解决方案︱无触点有载调压配电变压器可靠性技术的分析与应用
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”。
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广东电网有限责任公司云浮供电局的研究人员黄辉、王玥超，在2016年第4期《电气技术》杂志上撰文指出，变压器有载自动调压是解决电力系统电压偏移的有效措施，如今无触点有载调压变压器技术已经成为电力系统智能控制领域研究的重要课题之一。
本文主要是以无触点有载调压变压器调压的可靠性为研究对象，以50kVA配电变压器为例，应用单片机控制晶闸管开关，实现变压器的有载调压。系统方案针对影响调压可靠性的因素进行了分析，并针对这些问题提出了相应的改进方案，使变压器有载调压的可靠性得到提高。
无弧有载调压变压器的结构主要分为四部分，即分接开关、驱动单元、检测单元和控制单元。分接开关是变压器电压调整的操作机构，传统的机械式分接开关故障率高容易反生电腐蚀甚至粘连，本文中的分接开关采用反并联的晶闸管构成具有具有无触点、无运动结构的特点；驱动单元的作用是发出脉冲信号，控制晶闸管模块的导通；检测单元主要用来检测系统电压波动，并进行晶闸管触发的过零检测；控制单元主要进行整个功能的系统控制，对采集数据进行分析计算，并控制相应的动作输出[1]。
1 影响有载调压变压器电压调节可靠性的因素
1.1 起动机构退出的可靠性
中间继电器是起动机构的常用器件，在起动过程中继电器触点中流过的电流较大，可能会造成触点的粘结，导致回路长期导通。此外继电器线圈的耐压较低难以达到实验要求。
1.2 反并联晶闸管的工作可靠性
主要在晶闸管的过零触发电路，在阻性负载下，晶闸管的触发一般比较正常。当存在较大电感负载时，分接开关从额定位置切换到非额定位置的过程中，由于电感对电流的滞后作用，可能导致分接开关不能触发导通，造成变压器回路断开，引起过电压击穿分接开关。
而在分接开关动非额定位置向额定位置动作时，则会出现分接开关无法关断的情况。此外，在晶闸管关断时的反向电压可能会造成晶闸管的电压击穿。
1.3 驱动单元的触发电路可靠性问题
一方面电力系统的高电压要求驱动单元原件要有较高的绝缘性能，同时光耦回路的电气隔离以及电源变压器都很难满足如此高的电压需求，必须选择具有高绝缘性能的元件弥补这一缺陷。
1.4 处理单元程序可靠性
单片机是控制单元的核心器件，单片机程序的混乱和死机是单片机故障的主要原因，因此必须设计单片机故障闭锁装置，防止装置误动作，并及时排除单片机内部故障[2]。
2 提高无触电有载调压变压器运行可靠性方案
2.1 过渡支路开关的改良
针对过零触发电路对反并联晶闸管构成的过渡支路的影响，过渡支路选用双向晶闸管，由中间继电器和电阻构成其触发电路，其电路图如图1所示。
图1 过渡支路开关起动改良方案
图1中变压器上电后，中间继电器的常闭点和触发电阻构成的触发电路形成回路，双向晶闸管导通，变压器一次侧接通；控制单元接通电源后，中间继电器吸合，常闭触点打开，触发电路断开，从而导致双向晶闸管关断，起动结束。
调压中，当需要接入过渡支路时，中间继电器线圈失电，常闭点闭合，双向晶闸管重新导通；当需要切断过渡支路时，则控制吸合中间继电器，关断双向晶闸管，调压任务完成。
针对双向晶闸管关断过程中瞬间过电压击穿的问题，可以如图3所示在晶闸管两端加装阻容吸收回路，利用电容电压不突变的特性，以及电阻的限流作用，抑制瞬间过电压的产生。阻容吸收的电路的元件参数选取经验值见表1[3]。
图2 阻容吸收回路
表1 晶闸管阻容吸收电路参数经验数值
2.2 反并联晶闸管触发方案优化
1）光纤触发方案结构图
