基于晶閘管的無觸點(diǎn)線路調(diào)壓裝置的低電壓治理

，，，， (.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 6004；.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 60065；.成都億成科技有限公司，四川 成都 67)

0 引 言

新世紀(jì)以來伴隨著中國對農(nóng)村建設(shè)的一系列扶持政策，廣大農(nóng)村的用電情況發(fā)生了天翻地覆的變化，而農(nóng)網(wǎng)所承受的供電壓力也與日俱增，許多地區(qū)電網(wǎng)都存在低電壓的問題，電網(wǎng)長期處于低電壓運(yùn)行狀態(tài)會對電網(wǎng)以及用電設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。在電網(wǎng)方面，低電壓會使變壓器的輸出功率降低，運(yùn)行線路損耗增加。在用戶方面，低電壓會導(dǎo)致用電設(shè)備、機(jī)床電器的電磁開關(guān)、電磁鐵的吸力不足，操作控制失效，觸頭燒毀，普通家用電器也會出現(xiàn)啟動(dòng)困難，縮短使用壽命，甚至燒壞的情況[1]。造成低電壓問題的原因，一方面是管理的因素，農(nóng)村供電部門普遍缺少管理經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)受地理位置的影響，許多輸電線路的鋪設(shè)難度極大，造成電網(wǎng)延伸點(diǎn)分布眾多。另一方面是技術(shù)的因素：中國農(nóng)網(wǎng)電壓等級為 35 kV、10 kV、0.4 kV，其中 10 kV 線路的供電負(fù)荷大、供電半徑長，因此在實(shí)際運(yùn)行中往往存在低電壓的情況；由于上一級系統(tǒng)電壓較低，造成10 kV 母線出現(xiàn)電壓過低的問題；某些情況下配電變壓器的安裝位置會偏離用電負(fù)荷的中心位置，造成低壓線路分布超出了其供電半徑，這也會使電網(wǎng)低電壓運(yùn)行[2]。

為了解決這一問題，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，主要提出了以下幾種治理方法：文獻(xiàn)[3-4]提出了靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置SVG進(jìn)行低電壓治理的方案，通過控制其無功輸出的大小，就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓損耗，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓水平。文獻(xiàn)[5-7]提出了通過降低變壓器的三相負(fù)荷來改善三相不平衡情況，該方法可以有效降低變壓器和線路的損耗，尤其是對于傳統(tǒng)的采用Yyn0接線方式的配電變壓器降損效果更顯著。一般要求變壓器出口處電流不平衡度小于15%，但就目前農(nóng)網(wǎng)格局而言，很難做到大規(guī)模的負(fù)荷調(diào)整。文獻(xiàn)[8-9]提出了靜止無功補(bǔ)償器SVC進(jìn)行低電壓治理的方案。SVC也是目前市場上較為廣泛采用的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，它具有連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率輸出、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。但SVC向系統(tǒng)中輸入的高次諧波較多，鐵耗和銅耗相對來說都比較大，裝置中采用的電抗器的體積也比較大，還需要進(jìn)一步地改進(jìn)完善。文獻(xiàn)[10-11]提出了安裝無功補(bǔ)償裝置的方案，既可以減少線路的損耗，也可以提高線路末端電壓，一舉兩得。安裝無功補(bǔ)償設(shè)備的主要目的是平衡系統(tǒng)無功功率和降低損耗，無功補(bǔ)償設(shè)備對線路末端電壓抬升幅度取決于線路結(jié)構(gòu)和負(fù)載的功率因數(shù)高低。文獻(xiàn)[12-14]提出了在低壓線路末端安裝調(diào)壓裝置的解決方案，該方案可在不更換變壓器和改造線路的情況下，提高線路末端電壓，滿足用戶用電需求，電壓提升幅度可以達(dá)到40%。但這種方法會使調(diào)壓裝置安裝處前端電壓有所降低，適用于供電半徑較大、線路首末端電壓差較大而末端負(fù)荷功率不是太高的配電臺區(qū)。

下面所介紹的晶閘管無觸點(diǎn)調(diào)壓器具有無觸點(diǎn)、調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。這種裝置無需機(jī)械開關(guān)的切換，也不會產(chǎn)生電弧，在調(diào)節(jié)過程中不需要斷電,并且成本相對較低，這些特點(diǎn)在電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、改善電網(wǎng)電能質(zhì)量等方面都具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)。

