CN102969126B - 具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器，包括铁心和绕组，铁心由普通电工钢片和两相磁性材料以及气隙组成；绕组由一次侧绕组、二次侧绕组以及补偿、控制绕组组成。通过建立霍尔电流传感器检测偏磁磁通，然后通过控制装置实现对该两相磁性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，节能效果及经济效益明显，适于在整个电力系统应用。

Description

具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器

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，可以使铁心磁通严重饱和，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

发明目的：

本发明提供了一种具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器，采用了一种新型的两相磁性材料，组成新的变压器铁心结构，其目的在于：通过建立检测系统、控制绕组实现对该两相磁性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”。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器，所述变压器包括铁心和绕组，其特征在于：铁心由普通电工钢片和两相磁性材料以及气隙组成，两相磁性材料设置在普通电工钢片的一侧，普通电工钢片的中间为主磁路，普通电工钢片的两侧为第一旁柱和第二旁柱；绕组由一次侧绕组、二次侧绕组以及补偿、控制绕组组成，一次侧绕组和二次侧绕组绕制在主磁路上，补偿、控制绕组绕制在两相磁性材料上；该变压器还设有偏磁电流检测装置，偏磁电流检测装置由一次侧绕组引出线和霍尔电流传感器组成，一次侧绕组引出线穿过霍尔电流传感器；补偿、控制绕组与控制装置相连接。

所述气隙分为第一气隙、第二气隙、第三气隙和第四气隙，第一气隙设在第二旁柱的下部，第二气隙设在第二旁柱中间，第三气隙设在第二旁柱的上部，第四气隙设在第一旁柱的上部。

补偿、控制绕组设置在两相磁性材料两侧。

优点和效果：

本发明不同于传统的电力变压器直流偏磁抑制方案。首先，不会对变压器中性点产生任何影响，其次，无需选择补偿地极，对地网无任何腐蚀，特别的在远距离输电系统中，补偿效率更高。因此，不会因为偏磁电流的补偿而增加电力网安全运行隐患。本发明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。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，仅需要很小的直流，就能够产生较强的补偿磁通，且可以实现断电补偿。从根本上解决了直流偏磁问题，并能够保证变压器安全运行。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：

1、普通电工钢片，2、两相磁性材料，3、第一气隙，4、第二气隙，5、第三气隙，6、第四气隙，7、主磁路，8、一次侧绕组，9、二次侧绕组，10、补偿、控制绕组，11、一次侧绕组引出线，12、霍尔电流传感器，13、控制装置，14、变压器，15、第一旁柱，16、第二旁柱。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行具体说明：

本发明提供一种智能型电力变压器，将两相磁性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，采用了一种新型的两相磁性材料，组成新的变压器铁心结构，通过建立检测系统、控制绕组实现对该两相磁性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”。这种新型的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，可实现磁通控制两相磁性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。

本发明这种具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器，如图1中所示，所述变压器包括铁心和绕组，其特征在于：铁心由普通电工钢片1和两相磁性材料2以及气隙组成，两相磁性材料2设置在普通电工钢片1的一侧，普通电工钢片1的中间为主磁路7，普通电工钢片1的两侧为第一旁柱15和第二旁柱16；绕组由一次侧绕组8、二次侧绕组9以及补偿、控制绕组10组成，一次侧绕组8和二次侧绕组9绕制在主磁路7上，补偿、控制绕组10绕制在两相磁性材料2上；该变压器还设有偏磁电流检测装置，偏磁电流检测装置由一次侧绕组引出线11和霍尔电流传感器12组成，一次侧绕组引出线11穿过霍尔电流传感器12；补偿、控制绕组10与控制装置13相连接。

所述气隙分为第一气隙3、第二气隙4、第三气隙5和第四气隙6，第一气隙3设在第二旁柱16的下部，第二气隙4设在第二旁柱16中间，第三气隙5设在第二旁柱16的上部，第四气隙6设在第一旁柱15的上部。

补偿、控制绕组10设置在两相磁性材料2两侧，变压器原工作绕组一次侧绕组8和二次侧绕组9不变。

上述具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器的工作原理：当变压器14发生直流偏磁现象时，通过霍尔电流传感器12将直流偏磁电流信号送入控制装置13，然后控制装置13向补偿、控制绕组10发出直流电流，产生与偏磁电流相反的补偿磁通来抑制直流偏磁，由于第二气隙4和第四气隙6的存在，使补偿磁通不会流入第一旁柱15和第二旁柱16内，最终使补偿、抑制过程在主磁路7中完成；当变压器14直流偏磁消失或是无直流偏磁现象时，通过霍尔电流传感器12将检测信号送入控制装置13，控制装置13产生单相正弦交流电压将两相磁性材料2进行退磁。由于第三气隙5的存在，使得变压器14正常工作时产生的交流磁通不会对补偿磁路产生影响。

本发明这种具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器，通过建立霍尔电流传感器检测偏磁磁通，然后通过控制装置实现对该两相磁性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。

Claims (3)

1.具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器，所述变压器包括铁心和绕组，其特征在于：铁心由普通电工钢片（1）和两相磁性材料（2）以及气隙组成，气隙设置在旁柱上，两相磁性材料（2）设置在普通电工钢片（1）的一侧，普通电工钢片（1）的中间为主磁路（7），普通电工钢片（1）的两侧为第一旁柱（15）和第二旁柱（16），两相磁性材料不构成第一旁柱和第二旁柱；绕组由一次侧绕组（8）、二次侧绕组（9）以及补偿、控制绕组（10）组成，一次侧绕组（8）和二次侧绕组（9）绕制在主磁路（7）上，补偿、控制绕组（10）绕制在两相磁性材料（2）上；该变压器还设有偏磁电流检测装置，偏磁电流检测装置由一次侧绕组引出线（11）和霍尔电流传感器（12）组成，一次侧绕组引出线（11）穿过霍尔电流传感器（12）；补偿、控制绕组（10）与控制装置（13）相连接。

2.根据权利要求1所述具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器，其特征在于：所述气隙分为第一气隙（3）、第二气隙（4）、第三气隙（5）和第四气隙（6），第一气隙（3）设在第二旁柱（16）的下部，第二气隙（4）设在第二旁柱（16）中间，第三气隙（5）设在第二旁柱（16）的上部，第四气隙（6）设在第一旁柱（15）的上部。

3.根据权利要求1所述具有直流偏磁补偿功能的新型电力变压器，其特征在于：补偿、控制绕组（10）缠绕在两相磁性材料（2）外侧。