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变压器

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1前言我们生活在一个电的世界，电关系到我们生活的每个一瞬间。

电有高峰期有低峰期一直在用电的我们却没有注意到我们用的电却一直在几乎稳定一个值，无论是高峰还是低谷电压都可以在这个点范围内稳定的供我们使用。

提到电能的稳定必须提到电压的稳定不知道大家对以前的电压忽高忽低有没有印象。

就是在用电高峰期时电压不稳，甚至有时白炽灯无法点亮的情况这是为什么呢?

这种情况有许多种原因，一是因为当时发电厂能力不足无法供应出足够的电能；二是因为输电线路电阻过大高峰期分去过多电压造成电压浪费；三就是我们的调压设备调压技术不够成熟无法做到及时调压，使调压及时`、迅速、稳定的完成，致使我们不能得到稳定的电压。

但是在用电高峰期我们调压时候不能断电也不可以让用户不是用电这就把话题引到了有载调压。

现有配电变压器有载调压是通过机械·式分接开关实现有载调压的，但是机械式有触点分接幵关动作时有电弧,不能频繁动作,因而不适合需要频繁动作的配电变压器使用。

选用电力电子元器件固态继电器作为有载调压分接幵关,通过调节有载分接开关闭合与开断状态实现改变一次侧与二次侧的匝数比,从而实现改变二次侧的输出电压值,并且使用固态继电器作为有载调压分接开关可以频繁的进行调压、且调压过程中无电弧现象出现。

1.1本设计的目的与意义变压器调压有两种方式:

无励磁调压和有载调压。

无励磁调压是在变压器脱离电网、停止运行的状态下,根据不同负荷对应的输出电压要求设定变压器调压绕组分接抽头位置的调压方式。

无励磁调压只适用于用电负荷季节性波动、无需经常调压的情况,并且调压过程必须停电。

其调压效果有限,影响持续供电,不具备电压随时可调性。

不满足用电高峰低谷时对电压的调整，无法让用户时刻得到所需要的电压。

电力系统所需要维持的平衡是一种动态平衡,电压与无功的平衡需求必须得到快速得到满足,存在较频繁大幅度的负荷波动时必须能够在不断电的前提下及时调整变压器变比调整电压。

这种不需将变压器从电网中切除的调压方式叫做有载调压，也是在这种要求下的应运而生的调压方式满足了用户的对电能稳定的需求。

分接开关是连接和切换变压器分接抽头的装置,目前有载调压变压器广泛釆用的是机械触头式分接开关。

由于机械开关不存在断态电压及通态电流限制的原因,机械触头式有载分接开关可应用于各种容量与电压等级的变压器中。

但从长期运行经验中可知,机械式分接开关存在很多缺陷,如电弧的产生、动作时间长以及调压机构复杂是最突出的问题。

在机械式有载分接开关切换过程中会产生电弧,引起触点烧烛甚至粘连以及变压器油质下降,影响变压器运行特性和绝缘特性。

机械机构动作速度慢,机械固有时间长,而电力系统中暂态时间十分短暂,需要快速得到响应。

机械式有载调压分接开关由分接开关、分接选择器、电动机和传动机构组成,分接开关切换时涉及环节太多,任何一个环节出现问题都将容易引起故障,影响变压器正常运行。

长期以来,各国电力专家致力于解决机械式分接幵关有载调压过程中产生的电弧问，并且不断寻找新的调压主电路拓扑方案代替机械式有载调压机构。

随着电力电子器件及其应用技术的应用和发展,基于电力电子开关的各种有载调压方案被迅速提出,这其中主要有两个方向:

专注于解决机械式有载分接开关切换时产生电弧问题的晶闸管辅助式有载分接幵关和利用电力电子开关直接代替机械开关的全电力电子式有载分接开关，晶闸管辅助式有载分接开关在传统机械触电式有载分接开关的基础上,利用晶闹管无触点通断的特点实现分接头切换过程的灭弧目的。

