有載配電變壓器自動調容控制電路軟硬件設計

邵云峰 安成萬 張涵羽 劉永強

（國網山西省電力公司呂梁供電公司 山西省呂梁市 033000）

1 概述

變壓器在電力系統(tǒng)的能耗中所占比例一直居高不下，目前是整個電網損耗中的重要提供者。據不完全統(tǒng)計，變壓器的電能損耗站電網損耗的40%-60%，因此降低配電變壓器的運行損耗，提高其運行效益是我們電力行業(yè)節(jié)能減排的重要任務之一。

目前我國的用電負荷峰谷變化還比較大，由于季節(jié)的變化而引起的負荷波動更為明顯，在波谷情況下，變壓器的平均負載率僅有10%-15%，由此造成的電能損耗極其嚴重。為改變這種運行狀況，降低系統(tǒng)損耗，根據實際運行符合需求大小，合理的對變壓器容量進行調節(jié)，以達到變壓器的經濟運行，成為降低系統(tǒng)損耗的重中之重。

通過近幾年的研究，設計出的一種能夠根據實時負荷的變化而調節(jié)變壓器自身容量的有載配電變壓器自動調容控制系統(tǒng)具有重要的節(jié)能意義和使用價值。

2 有載調容變壓器工作原理及結構

有載調容變壓器由于存在容量可以調整，因此其結構不同于普通的配電變壓器。因為變壓器的容量大小取決于鐵芯的截面積及一二次側線圈的載流量，因此，要想使變壓器的容量得到調整，要么改變鐵芯的截面積，要么改變一二次側線圈允許額定載流量大小。在這兩種方法中，改變鐵芯截面積難度較大，一般很少采用，通常采用改變一二次側線圈的允許額定載流量大小來改變變壓器的容量大小。

對于改變線圈載流量大小的方式進行調容通常有串并聯(lián)型調容方式和D-Y 型調容方式，由于D-Y 調容方式的調容臨界點大，在實際應用中D-Y 調容方式更加實用。其調容原理結構圖如圖1所示。

該調容變壓器也只能進行大小兩個容量的調整，其工作方式如表1所示，表中1 表示開關閉和，0 表示開關斷開。

在這兩種調容方式中，對于串并聯(lián)調容方式，由于在容量改變前后，高低壓側的繞組匝數(shù)也進行了同比例的變化，因此在調容前后電壓并沒改變，從而達到了調容的目的；對于D-Y 調容方式，當有大容量調至小容量時，高壓側繞組由三角形連接轉換至星型連接，因此容量降低后其相電壓也降至原來的0.577 倍。低壓側繞組一共有三組繞組組成，在大容量狀態(tài)運行時其運行方式為I 組繞組與II 組和III 組繞組的并聯(lián)進行串聯(lián)，而在小容量時，低壓繞組的三段全部串聯(lián)在一起，這樣的話，在小容量時，低壓繞組的匝數(shù)增大。因此由大容量降至小容量時，高壓繞組每相電壓的減少比例和低壓繞組的匝數(shù)增加比列相一致，保證了大小容量轉換后其一二次側的電壓無變化。

圖1：調容原理結構圖

圖2：控制電路總體結構

圖3：開出電路框圖

3 有載調容變壓器控制電路設計

3.1 控制主電路設計

為了實現(xiàn)對有載配電變壓器調容控制，根據調容原理和要求，設計的控制電路總體結構圖如圖2所示。

圖4：程序流程圖

整個控制電路的工作流程為：經過PT、CT 互感器采集變壓器二次側的電壓、電流信號，然后經過調理電路對信號進行處理，送至RN8302 三相電能計算電路中，對變壓器輸出的實時視在功率、有功功率、無功功率等進行計算，然后把該功率值送入CPU 處理器STM32F103，與容量動作閾值進行比較，如果大于動作閾值，則CPU 就會通過開出電路動作于調容開關，調容開關執(zhí)行調容任務，完成變壓器容量調整。

3.2 開出電路設計

開出電路如圖3所示。

圖中，由于調容開關動力部分采用永磁機構，其啟動電流較大，為了減小永磁機構啟動瞬間對系統(tǒng)的沖擊，因此在調容開關前部加入了儲能電容器，在永磁機構啟動時通過電容中儲存能量的釋放來減小對電源的沖擊。在永磁機構兩端施加正向電壓時，永磁機構帶動調容開關閉合，相反在永磁機構兩端施加反向電壓時，永磁機構帶動調容開關斷開，從而達到調容目的。

4 軟件設計

該程序主要完成變壓器實時容量檢測，并對系統(tǒng)參數(shù)進行設置，然后判斷是手動還是自動狀態(tài)，如果處于自動狀態(tài)，則將實際運行容量與調整容量閾值進行比較，大于閾值，調節(jié)大容量運行，小于閾值，調節(jié)小容量運行。其程序流程如圖4所示。

表1a：變壓器一次側繞組工作方式

表1b：變壓器二次側繞組工作方式

表2：測試結果

5 實驗結果

實際實驗中在自動情況下很難實現(xiàn)，因此本實驗是在手動情況下進行的。有載調容變壓器連接調容開關，然后調容開關連接控制器。按下控制器手動按鍵，此時為手動調容方式。按下調容按鍵，調容開關動作，讀取開關量采集到的調容開關狀態(tài)并記錄，判斷變壓器容量檔位，其測試情況如表2所示。

6 總結

本文設計的有載調容變壓器控制系統(tǒng)，完成設計當初提出的要求和功能，并通過測試驗證了各項功能的正確性。本設計電路具有控制簡單、性能可靠、成本低等特點，具有明顯的推廣應用價值。