CN103368155B - 抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路 - Google Patents

Abstract

本发明是一种抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路，其特点是：包括旁路接地回路、变压器中性线接地开关K₁、隔直流开关K₂、隔直流电容器C和暂态电流抑制桥型电路；与传统的电容隔直流电路相比，利用暂态电流抑制桥型电路中的直流电感来限制系统故障初期短路电流上升变化率，且无需控制系统响应，瞬时自动投入，从而避免暂态电流冲击损坏电容器，确保了变压器中性点有效接地，使控制系统有充足的响应时间切换工作方式，且加入暂态电流抑制桥型电路对正常运行时交流回路无任何影响，能够很好的抑制直流分量流入变压器，有效的抑制变压器直流偏磁，确保系统安全，具有控制电路结构简单，便于实施，性能可靠，体积小，价格低等优点。

Description

抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路

技术领域

本发明涉及一种抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路，属于电力系统高压设备安全运行技术领域。

背景技术

高压直流输电以单极大地回线方式运行时，使变压器发生直流偏磁现象。这种运行方式会有很高的直流电流从直流输电系统的接地极流向大地，从接地的中性线流入变压器绕组，使变压器产生直流偏磁这一现象，直流偏磁会给变压器带来很多方面的影响，例如，振动加剧从而噪声增大，饱和程度加深造成损耗增加，温度升高而引发局部过热，产生大量谐波导致保护误动等。

目前，国内外抑制变压器直流偏磁大致分为两类。一种是在变压器中性点与地网间串入设备，可分为：变压器中性线串联电容隔直法、中性线串联电阻削弱直流法、电位补偿法；另一种是直流注入法，来抵消直流电流。其中，电容隔直法的原理是利用电容器具有通交流阻直流的特点，将电容器串接到变压器中性点与接地极之间，可以有效抑制直流流入变压器，从而减小直流偏磁发生的概率。

    由于电容隔直流的方法在变压器中性线串入了电容，如果一旦系统故障瞬间大电流使电容器烧断，将使变压器中性点开路，将改变系统的运行方式。所以抑制直流偏磁的关键是阻断直流的情况下保证系统的有效接地，电容器的保护及旁路接地回路的开断至关重要，很多研究电容隔直的装置都是在系统发生故障后，检测电容器的端电压及回路电流，这时电容器已经承受了大电流的冲击，控制系统响应是经过延时的。即使考虑了电容器的设计参数，也不能完全保证电容器的安全，一旦电容损坏，变压器中性点接地方式发生改变，会影响继电保护正确动作等问题。

发明内容

本发明的目的是，提供一种结构简单，便于实施，性能可靠，体积小，价格低的抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路。

实现本发明目的所采用的技术方案是，一种抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路，其特征是：它包括旁路接地回路、变压器中性线接地开关K₁、隔直流开关K₂、隔直流电容器C和暂态电流抑制桥型电路；所述旁路接地回路由限流电感L₂与并联的第一晶闸管T₂、第二晶闸管T₃串联组成；所述暂态电流抑制桥型电路由整流二极管D₁~D₄、直流电感L₁、续流二极管D₅、电压互感器PT、霍尔电流互感器CT₂和可控开关管T₁组成，并联的直流电感L₁、续流二极管D₅和电压互感器PT与霍尔电流互感器CT₂和可控开关管T₁串联后的一端与整流二极管D₁、D₃的阴极端连接，另一端与整流二极管D₂、D₄的阳极端连接；所述变压器中性线接地开关K₁的输入端与变压器绕组的中性线连接，变压器中性线接地开关K₁的输出端与电流互感器CT₁串接接地；所述旁路接地回路的限流电感L₂的一端与变压器绕组的中性线连接，旁路接地回路的限流电感L₂的另一端与并联的第一晶闸管T₂、第二晶闸管T₃的一端连接，并联的第一晶闸管T₂、第二晶闸管T₃的另一端与暂态电流抑制桥型电路的整流二极管D₃的阳极和D₄的阴极连接；所述隔直流开关K₂的输入端与变压器绕组的中性线连接，隔直流开关K₂的输出端串联隔直流电容C后与暂态电流抑制桥型电路的整流二极管D₁的阳极和D₂的阴极连接。

