無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)壓配電變壓器可靠性技術(shù)的分析與應(yīng)用

黃 輝 王玥超

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司云浮供電局，廣東 云浮 527300）

無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)壓配電變壓器可靠性技術(shù)的分析與應(yīng)用

黃 輝 王玥超

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司云浮供電局，廣東 云浮 527300）

變壓器有載自動(dòng)調(diào)壓是解決電力系統(tǒng)電壓偏移的有效措施，如今無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)壓變壓器技術(shù)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)智能控制領(lǐng)域研究的重要課題之一。本文主要是以無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)壓變壓器調(diào)壓的可靠性為研究對(duì)象，以50kVA配電變壓器為例，應(yīng)用單片機(jī)控制晶閘管開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)變壓器的有載調(diào)壓。系統(tǒng)方案針對(duì)影響調(diào)壓可靠性的因素進(jìn)行了分析，并針對(duì)這些問(wèn)題提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，使變壓器有載調(diào)壓的可靠性得到提高。

變壓器；有載調(diào)壓；可靠性；晶閘管

無(wú)弧有載調(diào)壓變壓器的結(jié)構(gòu)主要分為四部分，即分接開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元和控制單元。分接開(kāi)關(guān)是變壓器電壓調(diào)整的操作機(jī)構(gòu)，傳統(tǒng)的機(jī)械式分接開(kāi)關(guān)故障率高容易反生電腐蝕甚至粘連，本文中的分接開(kāi)關(guān)采用反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成具有具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；驅(qū)動(dòng)單元的作用是發(fā)出脈沖信號(hào)，控制晶閘管模塊的導(dǎo)通；檢測(cè)單元主要用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)電壓波動(dòng)，并進(jìn)行晶閘管觸發(fā)的過(guò)零檢測(cè)；控制單元主要進(jìn)行整個(gè)功能的系統(tǒng)控制，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，并控制相應(yīng)的動(dòng)作輸出[1]。

1 影響有載調(diào)壓變壓器電壓調(diào)節(jié)可靠性的因素

1.1 起動(dòng)機(jī)構(gòu)退出的可靠性

中間繼電器是起動(dòng)機(jī)構(gòu)的常用器件，在起動(dòng)過(guò)程中繼電器觸點(diǎn)中流過(guò)的電流較大，可能會(huì)造成觸點(diǎn)的粘結(jié)，導(dǎo)致回路長(zhǎng)期導(dǎo)通。此外繼電器線圈的耐壓較低難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

1.2 反并聯(lián)晶閘管的工作可靠性

主要在晶閘管的過(guò)零觸發(fā)電路，在阻性負(fù)載下，晶閘管的觸發(fā)一般比較正常。當(dāng)存在較大電感負(fù)載時(shí)，分接開(kāi)關(guān)從額定位置切換到非額定位置的過(guò)程中，由于電感對(duì)電流的滯后作用，可能導(dǎo)致分接開(kāi)關(guān)不能觸發(fā)導(dǎo)通，造成變壓器回路斷開(kāi)，引起過(guò)電壓擊穿分接開(kāi)關(guān)；而在分接開(kāi)關(guān)動(dòng)非額定位置向額定位置動(dòng)作時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)分接開(kāi)關(guān)無(wú)法關(guān)斷的情況。此外，在晶閘管關(guān)斷時(shí)的反向電壓可能會(huì)造成晶閘管的電壓擊穿。

1.3 驅(qū)動(dòng)單元的觸發(fā)電路可靠性問(wèn)題

一方面電力系統(tǒng)的高電壓要求驅(qū)動(dòng)單元原件要有較高的絕緣性能，同時(shí)光耦回路的電氣隔離以及電源變壓器都很難滿足如此高的電壓需求，必須選擇具有高絕緣性能的元件彌補(bǔ)這一缺陷。

1.4 處理單元程序可靠性

單片機(jī)是控制單元的核心器件，單片機(jī)程序的混亂和死機(jī)是單片機(jī)故障的主要原因，因此必須設(shè)計(jì)單片機(jī)故障閉鎖裝置，防止裝置誤動(dòng)作，并及時(shí)排除單片機(jī)內(nèi)部故障[2]。

2 提高無(wú)觸電有載調(diào)壓變壓器運(yùn)行可靠性方案

2.1 過(guò)渡支路開(kāi)關(guān)的改良

針對(duì)過(guò)零觸發(fā)電路對(duì)反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成的過(guò)渡支路的影響，過(guò)渡支路選用雙向晶閘管，由中間繼電器和電阻構(gòu)成其觸發(fā)電路，其電路圖如圖1所示。