1 無觸點(diǎn)線路調(diào)壓器工作原理

晶閘管無觸點(diǎn)調(diào)壓器主要包括串聯(lián)調(diào)壓變壓器T1、調(diào)節(jié)變壓器T2、反并聯(lián)晶閘管開關(guān)器件TR、控制器、旁路開關(guān)K、電壓互感器，如圖1所示。

控制器通過電壓互感器從電網(wǎng)采集電壓信號，并將其與標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較計(jì)算，得到需要生成的附加電壓ΔU，根據(jù)ΔU的取值，控制器生成相對應(yīng)的信號來控制晶閘管開關(guān)器件組TRS的導(dǎo)通與關(guān)斷；反并聯(lián)晶閘管器件組TRS與串聯(lián)變壓器一次側(cè)中心抽頭相連接，根據(jù)晶閘管器件組TRS的導(dǎo)通情況決定串聯(lián)變壓器二次側(cè)感應(yīng)電壓的大小，也就是附加電壓ΔU的大小，最終輸出U0=Ul±ΔU。當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓過低時(shí)，生成的附加電壓ΔU為正值，稱為升壓調(diào)壓；當(dāng)電網(wǎng)電壓過高時(shí)，生成的ΔU為負(fù)值，稱為降壓調(diào)壓：這樣就達(dá)到了穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的目的。

串聯(lián)變壓器的副邊上并聯(lián)有旁路開關(guān)K，用于各種故障的快速旁路以保證線路供電連續(xù)性，也便于裝置的投運(yùn)、調(diào)試與檢修。

由于器件串聯(lián)在線路上，裝置的軟件設(shè)計(jì)充分考慮了短路保護(hù)、過載保護(hù)和換擋調(diào)壓的快速性，縮短響應(yīng)時(shí)間、換擋失電時(shí)間以及控制任何故障下的旁路時(shí)間，以便保證所有時(shí)段的供電連續(xù)性。

圖1 晶閘管無觸點(diǎn)線路調(diào)壓器工作原理圖

1.1 晶閘管分接開關(guān)主電路

晶閘管反并聯(lián)器件組是整個(gè)裝置的關(guān)鍵元件，它必須在不影響變壓器負(fù)載正常工作的情況下實(shí)現(xiàn)對變壓器一次側(cè)分接抽頭的切換，來調(diào)節(jié)輸出電壓，即自動(dòng)穩(wěn)定有載調(diào)壓。晶閘管是一種半控型的電力電子器件，它本身沒有自關(guān)斷的能力，可是如果將其運(yùn)用在交流電系統(tǒng)中，可以借助其過零關(guān)斷的能力實(shí)現(xiàn)晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷，所以將兩只晶閘管反向并聯(lián)作為交流開關(guān)使用。在工作中，反并聯(lián)的兩只晶閘管各自只會通過完整正弦波中的一個(gè)半波，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)的無觸點(diǎn)化，且器件反應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到微秒級。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，在所提方案中將其作為有載調(diào)壓器的執(zhí)行元件。具體設(shè)計(jì)時(shí)，把反并聯(lián)晶閘管組連接到變壓器一次側(cè)的每一段繞組與中性點(diǎn)之間，從而形成了調(diào)壓器執(zhí)行部分的主電路，如圖2所示。

圖2 反并聯(lián)晶閘管連接方式

由圖2可知，該方案主電路部分包括安裝在變壓器T1一次側(cè)的6組反并聯(lián)晶閘管器件組SCR1、SCR3、SCR4以及并聯(lián)在晶閘管器件組兩側(cè)的RC緩沖電路、限流分支電路SCR2與R1，還有連接在變壓器二次側(cè)的電壓檢測變壓器T2以及單片機(jī)控制系統(tǒng)。

在變壓器的一次繞組處，從三相繞組中各設(shè)置3組連接頭，標(biāo)記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。它們與反并聯(lián)晶閘管開關(guān)組SCR相連后連到變壓器的中性點(diǎn)。單片機(jī)控制系統(tǒng)通過隔離變壓器來監(jiān)測變壓器二次側(cè)的電壓，然后根據(jù)采集到的電壓信號發(fā)出對應(yīng)的指令信號來觸發(fā)電路控制晶閘管器件組的開通和關(guān)斷。除此之外，主電路部分還增加了限流分支SCR2和R1，其目的就是限制環(huán)流的大小，從而保證晶閘管器件組在切換工作過程中的供電可靠性以及安全性。

