CN111477441A - 一种自动有载调压配电变压器及调压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动有载调压配电变压器及调压方法，所述变压器具有三相绕组，每一相绕组包括低压绕组、高压绕组1、高压绕组2、可调绕组组件1、可调绕组组件2和控制器，高压绕组1、可调绕组组件1、可调绕组组件2、高压绕组2依次串联组成高压绕组，低压绕组与高压绕组耦合，控制器接收低压绕组的电压信号并与可调绕组组件1、可调绕组组件2控制连接。所述调压方法当前低压绕组电压对调绕组组件1和可调绕组组件2进行操作，实现调压。本发明综合机械式有载分接开关损耗小和电力电子式有载分接开关切换无弧、无冲击的优点，具有结构简单、体积小、无弧、低功耗、切换过程不断电的特点。

Description

一种自动有载调压配电变压器及调压方法

技术领域

本发明涉及一种自动有载调压配电变压器及调压方法，属于配电变压器的有载调压技术领域。

背景技术

电压质量是考核电网供电服务水平的一项重要指标，尤其是供电电压偏差的大小，直接影响工业产品生产的质量和产量，影响人们的正常工作和生活，影响电网的安全和经济运行。目前，“低电压”已成为配电网异常运行情况的最主要问题之一。配电网电压控制技术中最常用的方式是通过配电变压器调压，可分为无励磁调压和有载调压两种方式。目前，配电网中占据主流的配电变压器无励磁调压方式已经无法满足配电台区层级的调压需求；配电变压器的有载调压方式中采用传统机械式开关仍占主要地位。随着智能电网建设的发展，机械式有载分接开关存在由机械触头带来的难以解决的固有问题，已经暴露出明显不足。近年来，电力电子式有载分接开关技术快速发展，虽然解决了传统机械式有载分接开关的固有问题，但是也存在一些不足。

目前，公知的有载调压配电变压器的主要技术难点问题包括：

（1）机械式有载分接开关分接触头在切换过程中产生电弧，容易烧蚀触头造成油污染，影响变压器绝缘特性和使用寿命；调压响应速度慢、效率低，滞后100毫秒至几秒钟；机械传动结构复杂，故障率高，维护量大。

（2）电力电子式有载分接开关对晶闸管等元器件的性能要求高、元器件的用量多，造成功耗大、控制复杂和成本高等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自动有载调压配电变压器及调压方法，综合机械式有载分接开关损耗小和电力电子式有载分接开关切换无弧、无冲击的优点，具有结构简单、体积小、无弧、低功耗、切换过程不断电的特点。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种自动有载调压配电变压器，其具有三相绕组，每一相绕组包括低压绕组、高压绕组1、高压绕组2、可调绕组组件1、可调绕组组件2和控制器，高压绕组1、可调绕组组件1、可调绕组组件2、高压绕组2依次串联组成高压绕组，低压绕组与高压绕组耦合，控制器接收低压绕组的电压信号并与可调绕组组件1、可调绕组组件2控制连接。

进一步的，可调绕组组件1包括与高压绕组1连接的调压绕组1、与调压绕组1分接出头连接的多个调压开关、调压切换机构1和调压切换机构2，多个调压开关的一端与对应的调压绕组1分接出头连接，另一端按照相邻的两个调压开关分别与不同的调压切换机构相连的方式连接至调压切换机构1或调压切换机构2，调压切换机构1和调压切换机构2的另一端均连接至P点；

可调绕组组件2包括与高压绕组2连接的调压绕组2、与调压绕组2分接出头连接的多个调压开关、调压切换机构3和调压切换机构4，多个调压开关的一端与对应的调压绕组2分接出头连接，另一端按照相邻的两个调压开关分别与不同的调压切换机构相连的方式连接至调压切换机构3或调压切换机构4，调压切换机构3和调压切换机构4的另一端均连接至Q点；

P点与Q点之间连通，形成导通电路。

进一步的，所述调压切换机构包括消弧开关、IGBT模块和过渡器件，IGBT模块与过渡器件串联，组成切换过程中的过渡电路，消弧开关为调压切换机构正常工作的导通电路，与过渡电路并联。