本发明的抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路与传统电容隔直流电路相比，利用暂态电流抑制桥型电路中直流电感来限制系统故障初期短路电流上升变化率，且无需控制系统响应，瞬时自动投入，从而避免暂态电流冲击损坏电容器，确保了变压器中性点有效接地，使控制系统有充足的响应时间切换工作方式，且加入暂态电流抑制桥型电路对正常运行时交流回路无任何影响，能够很好的抑制直流分量流入变压器，有效的抑制变压器直流偏磁，确保系统安全，具有控制电路结构简单，便于实施，性能可靠，体积小，价格低等优点。

附图说明。

图1是本发明的抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路原理图；

图2是图1的等效电路原理图；

图3是本发明的抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路波形示意图。

图中：1隔直电容器C,2暂态电流抑制桥型电路,3旁路接地回路,4隔直流开关K₂,5变压器中性线接地开关K₁，6变压器绕组，整流二极管D₁~D₄，直流电感L₁，限流电感L₂，续流二极管D₅，可控开关管T₁即IGBT，第一晶闸管T₂，第二晶闸管T₃，电压互感器PT，霍尔电流互感器CT₂，电流互感器CT₁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1，本发明的抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路，包括：旁路接地回路3、变压器中性线接地开关K₁5、隔直流开关K₂4、隔直流电容器C1和暂态电流抑制桥型电路2，所述旁路接地回路3由限流电感L₂与并联的第一晶闸管T₂、第二晶闸管T₃串联组成；所述暂态电流抑制桥型电路2由整流二极管D₁~D₄、直流电感L₁、续流二极管D₅、电压互感器PT、霍尔电流互感器CT₂和可控开关管T₁组成，并联的直流电感L₁、续流二极管D₅和电压互感器PT与霍尔电流互感器CT₂和可控开关管T₁串联后的一端与整流二极管D₁、D₃的阴极端连接，另一端与整流二极管D₂、D₄的阳极端连接，所述变压器中性线接地开关K₁5的输入端与变压器绕组6的中性线连接，变压器中性线接地开关K₁5的输出端与电流互感器CT₁串接接地，所述旁路接地回路3的限流电感L₂的一端与变压器绕组6的中性线连接，旁路接地回路3的限流电感L₂的另一端与并联的第一晶闸管T₂、第二晶闸管T₃的一端连接，并联的第一晶闸管T₂、第二晶闸管T₃的另一端与暂态电流抑制桥型电路2的整流二极管D₃的阳极和D₄的阴极连接，所述隔直流开关K₂4的输入端与变压器绕组6的中性线连接，隔直流开关K₂4的输出端串联隔直流电容C1后与暂态电流抑制桥型电路2的整流二极管D₁的阳极和D₂的阴极连接。

系统正常运行时，变压器中性线接地开关K₁5一直处于闭合状态，变压器中性点处于正常接地状态。当电流互感器CT₁检测到中性线电流中有超过一定数值的直流分量时，闭合隔直流开关K₂4，接入隔直流电容C1及暂态电流抑制桥型电路2。同时，可控开关管T₁处于导通状态，再断开变压器中性线接地开关K₁5，电容隔直流可控开断桥式电路投入工作，系统通过不控整流桥和T₁对L₁进行充磁。当直流电感L₁中的电流达到稳定时，忽略L₁和整流桥路损耗条件下，L₁和桥路两端电压基本为零，不表现出任何阻抗，对交流回路无影响，起到阻断直流的作用。

系统故障时，隔直流电容C1回路的电流突然上升，由于直流电感L₁具有流过电流不能发生突变的特点，即当流过直流电感L₁的电流突然变化时，电感L₁会产生自感电动势，表达式为u=L*di/dt。自感电动势的方向与被加到电感上的电压方向相反，以阻止电流的变化率。当系统发生短路或雷击等系统故障时，无需控制系统响应，直流电感L₁瞬时投入故障回路以抑制故障电流上升率，由于抑制暂态电流抑制桥型电路2的暂态电流缓冲为控制系统赢得了时间，从而使系统有足够的响应时间切换工作方式，确保隔直流电容C1不会被烧毁的同时，系统有效的安全接地。

同时，霍尔电流互感器CT₂检测到故障电流时，通过控制系统发出指令控制第一晶闸管T₂、第二晶闸管T₃导通接入旁路接地回路，接地方式进行转换，保证系统有效接地。再封锁可控开关管T₁门极驱动信号，隔直流电容C1和暂态电流抑制桥型电路2从系统退出，直流L₁中的电流通过续流二极管D₅续流，并在2-3个周期内衰减到零。

