大功率電力電子開關(guān)用于配電變壓器無弧有載調(diào)壓方案

【摘要】文章基于對大功率電力電子開關(guān)用于配電變壓器相關(guān)理論的分析與探討，提出了兩種不同的，可基于無弧有載調(diào)壓實現(xiàn)無弧切換的工作方案，并就兩種方案下的動作切換模式以及工作原理展開了詳細分析與探討，文章最后對兩種方案下的性能進行了對比，指出B方案，也就是在引入固態(tài)繼電器組裝置下，無弧有載調(diào)壓方案的顯著優(yōu)勢，望引起重視。

【關(guān)鍵詞】大功率電力電子開關(guān)；配電變壓器；無弧有載調(diào)壓；無弧切換

傳統(tǒng)以上，機械構(gòu)件與電動機構(gòu)結(jié)合狀態(tài)下的變壓器有載調(diào)壓分接開關(guān)存在的大量的問題與缺陷，其中以較高的故障率、以及較慢的響應(yīng)動作為主。更關(guān)鍵的是：在變壓器調(diào)壓過程當(dāng)中，受到電弧作用力因素的影響，極有可能致使觸頭出現(xiàn)燒蝕等方面的問題，不但會致使油體污染方面的問題產(chǎn)生，同時也在很大程度上制約著變壓器功能的實現(xiàn)。而在引入大功率電力電子開關(guān)應(yīng)用于有載分接開關(guān)，可滿足調(diào)壓運行的無弧化特點，從而達到提高電力變壓器運行質(zhì)量與水平的問題。本文即針對上述問題展開詳細分析與探討。

1.研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外有關(guān)基于電力電子開關(guān)電流特性研究，滿足改善有載調(diào)壓變壓器分接頭切換的研究始于上世紀(jì)70年代中期，但受到制造成本、動作實施可靠性等多個方面因素的影響，導(dǎo)致該技術(shù)無法在實際應(yīng)用中加以落實。但是，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展與完善，電力系統(tǒng)對于相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用更加的完善，從而使得變壓器無弧有載調(diào)壓方案的可行性更加突出。

對比我國，國內(nèi)有關(guān)無弧有載調(diào)壓開關(guān)的研究相對起步較早，所取得的研究成果也更加的突出與典型。其中，以奧地利伊林有載分接開關(guān)公司所研發(fā)生產(chǎn)的一種基于晶閘管發(fā)揮輔助效果的TADS切換開關(guān)最為突出，在晶閘管的輔助作用之下，聯(lián)合機械觸頭的運行，可滿足分接開關(guān)的綜合性優(yōu)勢。傳統(tǒng)意義上，電弧觸頭所對應(yīng)的功能可以由晶閘管作為開關(guān)元件的方式加以替代。在整個線路的運行過程當(dāng)中，基于晶閘管的開關(guān)元件可在切換過程當(dāng)中達到開斷電流的目的，與機械觸頭聯(lián)合形成切換開關(guān)所對應(yīng)的觸頭系統(tǒng)，從而滿足無弧有載調(diào)壓的運行功能。

在該基于TADS的切換開關(guān)當(dāng)中，每相與一個晶閘管部件保持對應(yīng)關(guān)系，機械觸點等同于常規(guī)電路系統(tǒng)中的主通觸頭。在整個電路處于靜止運行的狀態(tài)臺下，電流可通過機械觸點流通。與此同時，在電流通路進行切換動作期間，所有機械觸頭的開斷動作均是以不帶電流運行作為基本前提的。從這一角度上來說，該電路運行期間可最大限度避免觸頭燒損以及油體污染等方面的質(zhì)量問題，從根本上避免了因線路頻繁檢修而導(dǎo)致的損失問題。

但該系統(tǒng)也存在一定的不足之處，主要表現(xiàn)為：建立在晶閘管部件與機械觸頭的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)有載調(diào)壓功能，盡管在無弧切換動作的實施過程當(dāng)中可滿足“無弧”方面的需求，但仍然屬于基于機械電子的混合使結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致操作以及控制動作相對比較復(fù)雜，難度較大。

2.基于無弧有載調(diào)壓方案分析

基于以上有關(guān)基于大功率電力電子開關(guān)作用力配電變壓器運行情況的分析，筆者認為：為滿足無弧有載調(diào)壓的相關(guān)要求，可建立在變壓器高壓繞組的基礎(chǔ)之上，根據(jù)不同的連接方式，實現(xiàn)無弧切換的效果。具體有如下兩種方案：

A方案：該方案實現(xiàn)無弧切換效果的關(guān)鍵在于，大功率電力電子開關(guān)雙向晶閘管建立在變壓器高壓繞組的基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)與常規(guī)分接選擇器的聯(lián)合處理。該方案下所對應(yīng)的無弧切換工作原理示意圖如下圖所示（見圖1）。