进一步的，所述控制器包括隔离降压单元、电源单元、电压采样单元、过零检测单元、复位电路、单片机控制单元、IGBT触发驱动单元和控制信号输出单元，隔离降压单元的输入端连接配电变压器的二次侧，电源单元、电压采样单元、过零检测单元连接在隔离降压单元输出端与单片机控制单元输入端之间，复位电路与单片机控制单元相连，IGBT触发驱动单元和控制信号输出单元连接在单片机控制单元的输出端，用于向可调绕组组件发送调压触发信号。

进一步的，所述过渡器件为过渡电阻或者过渡电感。

进一步的，所述调压开关和消弧开关均采用抗短路型磁保持继电器。

进一步的，低压绕组配置电压测量装置，电压测量装置直接测量并向控制器发送三相低压绕组的电压值，所述电压值包括三相低压绕组的每相对地电压值及三相低压绕组之间的线电压值。

进一步的，所述三相低压绕组采用星形连接方式，有中性点引出并接地；所述三相高压绕组采用三角形或者星形连接方式，无中性点或者中性点不引出，所述调压绕组采用单桥跨接调压方式。

本发明还公开了一种自动有载调压配电变压调压方法，包括以下步骤：

S01）、实时监测配电变压器的运行状态，并通过电压测量装置检测低压绕组的电压值；

S02）、判断低压绕组的电压值是否合格，如果合格，则继续实时监测，如果不合格，则控制器计算当前低压绕组电压对应的调压策略，并根据调压策略生成调压逻辑控制信号；

S03）、根据调压逻辑控制信号切换可调绕组组件，从而完成本次调压动作。

进一步的，根据调压逻辑控制信号切换可调绕组组件的过程为：

S31）、将与断开状态调压切换机构相连接的某一个调压开关闭合；

S32）、将正常工作导通状态调压切换机构中的IGBT模块闭合，使得该调压切换机构处于切换过程导通状态；

S33）、将步骤S32所述调压切换机构中的消弧开关断开，使得该调压切换机构处于过渡过程导通状态；

S34）、将步骤S31所述调压切换机构中的IGBT模块闭合，使得该调压切换机构处于过渡过程导通状态；

S35）、将步骤S32所述调压切换机构中的IGBT模块断开，使得该调压切换机构处于断开状态；

S36）、将原闭合状态的调压开关断开；

S37）、将步骤S31所述调压切换机构中的消弧开关闭合，使得该调压切换机构处于切换过程导通状态；

S38）、将步骤S31所述调压切换机构的IGBT模块断开，使得该调压切换机构处于正常工作状态，完成调压切换过程。

进一步的，根据调压逻辑控制信号切换单个或多个可调绕组组件，多个可调绕组组件单独或同时操作，控制每个调压切换机构动作时，均需先对IGBT模块进行操作，再对消弧开关进行操作，所述操作包括闭合、断开。

本发明的有益效果：本发明综合机械式有载分接开关损耗小和电力电子式有载分接开关切换无弧、无冲击的优点，具有结构简单、体积小、无弧、低功耗、切换过程不断电的特点。所述调压切换机构包括过渡电路和导通电路，调压开关和消弧开关采用抗短路型磁保持继电器，其机械耐久性可达100万次以上，能耐受短路电流（约25倍额定电流）冲击，且功耗仅为1.5~3W；所选IGBT模块为全控型电力电子器件，仅用于调压切换过程中过渡电路的断开、闭合，变压器正常工作时不接入导通电路，这不仅可以避免IGBT长时间导通电流引起的发热，还可以提高本发明所述装置的整体寿命；所述过渡器件可限制调压切换过程中两个分接并联时产生的循环电流，避免发生级间短路。