由于开关主体仍是带有复杂机构的机械式分接开关,动作时间长的问题没有得到解决。

利用电力电子开关直接代替机械开关的全电力电子式有载分接开关理论上几乎解决了机械式分接开关的所有缺陷,但是在实际应用中,由于电力电子器件存在断态电压和通态电流的限制,这种方案并没有广泛得到应用。

配电变压器位于电力系统末端,向用户降压分配电能,因其电压等级低、容量小等特点,非常适合全电力电子式有载分接开关的应用。

但是基于全电力电子式有载分接幵关的配电变器实际运行中仍存在问题,样机在实验室环境下的运行表现正常,并且无调压故障发生,而在电网中运行时,普通负荷下也可以正常工作。

然而在感性负荷成分较高的情况下,分接开关却经常出现开关器件损毁现象,这同有载调压配电变压器的运行和调压过程中所发生的电磁暂态对电力电子器件可靠触发的影响有很大关系。

由于初始条件下作为分接开关的电力电子器件处于截止状态,配电变压器一次侧不能构成回路,没有启动机构的参与变压器无法正常运行,因此启动机构的可靠投入和退出也是影响带有全电力电子式有载分接幵关的配电变压器运行可靠性的重要因素。

目前,基于全电力电子式有载分接幵关配电变压器的运行可靠性问题是制约其广泛应的技术关键,主要体现在调压主电路和电力电子开关器件工作可靠性、开关器件保护电路工作可靠性、变压器运行时故障保护工作可靠性以及绝缘设计可靠性。

运行可靠性问题的解决将使无触点有载调压配电变压器不再仅限于理论分析与样机试验的研究程度。

1.2国外研究动态和趋势通过有载调压变压器调整电网电压,是稳定电网电压的主要方式之一。

传统的有载调压变压器釆用机械式有载分接开关,但从长期运行经验中可知,机械式分接开关存在很多缺陷,电弧的存在、响应时间长以及调压机构复杂是最突出的问题。

随着电力电子技术的发展,各国学者针对机械分接开关动作时产生电弧的问题提出了晶闸管辅助式机械有载分接幵关。

为了进一步提高变压器有载调压的调压响应速度,各国学者逐渐开始研究电力电子型有载分接开关。

1.3国内研究动态和趋势在国内,全电力电子开关式分接幵关的研究也逐渐成为变压器调压方面的热点。

1997年,广东工业大学的何瑞文阐述了釆用晶闸管作为有载分接开关的设计思想,针对晶闹管所应承受的过电压和过电流能力以及满足晶闸管导通要求的触发方案进行了分析,并提出在调试中应注意的问题。

为以后晶闹管式有载分接开关的实现起到重要参考作用,在电力电子器件应用于变压器的方面迈出探索的一步。

2003年,武汉大学的李晓明等提出了应用于中部调压变压器且采用晶闹管作为有载分接开关的拓扑结构,并设计了有载调压控制系统各环节的电路同年东北农业大学的赵玉林提出了基于固态继电器的有载自动调压配电变压器,对其配电变压器的整体构造、调压原理和其实验结果做了详细的介绍。

2006年中国电力科学研究院的王金丽、徐腊元以晶闹管辅助式有载分接开关为研究起点,提出给予大功率电力电子开关的无弧有载调压方案。

方案以双向晶闹管为主开关,大功率固态继电器为过渡辅助开关,针对小容量单相变压器进行了仿真与低压模拟实验,验证了方案的正确可行2009年,湖北十堰供电公司的陈敏对几种典型电力电子有载调压分接开关的特点进行了研究,分析表明,基于固态继电器的有载调压分接开关在l0kV中压配电变压器中具有广阔的应用前景2011年武汉大学的李晓明提出了一种动态模型,利用TLM方法求解含过渡电阻的有载调压过程,得出电压过零是最佳无冲击触发时刻。