反并聯(lián)的晶閘管器件組兩端裝設(shè)有RC緩沖電路，其目的是減小晶閘管器件長期處在快速開斷時(shí)器件兩端產(chǎn)生的高電壓，也就是關(guān)斷浪涌電壓。

裝置開始工作后，變壓器一次側(cè)的晶閘管開關(guān)工作在Ⅱ檔位，此時(shí)SCR3器件組導(dǎo)通，其他SCR器件組關(guān)斷，單片機(jī)控制系統(tǒng)通過監(jiān)測變壓器檢測二次側(cè)的電壓，如果電壓是在(95%～105%)UN內(nèi)波動(dòng)時(shí)，晶閘管器件組的工作狀態(tài)將保持在Ⅱ擋位；當(dāng)檢測到二次側(cè)電壓低于95%UN時(shí)，分接開關(guān)會調(diào)整到Ⅰ擋位；當(dāng)二次側(cè)電壓高于105%UN時(shí)，晶閘管分接開關(guān)就調(diào)整到Ⅲ擋位。

1.2 反并聯(lián)晶閘管器件組控制策略

變壓器調(diào)壓分接頭在調(diào)高輸出電壓的時(shí)候會有環(huán)流產(chǎn)生，但要調(diào)低輸出電壓時(shí)不會出現(xiàn)環(huán)流。

反并聯(lián)晶閘管器件組在工作中，單片機(jī)控制系統(tǒng)只能通過觸發(fā)信號控制器件的導(dǎo)通，如果要關(guān)斷晶閘管必須選在晶閘管通過的電流過零的時(shí)侯，所以有必要研究具體操作時(shí)的控制方式。

圖3為變壓器正常運(yùn)行時(shí)的等效電路圖。

圖3 變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的等效電路

圖4 變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的簡化等效電路

假設(shè)原邊電壓u=Umsin(ωt+θ)，原邊電流為i1，由圖4可以得到i1在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)為

=Imsin(ωt+θ-α)

(1)

由于晶閘管開關(guān)電流過零關(guān)斷的特點(diǎn)，如果控制系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出晶閘管關(guān)斷和導(dǎo)通的信號時(shí)，會出現(xiàn)將要開通的開關(guān)導(dǎo)通而需要斷開的開關(guān)還未能關(guān)斷的情況，在兩個(gè)開關(guān)器件所構(gòu)成的閉合回路中就會出現(xiàn)環(huán)流Δi，ΔU為兩晶閘管開關(guān)間的電壓，K1、K2為分接頭，等效電路如圖5。

圖5 晶閘管器件組等效電路

可以計(jì)算得到：

(2)

由于L11、R11很小，即使很小的ΔU都將產(chǎn)生較大的△I，使得ΔI?Im。因?yàn)棣自身就是沖擊電流，且ΔI?Im，那么即使不考慮衰減系數(shù)A的大小，也可以得到Δi?i1，這就會嚴(yán)重危害裝置的安全運(yùn)行，導(dǎo)致變壓器無法正常工作。為了避免上述情況的發(fā)生，可采用在電流i1過零時(shí)導(dǎo)通晶閘管有載分接開關(guān)。該方法可以確保將要導(dǎo)通的晶閘管器件組K2接到控制信號時(shí)，晶閘管器件組K1已經(jīng)完全徹底斷開連接，電路中不會出現(xiàn)沖擊電流Δi。

2 晶閘管調(diào)壓器主要技術(shù)指標(biāo)

圖6和表7分別為基于晶閘管的無觸點(diǎn)線路調(diào)壓裝置的外形及局部尺寸圖和對應(yīng)的裝置外形尺寸表。

圖6 基于晶閘管的無觸點(diǎn)線路調(diào)壓裝置結(jié)構(gòu)

圖7為基于晶閘管的無觸點(diǎn)線路調(diào)壓裝置的使用接線圖，其中L、L3、N接口分別為火線輸入、火線輸出和零線接口，分別接電源側(cè)進(jìn)線L、N和用戶側(cè)出線L3、N。