附图说明

图1为本发明提供的自动有载调压配电变压器装置的电路结构示意图；

图2为本发明中调压切换机构处于断开状态的电路结构示意图；

图3为本发明中调压切换机构处于正常工作导通状态的电路结构示意图；

图4为本发明中调压切换机构处于切换过程导通状态的电路结构示意图；

图5为本发明中调压切换机构处于过渡过程导通状态的电路结构示意图；

图6为本发明中控制器的结构示意图；

图7为本发明调压方法的流程图；

图8为本发明实施例中额定分接状态的电路结构示意图；

图9为本发明实施例中调压开关K7闭合后的电路结构示意图；

图10为本发明实施例中调压切换机构3导通状态的电路结构示意图；

图11为本发明实施例中调压切换机构4断开状态的电路结构示意图；

图12为本发明实施例中调压完成后分接状态的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种自动有载调压配电变压器，其具有三相绕组，如图1所示，每一相绕组包括低压绕组、高压绕组1、高压绕组2、可调绕组组件1、可调绕组组件2和控制器，高压绕组1、可调绕组组件1、可调绕组组件2、高压绕组2依次串联组成高压绕组，低压绕组与高压绕组耦合，控制器接收低压绕组的电压信号并与可调绕组组件1、可调绕组组件2控制连接。

可调绕组组件1包括：与高压绕组1连接的调压绕组1、与调压绕组1分接出头连接的多个调压开关（K2、K4、K6、K8）、调压切换机构1、调压切换机构2。

其中，调压开关K8和调压开关K4的一端连接调压绕组1对应的分接出头，另一端均连接E点；调压切换机构1一端连接E点，另一端连接P点；调压开关K6和调压开关K2的一端连接调压绕组1对应的分接出头，另一端均连接F点；调压切换机构2一端连接F点，另一端连接P点。

可调绕组组件2包括：与高压绕组2连接的调压绕组2、与调压绕组2分接出头连接的多个调压开关（K3、K5、K7、K9）、调压切换机构3、调压切换机构4。

其中，调压开关K3和调压开关K7的一端连接调压绕组2对应的分接出头，另一端均连接M点；调压切换机构3一端连接M点，另一端连接Q点；调压开关K5和调压开关K9的一端连接调压绕组2对应的分接出头，另一端均连接N点；调压切换机构2一端连接N点，另一端连接Q点。

P与Q之间连接，形成导通电路。

调压切换机构1与调压切换机构2、调压切换机构3、调压切换机构4相同。

如图2所示，每个调压切换机构包括：消弧开关K、IGBT模块G、过渡电阻R。

其中，IGBT模块G与过渡电阻R串联，组成切换过程中的过渡电路；消弧开关K为调压切换机构正常工作的导通电路，与过渡电路并联。

调压切换机构根据导通方式分为4种状态：

一是断开状态，此时消弧开关K与IGBT模块G均断开，如图2所示；

二是正常工作导通状态，此时消弧开关K闭合，且IGBT模块G断开，如图3所示；

三是切换过程导通状态，此时消弧开关K与IGBT模块G均闭合，组成并联导通电路，如图4所示；

四是过渡过程导通状态，此时消弧开关K断开，且IGBT模块G闭合，如图5所示；

图2、图3、图4、图5中的黑色粗体实线表示调压切换机构的导通电路。

本实施例中，所有调压切换机构中的消弧开关K均采用抗短路型磁保持继电器；所有调压开关（K2、K4、K6、K8、K3、K5、K7、K9）均采用抗短路型磁保持继电器。

所选抗短路型磁保持继电器均具有手动开断功能，配电变压器装置进行变比试验时，可对磁保持继电器进行手动操作；所述控制器在没有电源或不工作时，对磁保持继电器手动操作可进行无励磁调压，实现自动有载调压与无励磁调压的并存；所述控制器在正常工作时，不允许对磁保持继电器进行手动操作。

本实施例中，过渡电阻R选用镍铬合金（Ni80Cr20）或铁铬铝合金（Cr25Al5）材质，并采用有骨架螺旋式结构。所选的镍铬合金（Ni80Cr20）或铁铬铝合金（Cr25Al5）都具有较高的电阻率和工作温度。

所述三相低压绕组采用星形连接方式，中性点引出并接地。

所述三相高压绕组采用三角形或星形连接方式，无中性点或中性点不引出。

所述调压绕组采用单桥跨接调压方式。

低压绕组配置电压测量装置，并为控制器提供电源。

所述电压测量装置直接测量三相低压绕组的电压值，无需采用电压互感器，并向控制器发送所述电压值。所述电压值包括：三相低压绕组的每相对地电压值及三相低压绕组之间的线电压值。

