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變壓器有載開關自動調壓控制系統
日期：2025-12-10 15:46
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摘要：介紹一種新型的變壓器有載調壓控制系統，該控制系統接線簡單，運行可靠，采用中文菜單，人機界面友好，現場運行效果良好。
電壓質量是檢驗電能質量的一個重要標志，對國民經濟發展和人民生活的提高有著密切的關系，電壓的波動范圍直接影響著用電設備的使用效率、工作性能及使用壽命。為了保證電壓質量，國家對各級電網電壓的允許波動范圍都有著明確的規定，電壓合格率已作為電力部門達標和創**的主要考核指標。由于我國電源儲備容量小，電網結構薄弱，電壓波動范圍受負荷影響較大。采用有載調壓變壓器，根據電壓的要求，對有載分接開關進行自動調節，從而保證電壓自動保持在合格范圍內是提高電壓質量的一個重要措施。目前，大部分有載調壓變壓器仍采用人工手動調節，由于人工手動調節存在著調整不及時，調節存在偏差以及易發生誤調節等現象，難以保證電壓的質量。國產的自動調壓控制器普遍存在著智能化程度低，測量精度差，產品質量低，可靠性較低的現象，難以滿足現場的實際需要。國外進口的自控器，盡管在性能和質量上能基本滿足要求，但由于其參數及說明書均用外文說明，顯示部分仍采用數碼管顯示，這給現場運行人員的運行和維護帶來很大困難，致使一些進口控制器長期得不到使用，影響了電壓質量的提高。為此，我們根據現場的實際需要，在吸收消化國外技術的基礎上，研制了一套比國外進口設備更先進，適合于我國現場實際需要的變壓器有載自動調壓控制系統。
基本原理
變壓器有載自動調壓控制系統基本原理框圖如圖1所示。
1.1電壓形成部分
1.1.1輔助TA
輔助TA的一次輸入信號取自被控制變壓器的TA二次電流，該電流的額定值為5 A，所以輔助TA的一次額定電流設計為5 A。為了把電流信號轉換為適合計算機處理的電壓信號，輔助TA二次側并一20Ω電阻。為了提高測量精度，防止飽和，輔助TA二次側應取較低的電壓，本設計取輔助TA二次側電壓為1 V。輔助TA的實際設計參數為
I１=5 A，P=60 mW，
N１=9，N2=810，
Φ１=1.5～2 mm，Φ2=0.21 mm
其中N1，N2為一、二次匝數；Φ1，Φ2為一、二次線徑。
1.1.2輔助TV
輔助TV一次輸入電壓取自母線TV二次電壓，所以輔助TV的一次額定電壓為100 V。為防止電壓過高時造成輔助TV的飽和而影響其測量精度，且該控制裝置不考慮50 V以下的測量精度，輔助TV的一次額定電壓設計為130 V。輔助TV的實際設計參數為
U１=130 V，P=6 mW，
N1=3 600,N2=200,
Φ１=0.1(0.13)mm，Φ2=0.21(0.13)mm
1.2整流濾波
對電壓形成部分送來的信號進行A/D轉換時，通常有兩種處理方法，即交流采樣和直流采樣。前者的優點是硬件電路簡單，反應速度較快，其缺點是抗干擾性能差，軟件較為復雜；而后者恰與其相反，通常在反應速度要求不是太快的情況下，采用直流采樣。本設計中采用直流采樣，其整流電路采用由精密運放構成的優良值整流電路。
1.3多路轉換開關
多路轉換開關采用AD7501。AD7501是具有8路模擬輸入的8選1高速模擬轉換開關，本裝置只有4路輸入信號，完全滿足要求，且留有擴展的余地。
1.4 A/D轉換
根據本裝置對測量精度的要求，選擇8位AD，精度稍差一點；選用10位AD，精度可滿足要求，但10位AD不如12位AD使用普遍，所以設計中選用12位AD芯片AD574作為轉換芯片。AD574轉換速度為25μs，在本設計中電流、電壓的純A/D轉換精度為0.05%，其轉換速度和精度都滿足要求，且有很大的裕度。
1.5 CPU芯片
本系統為中小控制系統，對速度要求不高，采用比較成熟的51系列單片機具有較好的抗干擾性能，故設計中CPU采用51系列8031芯片。
1.6程序存儲器EPROM
軟件程序估計約有6 k字節，設計中采用使用較為普遍的8 k字節EPROM2764，容量滿足要求，且易于選購。
1.7自動復位電路