然而,这种动态模型和求解方法仅适合对调压过程中电压与电流变化规律的数学仿真研究,最佳触发时刻的确定也没有针对不同负荷条件下的研究,文中所得到的结果不具有普遍性。

2设计电路此设计中,主要以模块化的思想进行总体设计的。

无触点有载调压分接开关控制系统中整个硬件的核心部分包含采集单元、过零检测单元。

通过电压采集电路和电压检测电路兵分两路进行,将采集到的电压值通过单片机进行比较分析,由检测电路检测到电压过零点时则决定是否采取动作,进行调压。

并且硬件电路还包含电源电路、复位电路、触发电路以及执行电路。

其具体结构框图如图2-1所示。

原理：

电压电路变化用户得到不是所求的电压电压检测电路、电流检测电路检测到电压电流不是所需要电压电流给控制电路发出信号，控制电路控制触发电路和执行电路控制一次侧分解开关调节电压。

整体结构框图2.1无触点有载调压配电变压器的结构图2-1总电路图本课题研究的无触点有载调压配电变压器是以反并联晶闹管模块作为分接开关,单片机STC89C52RC作为控制器,在正常供电的情况下根据配电变压器二次侧输出电压自动控制位丁配电变压器一次侧分接幵关的通断,改变一次侧接入的绕组数量,调整变压器变比,即实现无触点自动有载调压功能。

无触点有载调压配电变压器的构成如下图所示,由分接开关、驱动单元、检测单元和控制单元四部分组成分接开关部分是有载调压功能的执行机构,位于配电变压器一次侧,与主绕组、调压绕组抽头及变压器一次侧中性点构成特定拓扑结构,通过控制分接开关的通断状态,变换与主绕组及调压绕组相连的调压绕组的数量,进而实现调压。

传统的分接开关是机械式的,由电动机传动执行,结构复杂故障率高,难以检测,并且机械式分接幵关的金属触点在多次动作之后会产生烧烛现象,污染变压器绝缘油,甚至发生触点粘连的故障。

本课题所研究的无触点有载调压配电变压器的分接幵关采用电力电子器件——反并联晶闸管模块,相对于传统机械式分接开关具有无触点、无运动机构的特点,从而避免了传统机械式分接幵关所带来的问题。

晶间管是晶体闹流管的简称,因广泛使用于可控整流桥中而常被称为可控桂。

作为半控型器件,晶闹管不断被各种全控型器件所替代,但因其能承受的电压和电流容量是当前所有.电力电子器件中最高的,并且釆取反并联形式的晶闹管能够构成交流幵关,故在大容量交流开关应用场合仍被广泛应用,这也是本课题中分接开关选择反并联晶闸管的主要原因。

晶闹管分别由阳极（A）、阴极（K）和门极（G）三个电极组成,触发其导通和截止的信号加于门极与阴极之间,因此反并联晶阐管模块的触发引脚共有四个,即K1、G1、G2、K2。

本课题先后采用了齐齐哈尔齐力达电子有限公司生产的两种型号的反并联晶闸管MTC92-20、MTC130-36。

其参数和内部电路如表1-1及图2-2所示。

表2-1V外部链接图2-2晶闸管反并联形式与本课题以往选作分接开关的固态继电器不同,反并联晶闹管模块并不配备控制其导通、截止的触发信号的驱动电路。

作为一次侧调压主电路与控制单元之间的接口,驱动电路是无触点有载调压配电变压器的重要环节。

采用合适的驱动电路可使反并联晶闹管模块运行在可靠的开关状态,对整个调压装置的可靠性有很大的提高在实际应用中,反并联晶闹管模块的驱动电路常采用与之相匹配的触发模块作为一般解决方案。

2.2电源电路众所周知,任何情况下电源都是控制系统的根基。

只有可靠地电源为控制系统供电,控制系统才可以可靠地运行。

并且本文不是只存在单一的电源,而是一共设计了三路电源供电电路。

其中包含为驱动固态继电器的:

12V电源电路和为数据采集所提供的两路5V电源电路。

本文的三个电源电路分别由变压器部分、整流部分、滤波部分以及稳压部分四部分构成。

首先通过变压部分使得电源电路实现了电到磁、磁到电的过程。

单相整流电路可以简单的分为半波整流电路、倍压整流电路以及桥式整流电路。

本文选用的是桥式整流电路,因为桥式整流电路不但对于二极管的选用没有过高的要求,并且其输出的波形脉动较小、输出电压质量较高。

稳压部分则釆用集成的稳压器件来实验稳压,5V电源的供-电电路选择LM7805CT的集成稳压器、12V电源的供电电路则选择LM7812CT的集成稳压器件,LM78XX系列稳压器的输出电压值通常为几个不变的数值可供选择,使得其有一个广泛的应用范围。

并且在LM78XX系列稳压器内部釆用电流限制保护、热关断保护和安全工作区保护,使得其LM78XX系列稳压器的安全性能坚不可摧,是一款具有高性价比的稳压元器件。

同时通过二极管与稳压器并联来保护稳压器,防止由于输入端短路时电容反方向放电而损坏集成稳压器。

具体电源电路如图2-3所示。

2-3a控制系统5V主电源电路图2-3b控制系统12V主电源电路图2-4检测电路2.3采集单元数据采集单元作为控制系统中不容忽视的重要环节。

数据采集单元需耍做到标准化、合理化,这样采集到的信息才能够精确化,从而控制系统才能实现安全、稳定、可靠的运行。

由于本控制系统是根据采集到的电压值进行判定是否调压的,所以需要采集电压装置;而保护装置则是根据采集到的电流值判定其安全性的。

因此,本文设计了电压釆集与电流采集两部分。

电压采集的目的是采集到二次电压的范围从而决定分接头幵关的位置,但是二次侧的电压是远大于单片机所工作的电压范围,因此将二次侧的电压先通过定制的隔离降压变压器传递到单片机电路再进行采集;而电流采集的目的在于监测电力电子器件固态继电器的工作状态是否安全,达到保护变压器设备、控制电路以及电网安全的作用。

由于本文所用的隔离变压器是经过特殊制作的变压器,高低绕组之间的绝缘电压为30kV。

而计算机控制系统是位于配电变压器的高压侧。

因而,对电流采样的时候选用电流互感器,高低压侧之间不承受高电压。

将电流互感器安装在具有绝缘性能的绝缘板上,电流互感器采用AKH-0.66系列低压电流互感器,AKH-0.66系列互感器的外壳采用的是进口的聚碳酸酯制成的可以承受MOr的高温,主要AKH-0.66系列电流互感器的体积较小、质量较轻易于安装,并且具有高的准确度与较大的容量。

电流釆集是为了检测环路中是否有环路出现,电力电子器件的工作状态是否安全。

首先考虑将电流互感器接至在中性点处,如图2-4所示。

2.4控制系统2-5STC89C58RD芯片封装图控制系统中的核心控制芯片选用的是STC89C58RD系列的单片机。

STC89C58RD系列单片机是具有可靠性高、功耗低的特点,不仅成本比较低廉,并且产品性能比较优越。

STC89C58RD系列单片机拥有与MCS5】系列单片机完全兼容的引脚排列与引脚功能以及指令系统。

STC89C58RD系列单片机共有40个引脚,其中有32个为可编程的双向I/O端口。

其芯片的封装结构图如图3-2所示在图3-2中可以看出,STC89C58RD系列单片机有32个为可编程的双向I/O端口分别包含8个P0口、8个Pin、8个P2口以及8个P3口。

其中P0口是地址和数据总显得复用口,P0口作为输出口使用时,其端口值为“1”。

当然,其也可以作为输入端口使用;P1是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口,当P1端口作为输出端口时其值也为“1”;同时,P2端口、P3端口也是含有上拉电阻的8位双向1/0端口,当对其P2、1^3端口写入值为”1”时,其端口会被内部的上拉电阻拉成高电平作为输入端口。