圖1 過(guò)渡支路開(kāi)關(guān)起動(dòng)改良方案

圖1中變壓器上電后，中間繼電器的常閉點(diǎn)和觸發(fā)電阻構(gòu)成的觸發(fā)電路形成回路，雙向晶閘管導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)接通；控制單元接通電源后，中間繼電器吸合，常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，觸發(fā)電路斷開(kāi)，從而導(dǎo)致雙向晶閘管關(guān)斷，起動(dòng)結(jié)束。調(diào)壓中，當(dāng)需要接入過(guò)渡支路時(shí)，中間繼電器線圈失電，常閉點(diǎn)閉合，雙向晶閘管重新導(dǎo)通；當(dāng)需要切斷過(guò)渡支路時(shí)，則控制吸合中間繼電器，關(guān)斷雙向晶閘管，調(diào)壓任務(wù)完成。

針對(duì)雙向晶閘管關(guān)斷過(guò)程中瞬間過(guò)電壓擊穿的問(wèn)題，可以如圖3所示在晶閘管兩端加裝阻容吸收回路，利用電容電壓不突變的特性，以及電阻的限流作用，抑制瞬間過(guò)電壓的產(chǎn)生。阻容吸收的電路的元件參數(shù)選取經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表1[3]。

圖2 阻容吸收回路

表1 晶閘管阻容吸收電路參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值

2.2 反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)方案優(yōu)化

1）光纖觸發(fā)方案結(jié)構(gòu)圖

晶閘管光纖觸發(fā)的方案結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由驅(qū)動(dòng)電路、光發(fā)送器、光纖。關(guān)接收器、觸發(fā)電路和高壓取能直流供電電路組成。控制系統(tǒng)通過(guò)分析變壓器低壓側(cè)采集的電壓信號(hào)，控制反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷，光纖發(fā)送器將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，經(jīng)光纖電纜輸送到光纖接收器，從而控制觸發(fā)電路達(dá)到導(dǎo)通關(guān)斷晶閘管的目的。

圖3 光纖觸發(fā)方案結(jié)構(gòu)圖

2）光纖觸發(fā)電路

如圖4所示，應(yīng)用光接收器形成反并聯(lián)晶閘管的管線觸發(fā)電路。當(dāng)沒(méi)有光信號(hào)時(shí)，光接收器里的三極管保持截止，R4.1為T(mén)4.1提供基極電流而促使其導(dǎo)通，光電耦合器OC4.1、QC4.2工作，使V4.1和V4.2的觸發(fā)信號(hào)關(guān)斷。當(dāng)光信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，光接收器的三極管導(dǎo)通，當(dāng)反并聯(lián)晶閘管兩端電壓足夠低時(shí)，T4.2由于R4.1、R4.2的分壓作用而截止，從而V4.1、V4.2導(dǎo)通，R4.4或R4.5觸發(fā)反并聯(lián)的晶閘管導(dǎo)通。

圖4 晶閘管光纖觸發(fā)電路

2.3 控制單元故障閉鎖裝置

看門(mén)狗芯片是單片機(jī)硬件系統(tǒng)外圍重要輔助元件，是故障閉鎖裝置的核心，它可以對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)以后，可以使單片機(jī)復(fù)位恢復(fù)工作。X5045是一種常用的看門(mén)狗芯片[4]。

1）上電復(fù)位通知電路

上電復(fù)位通知電路如圖5所示，系統(tǒng)得電瞬間由于RC電路的存在，使得在電容C完成充電之前，電路輸出持續(xù)保持一段時(shí)間低電平狀態(tài)，而在看門(mén)狗復(fù)位時(shí)，電路輸出持續(xù)為高電平。根據(jù)這一原理，可以對(duì)復(fù)位電路的上電復(fù)位和看門(mén)狗復(fù)位進(jìn)行判斷。在單片機(jī)復(fù)位時(shí)，可以對(duì)引腳P0.2的電平狀態(tài)進(jìn)行讀取，當(dāng)P0.2地區(qū)的電平值為1時(shí)，則可判斷出單片機(jī)在進(jìn)行看門(mén)狗復(fù)位；反之，單片機(jī)復(fù)位時(shí)，引腳P0.2的電平為0時(shí)，則可判斷出單片機(jī)在進(jìn)行上電復(fù)位。復(fù)位通知功能有很強(qiáng)的實(shí)際意義，一旦程序發(fā)生混亂，初始化時(shí)則可根據(jù)復(fù)位的類(lèi)別讀取分接頭在故障前的狀態(tài)，從而確保變壓器一次側(cè)繼續(xù)保持歉意狀態(tài)運(yùn)行，避免誤動(dòng)作的發(fā)生。