所述控制器根据接收的三相低压绕组的电压值进行计算，并生成调压逻辑，控制可调绕组组件1、可调绕组组件2中调压开关及调压切换机构的开断、闭合。

控制每个调压切换机构动作时，均需先对IGBT模块G进行操作，再对消弧开关K进行操作，所述操作包括闭合、断开。

控制器与可调绕组组件1和可调绕组组件2中所有调压开关（K2、K4、K6、K8、K3、K5、K7、K9）和调压切换机构（1、2、3、4）连接，用于控制可调绕组组件中调压绕组的投入与退出，以及调压切换机构的开断。

如图6所示，控制器包括隔离降压单元、电源单元、电压采样单元、过零检测单元、复位电路、单片机控制单元、IGBT触发驱动单元、控制信号输出单元，隔离降压单元的输入端连接配电变压器的二次侧，电源单元、电压采样单元、过零检测单元连接在隔离降压单元输出端与单片机控制单元输入端之间，复位电路与单片机控制单元相连，IGBT触发驱动单元和控制信号输出单元连接在单片机控制单元的输出端，用于向可调绕组组件发送调压触发信号。

由配电变压器的二次侧采集降压前的过零点和采样电压，经过隔离降压变压器降压后再经过电压采样单元和过零检测单元，输送给单片机控制单元，IGBT触发驱动单元和控制信号输出单元根据单片机控制单元的调压策略，按预定逻辑和时序向可调绕组组件1、可调绕组组件2中各IGBT模块、消弧开关和调压开关发送触发信号，完成调压动作，IGBT触发驱动单元中内置欠压、过压和短路的驱动保护电路以及器件故障检测回路。

本实施例中，通过事先标定的方式确定三相低压绕组电压值对应的调压逻辑，实际调压时，根据三相低压绕组电压值调用相应的调压逻辑生成调压策略。该过程是本领域的常规技术手段，本处不再累述。

实施例2

本实施公开一种自动有载调压配电变压器调压方法，本方法基于实施例1所述配电变压器，所述的自动有载调压配电变压器正常工作状态时：

可调绕组组件1中仅有1个分接出头接入P点，即调压开关K2、K4、K6、K8中仅有1个闭合，其余断开；调压开关K8或调压开关K4闭合时，调压切换机构1处于正常工作导通状态，调压开关K6或调压开关K2闭合时，调压切换机构2处于正常工作导通状态；调压切换机构1和调压切换机构2中仅有1个处于正常工作导通状态，另一个处于断开状态。

可调绕组组件2中仅有1个分接出头接入Q点，即调压开关K3、K5、K7、K9中仅有1个闭合，其余断开；调压开关K3或调压开关K7闭合时，调压切换机构3处于正常工作导通状态，调压开关K5或调压开关K9闭合时，调压切换机构4处于正常工作导通状态；调压切换机构3和调压切换机构4中仅有1个处于正常工作导通状态，另一个处于断开状态。