為了使控制裝置適用于無人值守變電站，提高裝置的抗干擾能力，防止程序在受到干擾時，可能出現的死鎖或飛跑現象，設有由單穩觸發電路構成的硬件自動復位電路，在程序受到某種干擾而停止運行時，硬件自動復位電路會使裝置自動復位，重新正常運行。
1.8 E２PROM
為使定值能夠長久保存和隨時更改，設計中采用了電可擦除存儲器，考慮到定值長度不會超過1 k字節，設計中選用了2 k字節的2816芯片。
1.9液晶顯示
為了使工作人員能脫離使用說明書對各種參數進行整定，且保證不會發生誤整定，設計中使用能向工作人員提示各種漢字信息的液晶顯示模塊。該模塊可用漢字顯示各種實時參數、定值參數，定值參數在線修改提示和各種故障信息。為此，設計中選用顯示屏較大的MGLS-19264模塊，每屏可顯示16×16點陣漢字48個。
1.10開關量輸入
開關量輸入來自有載分接開關的輔助接點，其開關量信號通過光電隔離送入計算機，根據送入的開關量判斷兩臺變壓器的有載分接開關是否同步。目前判斷同步信號的電路是將所有分接頭位置全部送入裝置，大約有40路引線，這樣做，引線及電路較復雜。我們采用的方式是將分接頭位置連線就地連接，只引兩條信號線到裝置。這樣做，引線及電路大為簡化，如圖2所示
1.11軟件程序
軟件程序采用51指令編寫，長度約為6 k字節，程序采用模塊化結構，程序框圖如圖3所示。
2動作過程
(1)若電壓在合格范圍內，裝置不調節。
(2)當電壓超過電壓上限，且電流小于過流閉鎖定值，經過延時相應的變壓器向下調節一個分接頭。
(3)當電壓低于電壓下限，電流小于過流閉鎖定值，電壓高于低壓閉鎖定值，經過延時相應的變壓器向上調節一個分接頭。
2.2并列運行方式
(1)若電壓在合格范圍內，裝置不調節。
(2)當兩臺變壓器的電壓均超過電壓上限，電流均小于各自的電流閉鎖定值，分接頭同步，經過延時，兩臺變壓器均同時向上調節一個分接頭。
(3)當兩臺變壓器的電壓均低于電壓下限，電流均小于各自的閉鎖定值，電壓均高于各自的低壓閉鎖定值，分接頭同步，經過延時兩臺變壓器均同時向上調節一個分接頭。
為防止電壓振蕩時頻繁調節，若發出相反的指令，則自動延時4 min，以躲過振蕩周期。
3裝置主要特點
(1)采用液晶顯示，可用漢字顯示各種實時參數和定值。使用操作簡便，運行監視直觀，使自動有載調壓在現場推廣使用成為可能。
(2)智能化程度高，可用數字鍵在線修改定值，修改定值期間不影響控制系統正常運行。修改定值時，有漢字提示，無需使用說明書，克服了先進技術給現場工作人員帶來的煩惱。
(3)可靠性高，控制系統采用三組獨立的電源，并對輸入輸出部分采用了光電耦合電路，提高了裝置的抗干擾性能。在軟件和輸出口硬件電路中采用了防止拉合電源誤動作的措施，即在軟件上采取上電立即封鎖出口，在硬件上采取掉電禁止對輸出口的操作和輸出口驅動回路并聯抗干擾電容的方法。
(4)測量精度高，控制系統分別采用了集成運放構成的精密整流電路和12位A/D模數轉換，提高了測量精度，保證了控制系統的準確調節。
基本原理
變壓器有載自動調壓控制系統基本原理框圖如圖1所示。
1.1電壓形成部分
1.1.1輔助TA
輔助TA的一次輸入信號取自被控制變壓器的TA二次電流，該電流的額定值為5 A，所以輔助TA的一次額定電流設計為5 A。為了把電流信號轉換為適合計算機處理的電壓信號，輔助TA二次側并一20Ω電阻。為了提高測量精度，防止飽和，輔助TA二次側應取較低的電壓，本設計取輔助TA二次側電壓為1 V。輔助TA的實際設計參數為
I１=5 A，P=60 mW，
N１=9，N2=810，
Φ１=1.5～2 mm，Φ2=0.21 mm
其中N1，N2為一、二次匝數；Φ1，Φ2為一、二次線徑。
1.1.2輔助TV
輔助TV一次輸入電壓取自母線TV二次電壓，所以輔助TV的一次額定電壓為100 V。為防止電壓過高時造成輔助TV的飽和而影響其測量精度，且該控制裝置不考慮50 V以下的測量精度，輔助TV的一次額定電壓設計為130 V。輔助TV的實際設計參數為
U１=130 V，P=6 mW，
N1=3 600,N2=200,
Φ１=0.1(0.13)mm，Φ2=0.21(0.13)mm
1.2整流濾波
