Những khía cạnh thiết kế và ứng dụng của bộ điều chỉnh điện áp tự động cho đường dây cấp 10KV là gì?

Sau dự án cải tạo lưới điện nông thôn, mạng phân phối nông thôn đã có sự cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, do các hạn chế như địa hình, cảnh quan và quy mô đầu tư, bố cục không phải là tối ưu. Do đó, bán kính cung cấp điện của một số đường dây truyền tải 10 kV vượt quá phạm vi hợp lý. Với sự thay đổi của mùa vụ và ngày đêm, có sự dao động điện áp đáng kể, dẫn đến các vấn đề như chất lượng điện không đạt chuẩn và tổn thất đường dây tương đối cao,严重影响了农民的生活和生产。因此，本文设计了一种新型调压装置：馈线自动调压器。

1 调压器的工作原理

自动调压器是一种能够自动跟踪输入电压变化以确保输出电压稳定的装置。它可以广泛应用于6 kV、10 kV和35 kV供电系统，并能在20%范围内自动调整输入电压。将该装置安装在线路起始位置的1/2或2/3处，可以保证线路的电压质量。

对于主变压器不具备有载调压能力的变电站，也可以在变电站主变压器出线侧安装自动调压器，实现有载调压。变压器二次侧有几个抽头，通过单片机控制晶闸管的通断，提供不同级别的调压，从而达到馈线调压的目的。

2 调压器的档位切换动作电压设置

馈线调压器可以根据不同的负载条件调整档位，并根据线路电压改变变压比来实现调压。它有7个档位，调压范围为30%，能够很好地满足农村调压要求。

2.1 调压器档位切换电压设置原理

由于负荷波动，线路末端的电压会发生变化。针对不同的电压降，需要调整调压器的档位设置。图1描绘了一个典型的农村输电电网。这里，线路长度设为L公里，线路末端功率设为S = P + jQ MVA。

换挡要求：确保线路末端电压在7%范围内波动；一般不允许跳档；换挡次数应尽可能少。

假设变比为K，线路起始端电压为U₀，线路末端电压为U₁，调压器输入电压为U_in，输出电压为U_out，且U_out = K U_in。

根据模型，以下方程成立：U₁ = U_out - ΔU₁。

其中ΔU₁是从调压器安装点到线路末端的电压降，x是从调压器安装点到线路起始端的距离。因此：

(U₀ - U_in)是从线路起始端到调压器安装点的电压降。α = U₀/U_out是调压器安装点前后的线路电压水平比。令(L - x)/x = K₁，代入后得到：

其中，线路末端的电压U₁需要满足约束条件9.7 < U₁ < 10.7。将其代入上述公式，可以得到在已知K的情况下U_in的范围。然而，显然由于存在U₀/U_out，需要解一个一元二次方程，并且会有伪根的问题。本文简化了这个方程。

对于α = U₀/U_out的分析，U_out和U₁具有相同的增减趋势。U₀是一个常数，所以α = U₀/U_out，U_out与U₁成反比。还可以分析当U₁ = 9.3时，α ≈ 1；而当U₁ = 10.7时，α略小于1。因此，约束方程可以写成：

即：

2.2 设置示例

从公式（5）可以看出，实际上，档位切换动作的设置只与调压器的输入电压U_in和调压器安装点到线路长度的比例K_t有关。无需测量线路末端的实际负荷，大大简化了实际工程的难度。

以某实际输电线路为例，仍使用图1所示的模型。输电线路长度为20公里。调压器通常安装在线路中间。这里取距离线路起点为x = 9 km，K_t = 11/9。代入公式（5），可以得到：

对于某个档位，满足线路末端电能质量要求的输入电压范围有上下限，这就是该档位的操作电压（切换电压）。每个档位都有其对应的操作电压，这种关系可以在数轴上更直观地看到。

其中，第1档未使用，因为在正常情况下，输入电压不会超过该档的上限。第1档可以用作特殊情况下的操作，例如单相接地短路时的容错操作。以下是档位达到动作电压时的切换条件：

需要注意的是，从第4档降档时，直接降到第2档。这是因为第3档和第4档的下限动作电压比较接近。如果电压变化较大，从第4档降到第3档后可能需要立即再降到第2档，这样会增加动作次数。因此，为了减少动作次数，允许跨档切换。

3 档位切换控制器的设计

目前常用的档位切换方法是利用电机驱动档位开关刀片的移动。但是如何保证电机的快速准确转动一直是个问题。为了达到更好的控制效果，本文采用晶闸管控制系统。

3.1 晶闸管控制原理

晶闸管可以用小电流来控制大功率电路。馈线调压器使用7对双向晶闸管来控制档位，如图2所示。每对晶闸管连接到变压器的不同绕组，从而对应不同的变比。

3.2 单片机档位切换控制器的设计

双向晶闸管的控制只需要TTL门电路的电压驱动，可以直接连接到单片机的输出端口。为了节省输出端口，仅使用3个端口，并外接一个3-8译码器来驱动7个档位的控制，如图3所示。

4 智能控制系统的设计

对于带有控制芯片的调压器，仅有自动调压功能是不够的，也无法充分发挥单片机的性能。一个完整的控制系统如图4所示，还包括键盘输入、显示电路、无线通信、外部时钟、外部存储以及故障保护。

键盘输入可以进行程序调整，无线通信可以实时监控调压器的运行情况。外部时钟可以在单片机断电时记录时间。外部存储可以安全存储大量的系统运行数据，以便未来研究。故障保护使单片机在异常情况下进入特殊运行模式，以满足输电任务，保护其在故障时不被损坏，并与继电保护装置配合，保护输电线路。

5 结论

通过建立输电线路模型并进行潮流计算，确定了调压器档位动作电压的设置规则。对于变压器档位控制，用更方便快捷的晶闸管控制取代了传统的机械控制，设计简单，控制效果好。馈线自动调压器具有较宽的调压范围，能有效保证输电线路的电压质量。