CN102522190B - 具有直流偏磁补偿能力的电力变压器及工作方法 - Google Patents
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Abstract
具有直流偏磁补偿能力的新型电力变压器及工作方法，所述装置包括半硬磁材料以及普通电工钢片组成的铁心以及由一次绕组、二次绕组、检测绕组、控制绕组组成的绕组组成；所述方法为通过建立检测、控制绕组实现对该半硬磁材料在导磁功能和直流励磁功能之间的智能转换，完成对变压器的直流偏磁现象的“检测、控制和消除”。具有变压器自身补偿直流偏磁的能力，降低变压器损耗，节能效果明显，取得一定的经济效益，对整个电力系统具有重大的实际意义。
Description
技术领域
本发明涉及电气工程领域，具体指一种可以自适应补偿变压器中性点直流偏磁的装置，具有智能特征的电力变压器。
背景技术
主要有两种原因可以引起大地直流电位差，进而在交流变压器中性点引入直流电流：其一是大地“磁暴”现象，会引起的电网中的低频环流；其二是直流输电系统单极运行方式，如果与其并行运行的交流输电系统变电站中性点接地的变压器距离换流站不远，就会使得交流变压器的接地中性线在变压器的励磁电流中产生直流分量，通过输电线路和另一端的变压器中性点形成回路。值得注意的是，我国“西电东送，南北互供，全国联网”电力网建设中采用了远距离大功率直流输电方式（HVDC）。
变压器中性点引入的直流电在变压器内部形成直流偏磁，可以使铁芯磁通严重饱和，励磁电流高度畸变，产生大量谐波，噪声明显增大，金属构件损耗增加，无功损耗增加，严重时可能会导致局部过热现象，破坏绝缘，以致损坏变压器或降低寿命。1989年3月13日，直流偏磁现象引起加拿大魁北克水力发电中断，美国东海岸发电站的大型升压变压器被毁，其中连接两个低压绕组导线的铜接线头烧毁，电网SVC装置的继电保护误动作，大量电容器退出运行，系统电压崩溃，最终失去9500MW负荷，电网解列了近9个小时。
目前，电力网安全运行中非常重视电力变压器在直流偏磁作用下的安全运行问题。而对应于大地直流电位引起直流偏磁采取的抑制方法主要有四种：中性点串小电阻法、电容隔直法、电位补偿法及直流电流反向注入法。
1992年，美国专家以魁北克水电站Radisson/LG2联合体为对象，提出了几种抑制直流电流的方案，其方法是将中性线串联工频阻抗较小的电容器，以间隙、可触发间隙及MOV等实现中性点电容器的快速过电压保护，方案还配备有机械旁路开关。美国DEI公司1996年初开发了4套变压器隔直装置；2003年又根据SIMENS公司提供的参数开发了10套变压器隔直装置，并用于靠近印度的一条HVDC终端站的变压器。此装置由1个4000uF（50Hz）隔直/通交电容器和2组反并联的大电流旁路通道以及机械开关旁路组成。近年人们利用电力电子技术开发“电容器+晶闸管旁路”方式的变压器中性点隔直装置。欧洲多个国家也投入大量人力、物力研制开发了各类变压器直流偏磁抑制装置。
我国电力网存在直流偏磁问题。江苏500kV上河主变压器、三峡龙泉一江苏政平500kV直流输电系统中的常州武南变电站两组500kVA主变压器、贵广直流线路中春城站主变压器均受到直流偏磁的影响。申请者从1996年开始进行有关直流偏磁问题的研究，曾分析了2007年辽宁抚顺电力局胜利一次变电站22万伏18万千伏安电力变压器出现的直流偏磁问题（检测到2-11安培偏磁电流、引起高达90分贝的噪声）。直流偏磁问题越来越得到我国学者的广泛关注，许多学者多年来也对直流偏磁问题开展研究及开发补偿装置。