调压切换过程中，可以对可调绕组组件1和可调绕组组件2的其中一个进行操作，也可同时进行操作。可调绕组组件1和可调绕组组件2同时操作可以增大单次调压的范围。

本发明所述装置的调压方法流程，如图7所示，包括以下步骤：

S01）、实时监测配电变压器的运行状态，并通过电压测量装置检测低压绕组的电压值；

S02）、判断低压绕组的电压值是否合格，如果合格，则继续实时监测，如果不合格，则控制器计算当前低压绕组电压对应的调压策略，并根据调压策略生成调压逻辑控制信号；

S03）、根据调压逻辑控制信号切换可调绕组组件，从而完成本次调压动作。

根据调压逻辑控制信号切换可调绕组组件的过程为：

S31）、将与断开状态调压切换机构相连接的某一个调压开关闭合；

S32）、将正常工作导通状态调压切换机构中的IGBT模块闭合，使得该调压切换机构处于切换过程导通状态；

S33）、将步骤S32所述调压切换机构中的消弧开关断开，使得该调压切换机构处于过渡过程导通状态；

S34）、将步骤S31所述调压切换机构中的IGBT模块闭合，使得该调压切换机构处于过渡过程导通状态；

S35）、将步骤S32所述调压切换机构中的IGBT模块断开，使得该调压切换机构处于断开状态；

S36）、将原闭合状态的调压开关断开；

S37）、将步骤S31所述调压切换机构中的消弧开关闭合，使得该调压切换机构处于切换过程导通状态；

S38）、将步骤S31所述调压切换机构的IGBT模块断开，使得该调压切换机构处于正常工作状态，完成调压切换过程。

为便于描述，本发明以额定分接状态（K5、K6闭合）切换到某一分接状态（K6、K7闭合）为例说明调压切换过程的步骤：

额定分接状态时，K5、K6闭合，其余调压开关断开，与之相连的调压切换机构2和调压切换机构4处于正常工作导通状态，调压切换机构1和调压切换机构3处于断开状态，如图8所示。

第一步，将调压开关K7闭合，如图9所示；此时调压切换机构3仍处于断开状态，如图2所示。

第二步，将调压切换机构4中IGBT模块G闭合，使调压切换机构4处于切换过程导通状态，如图4所示。

第三步，将调压切换机构4中消弧开关K断开，使调压切换机构4处于过渡过程导通状态，如图5所示。

第四步，将调压切换机构3中IGBT模块G闭合，使调压切换机构3处于过渡过程导通状态，如图5所示；此时，可调绕组组件2中有2个并联的导通电路，如图10所示。

第五步，将调压切换机构4中IGBT模块G断开，如图11所示；使调压切换机构4处于断开状态，如图2所示。

第六步，将调压开关K5断开。

第七步，将调压切换机构3中消弧开关K闭合，使调压切换机构3处于切换过程导通状态，如图4所示。

第八步，将调压切换机构3中IGBT模块G断开，使调压切换机构3处于正常工作状态，如图2所示；可调绕组组件部分的导通电路，如图12所示。

图8、图9、图10、图11、图12中的黑色粗体实线表示可调绕组组件部分的导通电路。

调压切换过程中，可以对可调绕组组件1和可调绕组组件2同时进行操作，操作步骤相似。本发明中两个可调绕组组件之间相互独立，各自的调压切换机构互不影响，可保证同时操作的切换过程中不断电。

本发明通过可调绕组组件1与可调绕组组件2中调压开关和调压切换机构，实现调压绕组分接出头的快速切换，切换速度快于机械式开关，且切换过程中无电弧产生，提高调压的速度和效率。

本发明的调压切换机构中过渡电路采用IGBT模块与过渡电阻串联的方式，也可以采用IGBT模块与过渡电感串联的方式，过渡电阻与过渡电感的作用相同，均为限制过渡电路在切换过程中产生的循环电流的大小。

本发明中调压绕组1与调压绕组2共引出8个分接出头，可实现7档调压。本发明也可根据调压档位的实际需求，增大或减小调压绕组分接出头数量，与之连接的调压开关数量增大或减小，调压切换机构数量保持不变，电路接线方式与本发明所述的设计理念一致，相邻的两个调压开关，一端与对应的调压绕组分接出头连接，另一端分别与不同的调压切换机构相连。

本发明以调压绕组引出8个分接出头，实现7档调压为实例，并不用于限制本发明，凡在本发明的设计理念和原则之内所做的任何修改、同等替换、改进，均包含在申请待批的本发明权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种自动有载调压配电变压器，其特征在于：其具有三相绕组，每一相绕组包括低压绕组、高压绕组1、高压绕组2、可调绕组组件1、可调绕组组件2和控制器，高压绕组1、可调绕组组件1、可调绕组组件2、高压绕组2依次串联组成高压绕组，低压绕组与高压绕组耦合，控制器接收低压绕组的电压信号并与可调绕组组件1、可调绕组组件2控制连接。

2.根据权利要求1所述的自动有载调压配电变压器，其特征在于：可调绕组组件1包括与高压绕组1连接的调压绕组1、与调压绕组1分接出头连接的多个调压开关、调压切换机构1和调压切换机构2，多个调压开关的一端与对应的调压绕组1分接出头连接，另一端按照相邻的两个调压开关分别与不同的调压切换机构相连的方式连接至调压切换机构1或调压切换机构2，调压切换机构1和调压切换机构2的另一端均连接至P点；