表1 晶閘管無觸點(diǎn)線路調(diào)壓裝置技術(shù)參數(shù)

圖7 裝置使用接線圖

3 實(shí)驗(yàn)及掛網(wǎng)運(yùn)行

3.1 調(diào)壓性能實(shí)驗(yàn)

針對調(diào)壓器的調(diào)壓性能進(jìn)行測試。按圖8所示，為了顯示電壓變化，將兩臺電壓表分別接到調(diào)壓器輸入端、輸出端，并在輸出端連接一臺示波器以檢測電壓波形。

圖8 測試接線圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)逐漸升壓到最大值后再逐漸降壓，同時(shí)記錄調(diào)壓器輸入端的電壓以及輸出電壓。將輸入輸出電壓進(jìn)行對比，結(jié)果見圖9、圖10。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)輸入端電壓發(fā)生150 V到250 V之間的波動(dòng)時(shí)，該型調(diào)壓器具備良好的調(diào)壓性能，可以將輸出電壓始終穩(wěn)定在220 V左右。根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)情況，電壓下降不會低于150 V，所以當(dāng)輸入端電壓不穩(wěn)定時(shí)，調(diào)壓器能夠很好地調(diào)節(jié)輸出電壓，使得輸出電壓保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，供用戶正常使用。

圖9 升壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10 降壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 掛網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

為了更好地檢驗(yàn)在實(shí)際工作條件下的調(diào)壓器工作情況，選取了某縣郊區(qū)的低電壓臺區(qū)作為線路調(diào)壓裝置的掛網(wǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)。該臺區(qū)配電變壓器容量為315 kVA，供電半徑長400 m左右，支線戶數(shù)為5戶。裝置的安裝位置選擇在該臺區(qū)某支線線路中的C相末端。根據(jù)當(dāng)?shù)仉姽ぬ峁┑男畔?，所選位置用戶長期電壓在190 V左右，在用電高峰時(shí)期，甚至低至160 V左右，導(dǎo)致居民不能正常使用家用電器，嚴(yán)重影響了正常生活用電。安裝效果如圖11所示。

圖11 晶閘管無觸點(diǎn)線路調(diào)壓裝置安裝效果示意

設(shè)備投入運(yùn)行后，通過電能質(zhì)量分析儀記錄的支路農(nóng)戶數(shù)據(jù)情況如圖12所示。

圖12 調(diào)壓裝置掛網(wǎng)運(yùn)行后線路測試數(shù)據(jù)

由圖12分析可知，經(jīng)過調(diào)壓器的處理后，低電壓問題得到顯著改善，線路末端電壓始終處于一個(gè)穩(wěn)定的水平。這說明無觸點(diǎn)線路調(diào)壓器解決了該縣低電壓臺區(qū)末端電壓偏低問題，相比增設(shè)變壓器等解決方式大大節(jié)省了成本。這種調(diào)壓器配置靈活，能做到快速安裝解決低電壓問題，無論投入的成本還是人力均較低，簡單方便，可以大力推廣使用。

4 結(jié) 論

針對電網(wǎng)中的低電壓問題，提出了采用基于晶閘管無觸點(diǎn)線路調(diào)壓裝置的治理措施，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案對處理低電壓問題的有效性，并得到以下結(jié)論：

1)晶閘管無觸點(diǎn)線路調(diào)壓器能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電壓的波動(dòng)進(jìn)行快速頻繁的調(diào)節(jié)，使線路末端電壓的合格率得到滿足。而且相對于有觸點(diǎn)調(diào)壓器以及其他調(diào)壓設(shè)備有很多優(yōu)點(diǎn)，如快速性和頻繁性。在實(shí)驗(yàn)中，可以看到晶閘管無觸點(diǎn)線路調(diào)壓器在輸入端不斷地進(jìn)行升降壓操作時(shí)，均可以將輸出電壓保持在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平，從而很好地解決了電網(wǎng)中的低電壓問題。這對整個(gè)電力系統(tǒng)而言都具有相當(dāng)重要的意義。

2)基于晶閘管的無觸點(diǎn)調(diào)壓器在控制策略方面需要格外注意，為了防止晶閘管器件組之間形成強(qiáng)大的環(huán)流損壞晶閘管以及線路，可采用在電流i1過零時(shí)導(dǎo)通晶閘管有載分接開關(guān)消除環(huán)流的影響。

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