清华大学提出了一种小电阻装置用于变压器中性点直流偏磁的抑制。该装置主要由一无感电阻和间隙组成，并于2005年在现场进行了安装与测试，对抑制变压器中性线直流电流有明显效果。有学者介绍了变压器中性点注入反向直流电流的方法，其主要原理是电源经过调压器后再经过硅整流经辅助接地极和变压器中性点回路向变压器中性点注入反向直流电流。2007年有学者提出了一种基于电位补偿原理的校检变压器中性点直流电流的新方法，其原理是在变压器中性线中间串联一个小电阻，通过外部电源在该电阻上形成一个直流点位，以此调节变压器中性点的直流点位来达到减小流入变压器绕组直流电流的目的。国内也开展了电容隔直装置的研究与开发工作。华北电力大学、西安交通大学、浙江大学等高校也都做了大量工作，有效地抑制了变压器直流偏磁的影响。
但是，各种方法都存在一定的问题。小电阻限流法无法完全消除中性点直流电流，有时候不得不采用较大阻值的电阻，有可能影响主变压器中性点绝缘强度；电容隔直法虽然能够较好地消除中性点直流电流，但影响变压器的有效接地，对主变压器中性点绝缘强度要求较高，应对电网短路故障能力较差；中性点注入反向电流限制法需要另外建补偿接地极，补偿地极的选取极其困难。并且在远距离输电系统，补偿电流的效率将降低，直流发生器的功率将倍增，大电流入地也加重了地网负担，加速接地网腐蚀，应用成本极高；电位补偿法耗电量大，装置较昂贵，补偿地极的选取也较困难。
目前对于变压器直流偏磁的抑制，基本都是在变压器外部电路附加直流偏磁抑制和补偿装置来实现的，以某种方式影响了中性点良好接地及变压器应对突然短路的能力，不同程度增加了电力网安全运行隐患。当前尚未见到从变压器自身设计的角度，在变压器内部建立有效的结构体系，实现抑制变压器直流偏磁的有效方法。如果在变压器电磁运行机理上提供抑制直流偏磁影响的能力，而不改变电力变压器外电路（特别是中性点）的连接，将有可能从根本上解决直流偏磁问题，并能够保证变压器安全运行。
发明内容
本发明解决的技术问题为：避免了对电力变压器中性点接地连接方式的任何改变，保证了变压器中性点的安全接地，同时能够降低变压器损耗，进而保障电力系统安全运行。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
具有直流偏磁补偿能力的电力变压器，其特征在于：所述变压器包括铁心和绕组，其中铁心主要由上轭、旁轭和中心柱组成，旁轭安装在上轭两侧，上轭中间部位安装中心柱，中心柱中流通有主磁路；绕组主要由一次侧绕组、二次侧绕组、检测绕组和控制绕组组成，一次侧绕组和二次侧绕组绕制在主磁路上，检测绕组和控制绕组绕制在由半硬磁材料构成的旁轭上。
上轭和中心柱由普通电工钢片构成。
上轭和中心柱由硅钢片构成。
具有直流偏磁补偿能力的电力变压器的工作方法，其特征在于：当变压器发生直流偏磁现象时，通过检测绕组将偏磁磁通检测信号送入控制系统，然后控制系统向控制绕组发出高频脉冲产生与偏磁磁通相反的补偿磁通来抑制直流偏磁；当变压器直流偏磁消失或是无直流偏磁现象时，通过检测绕组将检测信号送入控制系统，控制系统产生反向高频脉冲将半硬磁材料进行退磁，只保存其导磁特性。
本发明将半硬磁材料植入到传统变压器之中，形成一种具有抑制直流偏磁功能的智能型电力变压器。完全取消了原有变压器在外电路引入的直流偏磁补偿和消除装置、避免了对电力变压器中性点接地连接方式的任何改变，保证了变压器中性点的安全接地。针对变压器出现直流偏磁问题时，铁心存在交流励磁和直流励磁共同耦合磁化作用，可实现磁通控制半硬磁材料的新型电力变压器具有建立变压器自身补偿直流偏磁的能力，降低变压器损耗，进而保障电力系统安全运行。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