可调绕组组件2包括与高压绕组2连接的调压绕组2、与调压绕组2分接出头连接的多个调压开关、调压切换机构3和调压切换机构4，多个调压开关的一端与对应的调压绕组2分接出头连接，另一端按照相邻的两个调压开关分别与不同的调压切换机构相连的方式连接至调压切换机构3或调压切换机构4，调压切换机构3和调压切换机构4的另一端均连接至Q点；

P点与Q点之间连通，形成导通电路。

3.根据权利要求2所述的自动有载调压配电变压器，其特征在于：所述调压切换机构包括消弧开关、IGBT模块和过渡器件，IGBT模块与过渡器件串联，组成切换过程中的过渡电路，消弧开关为调压切换机构正常工作的导通电路，与过渡电路并联。

4.根据权利要求1所述的自动有载调压配电变压器，其特征在于：所述控制器包括隔离降压单元、电源单元、电压采样单元、过零检测单元、复位电路、单片机控制单元、IGBT触发驱动单元和控制信号输出单元，隔离降压单元的输入端连接配电变压器的二次侧，电源单元、电压采样单元、过零检测单元连接在隔离降压单元输出端与单片机控制单元输入端之间，复位电路与单片机控制单元相连，IGBT触发驱动单元和控制信号输出单元连接在单片机控制单元的输出端，用于向可调绕组组件发送调压触发信号。

5.根据权利要求3所述的自动有载调压配电变压器，其特征在于：所述过渡器件为过渡电阻或者过渡电感。

6.根据权利要求3所述的自动有载调压配电变压器，其特征在于：所述调压开关和消弧开关均采用抗短路型磁保持继电器。

7.根据权利要求1所述的自动有载调压配电变压器，其特征在于：低压绕组配置电压测量装置，电压测量装置直接测量并向控制器发送三相低压绕组的电压值，所述电压值包括三相低压绕组的每相对地电压值及三相低压绕组之间的线电压值。

8.根据权利要求2所述的自动有载调压配电变压器，其特征在于：所述三相低压绕组采用星形连接方式，有中性点引出并接地；所述三相高压绕组采用三角形或者星形连接方式，无中性点或者中性点不引出，所述调压绕组采用单桥跨接调压方式。

9.一种自动有载调压配电变压器调压方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01）、实时监测配电变压器的运行状态，并通过电压测量装置检测低压绕组的电压值；

S02）、判断低压绕组的电压值是否合格，如果合格，则继续实时监测，如果不合格，则控制器计算当前低压绕组电压对应的调压策略，并根据调压策略生成调压逻辑控制信号；

S03）、根据调压逻辑控制信号切换可调绕组组件，从而完成本次调压动作。

10.根据权利要求9所述的自动有载调压配电变压器调压方法，其特征在于：根据调压逻辑控制信号切换可调绕组组件的过程为：

S31）、将与断开状态调压切换机构相连接的某一个调压开关闭合；

S32）、将正常工作导通状态调压切换机构中的IGBT模块闭合，使得该调压切换机构处于切换过程导通状态；

S33）、将步骤S32所述调压切换机构中的消弧开关断开，使得该调压切换机构处于过渡过程导通状态；

S34）、将步骤S31所述调压切换机构中的IGBT模块闭合，使得该调压切换机构处于过渡过程导通状态；

S35）、将步骤S32所述调压切换机构中的IGBT模块断开，使得该调压切换机构处于断开状态；

S36）、将原闭合状态的调压开关断开；

S37）、将步骤S31所述调压切换机构中的消弧开关闭合，使得该调压切换机构处于切换过程导通状态；

S38）、将步骤S31所述调压切换机构的IGBT模块断开，使得该调压切换机构处于正常工作状态，完成调压切换过程。

11.根据权利要求9所述的自动有载调压配电变压器调压方法，其特征在于：根据调压逻辑控制信号切换单个或多个可调绕组组件，多个可调绕组组件单独或同时操作，控制每个调压切换机构动作时，均需先对IGBT模块进行操作，再对消弧开关进行操作，所述操作包括闭合、断开。

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