受電壓最高，但不高于一次側額定相電壓的9%，即不高于520 V，有140 V的絕緣裕度。

經以上分析，采用正反調壓接線方式具有控制結構簡單和安全可靠的優(yōu)點。

3 自動穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的組成

3.1 控制系統(tǒng)硬件組成

為提高配電變壓器的無觸點自動調壓功能，保證電力用戶的可靠用電，以單片機技術[12]來完成配電變壓器分接頭的自動變換，穩(wěn)定輸出電壓。

有載自動調壓分接開關的控制系統(tǒng)硬件電路由電源單元、數(shù)據(jù)采集單元、過零檢測單元、復位單元、固態(tài)繼電器SSR驅動單元等五部分組成。其原理結構框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結構Fig.3 Diagram of control system hardware structure

3.2 控制系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件結構采用模塊化設計，各部分功能分別由相應的子程序來完成，使系統(tǒng)操作軟件結構清晰，便于調試和修改。軟件系統(tǒng)主要包括下列功能模塊：

①電壓采樣及數(shù)據(jù)處理程序；

②電壓過零檢測中斷服務程序；

③分接開關轉換程序；

④延時程序；

⑤系統(tǒng)復位程序。

4 模擬實驗調壓結果與分析

采用圖2所示的工作流程，當變壓器二次側電壓超出97%～103%UN波動時，才進行有載調壓分接開關的切換，即當二次側線電壓在小于388 V或大于412 V，進行分接頭調節(jié)。實驗室用輸出電壓范圍為0～480 V的調壓器Tt連接升壓變壓器T1（反接配電變壓器）為試驗樣機T2提供0～12 kV交流電源，其接線原理圖如圖4所示。

圖4 有載調壓模擬實驗接線Fig.4 Diagram of on-load voltage regulation simulated experiment wiring

根據(jù)圖4中電壓表V1測得的數(shù)據(jù)可計算出T1高壓側電壓，即試驗樣機高壓側電壓，得到結果如表2所示。由表2可以得出結論，應用圖1中所示的正反調壓無觸點有載自動調壓分接開關，可較好的實現(xiàn)穩(wěn)定電壓的目的，并且僅用兩個5%的獨立調壓繞組，當電網電壓在額定電壓的87.3%～113.3%范圍內波動時，就可實現(xiàn)將配電變壓器輸出電壓穩(wěn)定在額定電壓的97%～103%范圍內；當電網電壓在額定電壓的85.5%～115.5%范圍內波動時，可將配電變壓器輸出電壓穩(wěn)定在額定電壓的95%～105%范圍內。這就使正反調壓技術適用于電壓范圍波動比較大的農村電網。

表2 調壓前后對照Table 2 Comparisons from voltage regulating beginning to end

5 結 論

采用正反調壓方式，與簡單的在每個分接頭上直接接固態(tài)繼電器的調壓方式相比，在調節(jié)繞組個數(shù)和元件最高耐壓不變的情況下，可以使調壓范圍增大一倍。采用正反調壓方式與鏈式接法相比，可以使串聯(lián)工作的固態(tài)繼電器個數(shù)較少，可使工作可靠性提高和和降低變壓器的諧波污染。采用正反調壓方式，每次切換分接頭每相只改變兩個固態(tài)繼電器工作狀態(tài)，使得控制結構和控制流程簡單化。因此，正反調壓穩(wěn)壓技術可廣泛應用于農村電網，尤其是電壓波動范圍大于波動允許值的地區(qū)。

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