圖5 上電復(fù)位通知電路

2）觸發(fā)控制信號(hào)閉鎖電路

如圖6所示，正常工作狀態(tài)下，看門(mén)狗的引腳RST保持低電平，單片機(jī) CP輸出為為高電平，經(jīng)邏輯運(yùn)算之后由74LS273的CP引腳輸入高電平；若要使Qn改變跟隨Dn狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)輸出保持一段時(shí)間低電平后，改為高電平輸出，進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，輸出信號(hào)為上升沿；在看門(mén)狗進(jìn)行復(fù)位時(shí)，邏輯運(yùn)算的結(jié)果均為高電平，單片機(jī)的上升沿信號(hào)被屏蔽，正常運(yùn)行時(shí)，單片機(jī) CP的上升沿信號(hào)可以正常傳輸，從而完成了CP信號(hào)的閉鎖功能。

圖6 控制信號(hào)閉鎖電路

3）中間繼電器控制閉鎖電路

由變壓器的運(yùn)行動(dòng)作順序可知，分接開(kāi)關(guān)的控制命令應(yīng)在控制系統(tǒng)上電后應(yīng)第一個(gè)發(fā)出，導(dǎo)通額定位置分接開(kāi)關(guān)，關(guān)斷其他分接開(kāi)關(guān)，起動(dòng)機(jī)構(gòu)退出信號(hào)在一段時(shí)間的延時(shí)后發(fā)出。由于單片機(jī)的本身特性導(dǎo)致，在其上電初的的幾百毫秒，其輸入輸出引腳會(huì)保持高電平，單片機(jī)運(yùn)行之后回復(fù)程序命令狀態(tài)。鎖存觸發(fā)芯片74HC237會(huì)在控制單元上電時(shí)屏蔽單片機(jī)輸入輸出引腳的狀態(tài)，單片機(jī)的控制信號(hào)在MR引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)才被正常傳輸?shù)椒纸娱_(kāi)關(guān)的觸發(fā)控制。上電復(fù)位通知電路決定MR的狀態(tài)，回路的 RC參數(shù)影響其低電平的保持時(shí)間?？刂葡到y(tǒng)初始化完成并能正常輸出控制信號(hào)時(shí)起動(dòng)裝置方可退出。而中間繼電器最終實(shí)現(xiàn)調(diào)壓過(guò)渡支路和起動(dòng)裝置的投入的控制。分析以上信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，可以得出繼電器控制信號(hào)閉鎖電路如圖 7所示。

圖7 中間繼電器控制信號(hào)閉鎖電路

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)變壓器的實(shí)際調(diào)壓運(yùn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)壓配電變壓器繼電器動(dòng)作，自動(dòng)調(diào)壓過(guò)程正常變壓器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在變壓器空載合閘、感性負(fù)載和負(fù)載突變情況下的可靠性也有所提高。但是，我們發(fā)現(xiàn)方案中仍有很多問(wèn)題需要解決，如方案的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證、起動(dòng)機(jī)構(gòu)的絕緣問(wèn)題以及分接開(kāi)關(guān)擊穿報(bào)警功能的研究等。因此，無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)壓變壓器的可靠性技術(shù)研究還有很長(zhǎng)的路要走，還需要引進(jìn)更多更為先進(jìn)的技術(shù)來(lái)促進(jìn)方案的不斷改進(jìn)。

[1]李星龍, 葉安理.新型平滑可控有載分接開(kāi)關(guān)的研究[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 22(2): 50-53.

[2]陳迎松, 馮凱.基于單片機(jī)控制的有載調(diào)壓裝置設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2006, 22(29): 270-272.

[3]黃俊杰, 李曉明.電力電子有載調(diào)壓裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備, 2003, 23(7): 54-57.

[4]周向紅.X5045芯片在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2006(5): 111-112, 116.

黃 輝（1983-），廣東省韶關(guān)，生產(chǎn)設(shè)備管理部，電氣工程師、供電可靠性、無(wú)功電壓、配網(wǎng)管理專責(zé)。

Analysis and Application of Reliability Technology of the Distribution Transformer with no Contact Load

Huang Hui Wang Yuechao
(Guangdong Power Grid Co., Ltd, Yunfu Power Supply Bureau, Yunfu, Guangdong 527300)

Effective measures to solve the voltage shift of power system with the load of the transformer.Nowadays, the technology of non contact with load regulating transformer has become an important research topic in the field of power system intelligent control.In this paper, the reliability of the voltage regulator with no contact with the load voltage is studied.The 50kVA power distribution transformer is used as an example.The single chip microcomputer controlled thyristor switch is used to realize the load regulating of the transformer.The factors that influence the reliability of the system are analyzed, and the corresponding improvement scheme is put forward to improve the reliability of the transformer with the load voltage regulation.

transformer; on-load voltage regulation; reliability; thyristor