附图标记说明：
1.上轭、2.旁轭、4.中心柱、5.一次绕组、6.二次绕组、8.检测绕组、9.控制绕组、10.控制系统、11.变压器。
具体实施方式：
本发明将半硬磁材料植入到传统变压器之中，形成一种具有抑制直流偏磁功能的智能型电力变压器。利用这种半硬磁材料在外加电流大小、方向改变的情况下，控制半硬磁材料的软磁相与硬磁相的磁通大小、方向的相互转换。采用这种新型的半硬磁材料，组成新的变压器铁心结构，通过建立检测、控制绕组实现对该半硬磁材料在导磁功能和直流励磁功能之间的智能转换，完成对变压器的直流偏磁现象的“检测、控制和消除”。这种变压器完全取消了原有变压器在外电路引入的直流偏磁补偿和消除装置、避免了对电力变压器中性点接地连接方式的任何改变，保证了变压器中性点的安全接地。针对变压器出现直流偏磁问题时，铁心存在交流励磁和直流励磁共同耦合磁化作用，可实现磁通控制半硬磁材料的新型电力变压器具有建立变压器自身补偿直流偏磁的能力，降低变压器损耗，进而保障电力系统安全运行。
下面结合附图对本发明进行具体说明：
图1为本发明的结构示意图，如图所示，变压器11包括铁心和绕组，其中铁心主要由上轭1、旁轭2和中心柱4组成，旁轭2安装在上轭1两侧，上轭1中间部位安装中心柱4，中心柱4中流通有主磁路；绕组主要由一次侧绕组5、二次侧绕组6、检测绕组8和控制绕组9组成，一次侧绕组5和二次侧绕组6绕制在主磁路上，检测绕组8和控制绕组9绕制在的旁轭2上。铁心中的旁轭2由半硬磁材料构成，上轭1和中心柱4由硅钢片构成。
变压器工作原理：当变压器11发生直流偏磁现象时，通过检测绕组8将偏磁磁通检测信号送入控制系统10，然后控制系统10向控制绕组9发出高频脉冲产生与偏磁磁通相反的补偿磁通来抑制直流偏磁；当变压器11直流偏磁消失或是无直流偏磁现象时，通过检测绕组8将检测信号送入控制系统10，控制系统10产生反向高频脉冲将半硬磁材料进行退磁，只保存其导磁特性。
因此，具有直流偏磁补偿能力的新型电力变压器具有建立变压器自身补偿直流偏磁的能力，降低变压器损耗，进而保障电力系统安全运行。
Claims (2)
1.具有直流偏磁补偿能力的电力变压器，其特征在于：所述变压器包括铁心和绕组，其中铁心主要由上轭（1）、旁轭（2）和中心柱（4）组成，旁轭（2）安装在上轭（1）两侧，上轭（1）中间部位安装中心柱（4），中心柱（4）中流通有主磁路；绕组主要由一次侧绕组（5）、二次侧绕组（6）、检测绕组（8）和控制绕组（9）组成，一次侧绕组（5）和二次侧绕组（6）绕制在主磁路上，检测绕组（8）和控制绕组（9）绕制在由半硬磁材料构成的旁轭（2）上；
上轭（1）和中心柱（4）由普通电工钢片构成；
上轭（1）和中心柱（4）由硅钢片构成。
2.如权利要求1所述具有直流偏磁补偿能力的电力变压器的工作方法，其特征在于：当变压器发生直流偏磁现象时，通过检测绕组（8）将偏磁磁通检测信号送入控制系统，然后控制系统向控制绕组（9）发出高频脉冲产生与偏磁磁通相反的补偿磁通来抑制直流偏磁；当变压器直流偏磁消失或是无直流偏磁现象时，通过检测绕组（8）将检测信号送入控制系统（10），控制系统（10）产生反向高频脉冲将半硬磁材料进行退磁，只保存其导磁特性。
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