根据STC89C58RD系列单片机的各端口性质合理设计端口使用。

2.5执行电路从安全方面来讲,设备发生故障将是对变压器设备以及电网系统最大的威胁,而当变压器发生故障时该怎样解决呢本文考虑加入故障自检测、自处理单元。

通过在变压器一次侧的绕组线圈上串联上电流互感器,流过电流互感器的电流通过釆集单元把一次侧的电流情况反映给核心控制元件单片机。

由单片机对其值与其安全值进行比较,当小于安全值时,变压器则正常运行;而当采集到单片机的数值大于其安全值时,则启动蜂鸣器报警,同时启动继电器电路,将配电变压器高压侧断路器与高压幵关柜与断幵,等待维修人员维修,否则将可能烧毁变压器甚至危及电网安全。

2.6复位电路控制系统一般是由硬件部分和软件部分共同配合实现控制功能的,但是在实际控制中,经常会发现程序出现混乱,“跑飞”的情况,看门狗技术则是常用来解决这样现象的方法。

看门狗技术也是通过硬件、软件共同来实现的,看门狗技术实际上可以看成一个计数器,系统会预先设计一个时间,当程序运行后计数器开始倒计时,如果程序运行正常、无紊乱,则系统将给看门狗复位,重新开始倒计时:

但是如果程序出现紊乱以及“跑飞”的情况,则需强制整个控制系统复位。

看门狗的工作原理图,见下图所示2-6看门狗电路虽然STC89C58RD系列单片机自带看门狗功能,但是出于可靠性方面考虑,本文选用外置复位电路。

复位电路选用的是将三种功能合于一身的X5045看门狗芯片,该芯片具有看门狗定时器功能、电压监控功能以及保护功能的串行EEPROM。

芯片为X5045能够在一定程度上简化控制系统的结构、适度的减少了控制电路板的占用面积以及印刷成本、并且控制系统自身的可靠性得以大幅度提高。

看门狗芯片X5045中的各引脚的功能见表2-2所示。

表2-2X5045引脚功能表CS使能及看门狗复位输入S0数据输出（可与SI复用）,并在SCK的下降沿时读取数据WP写保护（低电平保护）GND接地端口SI操作码、字节地址及其写入数据的输入端口SCK串行时钟输入端口,当SCK为上升沿时被锁存RESET复位信号输出端（必须接上接电阻）VCC电源电压端口X5045芯片内部具有2K*8的串行EEPROM,其可以反复擦写的周期髙可达一百万次以上,并且数据储存在X5045芯片的内部以后,存储时间至少可达一百年之久。

而看门狗芯片X5045的操作是需要利用指令寄存器的功能来实现的,看门狗X5045的寄存器指令见下表3-4所示。

2-7复位电路图2.7触发电路固态继电器的控制端具有一个恒流发生器,因此驱动信号的电流应大于固态继电器驱动电流的最小值,这样才能使固态继电器导通,该驱动信号需以电压信号的方式输入固态继电器的控制端。

考虑上诉状况,本文选用具有负逻辑功能的驱动芯片ULN2003来驱动固态继电器。

考虑到有载分接幵关固态继电器是连接在配电变压器的高压侧,高压侧的高电压、大电流很容易导致固态继电器的击穿,从而将可能破坏到控制系统,因此,为了保证固态继电器可以工作在安全、可靠地环境下,选择将5V的直流继电器接在控制回路和固态继电器中间,以起到电气隔离的作用。

其驱动电路如图2-8所示。

3.电路及控制程序的改进实现调压的最终执行环节是直接与配电变压器一次侧相连的主电路,电力系统运行的高压环境对其工作可靠性要求非常高。

主电路由反并联晶闹管模块及其驱动单元、缓冲电路、启动机构和过渡支路组成。

在感性负载比重较大的情况下,流经反并联晶闸管的电流相位滞后其两端电压相位的程度较大,过渡支路无法可靠接入,容易造成无触点有载调压配电变压器调压过程中无法可靠工作。