晶闸管光纤触发的方案结构如图3所示，主要由驱动电路、光发送器、光纤。关接收器、触发电路和高压取能直流供电电路组成。控制系统通过分析变压器低压侧采集的电压信号，控制反并联晶闸管的导通和关断，光纤发送器将该信号转化为光信号，经光纤电缆输送到光纤接收器，从而控制触发电路达到导通关断晶闸管的目的。
图3 光纤触发方案结构图
2）光纤触发电路
如图4所示，应用光接收器形成反并联晶闸管的管线触发电路。当没有光信号时，光接收器里的三极管保持截止，R4.1为T4.1提供基极电流而促使其导通，光电耦合器OC4.1、QC4.2工作，使V4.1和V4.2的触发信号关断。
当光信号出现时，光接收器的三极管导通，当反并联晶闸管两端电压足够低时，T4.2由于R4.1、R4.2的分压作用而截止，从而V4.1、V4.2导通，R4.4或R4.5触发反并联的晶闸管导通。
图4 晶闸管光纤触发电路
2.3 控制单元故障闭锁装置
看门狗芯片是单片机硬件系统外围重要辅助元件，是故障闭锁装置的核心，它可以对单片机的运行状态进行监控，当单片机进入死机状态以后，可以使单片机复位恢复工作。X5045是一种常用的看门狗芯片[4]。
1）上电复位通知电路
上电复位通知电路如图5所示，系统得电瞬间由于RC电路的存在，使得在电容C完成充电之前，电路输出持续保持一段时间低电平状态，而在看门狗复位时，电路输出持续为高电平。根据这一原理，可以对复位电路的上电复位和看门狗复位进行判断。
在单片机复位时，可以对引脚P0.2的电平状态进行读取，当P0.2地区的电平值为1时，则可判断出单片机在进行看门狗复位；反之，单片机复位时，引脚P0.2的电平为0时，则可判断出单片机在进行上电复位。
复位通知功能有很强的实际意义，一旦程序发生混乱，初始化时则可根据复位的类别读取分接头在故障前的状态，从而确保变压器一次侧继续保持歉意状态运行，避免误动作的发生。
图5 上电复位通知电路
2）触发控制信号闭锁电路
如图6所示，正常工作状态下，看门狗的引脚RST保持低电平，单片机CP输出为为高电平，经逻辑运算之后由74LS273的CP引脚输入高电平；若要使Qn改变跟随Dn状态时，单片机输出保持一段时间低电平后，改为高电平输出，进行逻辑运算后，输出信号为上升沿；在看门狗进行复位时，逻辑运算的结果均为高电平，单片机的上升沿信号被屏蔽，正常运行时，单片机CP的上升沿信号可以正常传输，从而完成了CP信号的闭锁功能。
图6 控制信号闭锁电路
3）中间继电器控制闭锁电路
由变压器的运行动作顺序可知，分接开关的控制命令应在控制系统上电后应第一个发出，导通额定位置分接开关，关断其他分接开关，起动机构退出信号在一段时间的延时后发出。由于单片机的本身特性导致，在其上电初的的几百毫秒，其输入输出引脚会保持高电平，单片机运行之后回复程序命令状态。
锁存触发芯片74HC237会在控制单元上电时屏蔽单片机输入输出引脚的状态，单片机的控制信号在MR引脚变为高电平时才被正常传输到分接开关的触发控制。上电复位通知电路决定MR的状态，回路的RC参数影响其低电平的保持时间。
控制系统初始化完成并能正常输出控制信号时起动装置方可退出。而中间继电器最终实现调压过渡支路和起动装置的投入的控制。分析以上信号之间的逻辑关系，可以得出继电器控制信号闭锁电路如图7所示。
图7 中间继电器控制信号闭锁电路
3 结论
通过实验变压器的实际调压运行实验验证，无触点有载调压配电变压器继电器动作，自动调压过程正常变压器运行稳定可靠，在变压器空载合闸、感性负载和负载突变情况下的可靠性也有所提高。
但是，我们发现方案中仍有很多问题需要解决，如方案的实际应用验证、起动机构的绝缘问题以及分接开关击穿报警功能的研究等。因此，无触点有载调压变压器的可靠性技术研究还有很长的路要走，还需要引进更多更为先进的技术来促进方案的不断改进。
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