圖1中，X1以及X2均為該變壓器高壓繞組所對應(yīng)的抽頭，R表示的是該電路運行期間的過渡電阻，可發(fā)揮相對于變壓器高壓繞組側(cè)所傳輸高電流的限流作用，SCR1以及SCR2為無觸點電力電子開關(guān)所對應(yīng)的晶閘管，對應(yīng)為雙向關(guān)系，ST則為分接選擇器，該選擇器支持在線路無負載的運行狀態(tài)下，對分接頭進行選擇。

A方案實現(xiàn)配電變壓器無弧有載調(diào)壓運行的主要工作原理為：若變壓器高壓繞組正常運行狀態(tài)下，以X1分接頭作為工作載體，則圖1中所對應(yīng)的SCR1晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，在如連接過渡電阻的1-ST-R區(qū)段通路當(dāng)中，檢測無電流。同時，SCR2晶閘管則處于阻斷狀態(tài)。在以上運行條件作用之下，系統(tǒng)電壓產(chǎn)生變動，為確保低壓側(cè)所輸出電壓水平的穩(wěn)定、可靠，就需要對該配電變壓器以X2分接頭作為工作載體。此狀態(tài)下的運行方案為：ST分接選擇器在無負載運行狀態(tài)下，自“1”切換至“2”，將SCR1晶閘管切換至關(guān)閉狀態(tài)，形成如圖1中所示的X2-2-ST-R區(qū)段通路。該區(qū)段通路的運行觸發(fā)SCR2晶閘管并促使其處于導(dǎo)通狀態(tài)，所形成電流通路為X2-SCR2區(qū)段，滿足一次性分接轉(zhuǎn)換的功能。

B方案：該方案實現(xiàn)無弧切換效果的關(guān)鍵在于：以基于大功率的固態(tài)繼電器組裝置替代A方案當(dāng)中的ST分接選擇器，作為完成分接任務(wù)的載體。下圖（見圖2）為B方案所對應(yīng)的無弧切換工作原理示意圖。該方案的優(yōu)勢在于：能夠剔除基于機械運轉(zhuǎn)式調(diào)壓變壓器中所涉及到的運動部件以及電動機構(gòu)，避免電路運行期間頻繁出現(xiàn)電動機構(gòu)故障的問題。同時，該電路運行下的分接選擇工作以及切換動作還可支持軟件控制的方式實現(xiàn)。

A方案實現(xiàn)配電變壓器無弧有載調(diào)壓運行的主要工作原理為：變壓器高壓繞組正常運行狀態(tài)下，以X1分接頭作為工作載體，則圖2中所對應(yīng)的SCR1晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，則圖2中X1-SCR1區(qū)段處于電流通路的運行狀態(tài)。同情況下，圖2中SSR1S、SSR2、以及SCR則均處于斷開狀態(tài)。換句話來說，在系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動運行的情況下，為了保障變壓器低壓側(cè)供電質(zhì)量的穩(wěn)定與可靠，在邏輯判斷的條件下，需要將變壓器運行工況轉(zhuǎn)變?yōu)閄2分接接頭。此狀態(tài)下的運行方案為：固態(tài)繼電器SSR2被觸發(fā)，同步關(guān)斷SSR1，此狀態(tài)下所形成的電流通路表現(xiàn)為X2-SSR2-R區(qū)段。在此基礎(chǔ)之上，觸發(fā)SCR2處于導(dǎo)通狀態(tài)，此狀態(tài)下所形成的電流通路表現(xiàn)為X2-SCR2區(qū)段，滿足一次性分接轉(zhuǎn)換的功能。

3.結(jié)束語

本文在基于對大功率電力電子開關(guān)用語配電變壓器理論要點分析的基礎(chǔ)之上，提出了兩種不同的，可滿足無弧有載調(diào)壓需求的無弧切換工作方案。其中，A方案屬于機械電子混合調(diào)壓運行模式，雖能夠滿足無弧切換的工作需求，但結(jié)構(gòu)設(shè)置上相對比較復(fù)雜，運行期間容易出現(xiàn)動作延遲以及各類故障問題。而對于B方案而言，由于引入了固態(tài)繼電器組參與運行，從而能夠剔除基于機械運轉(zhuǎn)式調(diào)壓變壓器中所涉及到的運動部件以及電動機構(gòu)，避免電路運行期間頻繁出現(xiàn)電動機構(gòu)故障的問題，實際運行中動作快速，結(jié)構(gòu)簡單，特別是針對35kV電壓等級以下的配電變壓器而言，優(yōu)勢突出，可將B方案作為實現(xiàn)無弧有載調(diào)壓的基礎(chǔ)方案，以上問題望引起各方人員的關(guān)注與重視。

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作者簡介：胡群榮（1957—），電氣工程師，主要從事真空電力開關(guān)設(shè)計技術(shù)工作。