同时反并联晶闹管的换向过电压也非常严重,需要充分考虑阻容吸收电路的参数,使阻容吸收电路能够可靠抑制反并联晶间管换向过电压。

本章将基于以上因素对主电路进行改进。

此外,为避免无触点有载调压装置在短时间负荷波动的情况下频繁变换分接开关,在控制程序方面也进行了改进。

3.1过渡支路开关改进方案为了在调压过程中使过渡支路幵关能够可靠接入,分别从开关本身及触发电路两个方面进行改进,具体方案如下:

3.1.1机械触点式开关由于继电器机械触点的闭合与开断由继电器线圈是否带电来控制,与触点间的电压没有关系。

因此能够在需要触点动作的情况下,控制线圈的带点情况予以可靠控制。

考虑到接线方便,以及限制励磁涌流的需要,将过渡支路与启动机构合并,去除作为过渡支路开关的反并联晶闹管,将中间继电器常闭触点经限流电阻串联后接至中性点,同时用作过渡支路开关以及启动机构开关。

接线图如图3-1所示配电变压器上电时,中间继电器常闭触点经限流电阻将变压器一次侧连成回路,在控制单元上电后控制中间继电器线圈上电断开,启动阶段结束。

在调压过程中,当需要作为过渡支路接入时,控制单元控制中间继电器线圈失电,触点闭合;当需要过渡支路退出时,控制中间继电器线圈上电,触点断开,调压阶段结束。

图3-1机槭触点式启动方案考虑到过零触发电路对反并联晶闹管式过渡支路开关可靠导通的影晌,以及减少投入设备的目的,釆用双向晶闸管作为过渡支路开关,其触发电路由中间继电器触点和触发电祖构成。

从限制励磁涌流的角度出发,主电路拓扑结构釆取过渡支路与启动机构合并的方式,如图3-2所示图3-2电力电子式启动方案配电变压器上电时,中间继电器常闭触点与触发电阻构成回路,触发电阻两端电压加至双向晶闹管门极与阴极之间,双向晶闹管得到触发电流而导通,变压器一次侧构成回路,在控制单元上电后控制中间继电器线圈上电断开,双向晶闸管由于无法获得触发电流而不再触发导通,启动阶段结束。

在调压过程中,当需要作为过渡支路接入时,控制单元控制中间继电器线圈失电,触点闭合,使双向晶闸管触发导通;当需要过渡支路退出时,控制中间继电器线圈上电,触点断开,双向晶闹管不再被触发,调压阶段结束。

3.1.2两种改进方案的比较机械式幵关因其动作可靠,直接解决了过渡支路无法接入的问题。

此外方案中的过渡支路与启动机构的合并在简化接线的同时还解决了限制励磁涌流的问题。

但作为机械式开关,在调压过程中切断环流时会产生电弧,长期调压操作会导致触点粘连现象,使得过渡支路无法退出。

而电力电子式开关的方案避免了机械触点作主开关所造成的问题,釆取机械触点做辅助开关,结合触发电阻构成动作可靠的触发电路,控制双向晶闹管的通断。

同时还继承了机械式开关中过渡支路与启动机构合并的结构,在启动阶段可以起到限制励磁涌流的作用。

因此,电力电子式开关优于机械式开关,可以作为最终方案釆用。

3.2阻容吸收电路图3-3反并联晶闹管阻容吸收电路阻容吸收电路利用电容C两端电压顺时不能突变的特性,吸收瞬间过电压,将其限制在允许的范围内。

与电容串联的电阻R的作用是:

（1）与电容C以及电路中的电感元件Lb构成RLC串联电路,阻尼LC振荡,防止电容两端产生较高的振荡电压。

（2）限制晶闹管导通时电流上升率。

在晶间管SCR1未彻底关断期间承受反向电压,对于与其反并联的晶闸管SCR2承受正向电压,电容C上已进入充电过程,极性如图3-3所示,set触发导通瞬间,电容立即经其放电,若没有电阻R,流经SCR2电流的上升率（dic/dt）过大,导致晶闸管过热烧毁。