對電壓形成部分送來的信號進行A/D轉換時，通常有兩種處理方法，即交流采樣和直流采樣。前者的優點是硬件電路簡單，反應速度較快，其缺點是抗干擾性能差，軟件較為復雜；而后者恰與其相反，通常在反應速度要求不是太快的情況下，采用直流采樣。本設計中采用直流采樣，其整流電路采用由精密運放構成的優良值整流電路。
1.3多路轉換開關
多路轉換開關采用AD7501。AD7501是具有8路模擬輸入的8選1高速模擬轉換開關，本裝置只有4路輸入信號，完全滿足要求，且留有擴展的余地。
1.4 A/D轉換
根據本裝置對測量精度的要求，選擇8位AD，精度稍差一點；選用10位AD，精度可滿足要求，但10位AD不如12位AD使用普遍，所以設計中選用12位AD芯片AD574作為轉換芯片。AD574轉換速度為25μs，在本設計中電流、電壓的純A/D轉換精度為0.05%，其轉換速度和精度都滿足要求，且有很大的裕度。
1.5 CPU芯片
本系統為中小控制系統，對速度要求不高，采用比較成熟的51系列單片機具有較好的抗干擾性能，故設計中CPU采用51系列8031芯片。
1.6程序存儲器EPROM
軟件程序估計約有6 k字節，設計中采用使用較為普遍的8 k字節EPROM2764，容量滿足要求，且易于選購。
1.7自動復位電路
為了使控制裝置適用于無人值守變電站，提高裝置的抗干擾能力，防止程序在受到干擾時，可能出現的死鎖或飛跑現象，設有由單穩觸發電路構成的硬件自動復位電路，在程序受到某種干擾而停止運行時，硬件自動復位電路會使裝置自動復位，重新正常運行。
1.8 E２PROM
為使定值能夠長久保存和隨時更改，設計中采用了電可擦除存儲器，考慮到定值長度不會超過1 k字節，設計中選用了2 k字節的2816芯片。
1.9液晶顯示
為了使工作人員能脫離使用說明書對各種參數進行整定，且保證不會發生誤整定，設計中使用能向工作人員提示各種漢字信息的液晶顯示模塊。該模塊可用漢字顯示各種實時參數、定值參數，定值參數在線修改提示和各種故障信息。為此，設計中選用顯示屏較大的MGLS-19264模塊，每屏可顯示16×16點陣漢字48個。
1.10開關量輸入
開關量輸入來自有載分接開關的輔助接點，其開關量信號通過光電隔離送入計算機，根據送入的開關量判斷兩臺變壓器的有載分接開關是否同步。目前判斷同步信號的電路是將所有分接頭位置全部送入裝置，大約有40路引線，這樣做，引線及電路較復雜。我們采用的方式是將分接頭位置連線就地連接，只引兩條信號線到裝置。這樣做，引線及電路大為簡化，如圖2所示
1.11軟件程序
軟件程序采用51指令編寫，長度約為6 k字節，程序采用模塊化結構，程序框圖如圖3所示。
2動作過程
(1)若電壓在合格范圍內，裝置不調節。
(2)當電壓超過電壓上限，且電流小于過流閉鎖定值，經過延時相應的變壓器向下調節一個分接頭。
(3)當電壓低于電壓下限，電流小于過流閉鎖定值，電壓高于低壓閉鎖定值，經過延時相應的變壓器向上調節一個分接頭。
2.2并列運行方式
(1)若電壓在合格范圍內，裝置不調節。
(2)當兩臺變壓器的電壓均超過電壓上限，電流均小于各自的電流閉鎖定值，分接頭同步，經過延時，兩臺變壓器均同時向上調節一個分接頭。
(3)當兩臺變壓器的電壓均低于電壓下限，電流均小于各自的閉鎖定值，電壓均高于各自的低壓閉鎖定值，分接頭同步，經過延時兩臺變壓器均同時向上調節一個分接頭。
為防止電壓振蕩時頻繁調節，若發出相反的指令，則自動延時4 min，以躲過振蕩周期。
3裝置主要特點
(1)采用液晶顯示，可用漢字顯示各種實時參數和定值。使用操作簡便，運行監視直觀，使自動有載調壓在現場推廣使用成為可能。
(2)智能化程度高，可用數字鍵在線修改定值，修改定值期間不影響控制系統正常運行。修改定值時，有漢字提示，無需使用說明書，克服了先進技術給現場工作人員帶來的煩惱。
(3)可靠性高，控制系統采用三組獨立的電源，并對輸入輸出部分采用了光電耦合電路，提高了裝置的抗干擾性能。在軟件和輸出口硬件電路中采用了防止拉合電源誤動作的措施，即在軟件上采取上電立即封鎖出口，在硬件上采取掉電禁止對輸出口的操作和輸出口驅動回路并聯抗干擾電容的方法。
(4)測量精度高，控制系統分別采用了集成運放構成的精密整流電路和12位A/D模數轉換，提高了測量精度，保證了控制系統的準確調節。