当霍尔电流互感器CT₂检测到流过直流电感L₁的电流为故障电流时，控制第一晶闸管T₂、第二晶闸管T₃导通，接入旁路接地回路3，接地方式进行转换，保证系统有效接地。再封锁可控开关管T₁门极驱动信号，暂态电流抑制桥型电路2中电流被阻断，同时断开变压器中性线接地开关K₁5，退出隔直流电容C1及暂态电流抑制桥型电路2。切断故障系统恢复正常运行后，闭合变压器中性线接地开关K₁5，恢复系统正常接地，再封锁第一晶闸管T₂、第二晶闸管T₃的门极驱动信号，退出旁路接地回路3。

电路中电流、电压的关系推导过程如下：

为了分析和计算，对本发明的抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路进行等效，若忽略暂态电流抑制桥型电路2的整流二极管D₁~D₄及可控开关管T₁的管压降，得到其简化的等效电路如图2所示。

参见图2的等效电路，列电路微分方程：

            (1)

此方程对应的线性齐次方程为：

               (2)

解得电路的稳态响应分量为：

其中，

  ，

线性齐次方程(2)的特征方程为：

                     (3)

可解得其特征方程的根为：

令α=R /(2L ₁), β ²=1/(L ₁ C )，则：

  

由于R  ² C <4L,即α ²<β ²,方程有一对共轭复根。再令ω₀ ²=β ²-α ²,则A_1,2可写为：

这时，

，为线性齐次方程的两个解,利用欧拉公式把这两个解改写成：

因此，齐次方程(2)的通解为：

电路的初始条件为i(0_-)=0, u _c (0_-)=0，带入到齐次方程(2)中可确定：

  

因此，电路微分方程(1)的全解为:

由i(t)=C du _c (t)/dt ,可得：

。

其中，L₁—直流电感；

      R—变压器接地电阻；

      C—电容器；

      u₁—变压器中性点等效电压；

      u_C—电容器两端电压；

      u_Cp—电路稳态响应分量；

      i—流过等效电路的电流

为了验证本发明的抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路的可行性，制作了以图1为原理的实验装置。在某一时刻模拟短路发生，0.5s后施加信号，使可控开关管T₁反向关断。实验参数如下表所示。

                        表1实验电路主要参数

       

实验中：可控开关管T₁采用1MBH60-100型IGBT单管，整流二极管D₁~D₄均采用MBR1645，示波器采用Tektronix MS03034，交流电流检测采用Tektronix电流探头A622，用以测量流过隔直流电容器C1的电流，直流电流检测采用霍耳电流传感器KT-20A/P，用以测量流过直流电感L₁的电流。实验得到直流电感L₁的电流电压波形以及流过隔直流电容器C1的电流波形，如图3所示。由实验波形可知，故障发生瞬间流过隔直流电容器C1的电流得到有效抑制，暂态电流抑制桥型电路2可以有效地保护隔直流电容器C1不被故障电流损坏，更重要的使系统有充足的响应时间切换工作方式，变压器中性点始终有效接地，确保系统安全运行。

本发明的抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路所用的电子元器件均为市售产品，有利于实施。

本发明仅为一个具体实施例，并非穷举，本领域技术人员依据本发明所获得的启示，不经过创造性劳动的复制和改进，应属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (1)

1. 一种抑制变压器直流偏磁的电容隔直流可控开断桥式电路，其特征是：它包括旁路接地回路、变压器中性线接地开关K₁、隔直流开关K₂、隔直流电容器C和暂态电流抑制桥型电路；所述旁路接地回路由限流电感L₂与并联的第一晶闸管T₂、第二晶闸管T₃串联组成；所述暂态电流抑制桥型电路由整流二极管D₁~D₄、直流电感L₁、续流二极管D₅、电压互感器PT、霍尔电流互感器CT₂和可控开关管T₁组成，并联的直流电感L₁的一端与续流二极管D₅的阴极端、电压互感器PT的一端、整流二极管D₁、D₃的阴极端连接，直流电感L₁的另一端与续流二极管D₅的阳极端、电压互感器PT的另一端、可控开关管T₁的阳极端连接，霍尔电流互感器CT₂为穿心式互感器，套接在直流电感L₁与可控开关管T₁串联电路之间，可控开关管T₁的阴极端与整流二极管D₂、D₄的阳极端连接；所述变压器中性线接地开关K₁的输入端与变压器绕组的中性线、隔直流开关K₂的输入端、限流电感L₂的一端连接，变压器中性线接地开关K₁的输出端接地，电流互感器CT₁为穿心式互感器，套接在接地开关K₁输出端与接地端之间；所述旁路接地回路的限流电感L₂的一端与变压器绕组的中性线、变压器中性线接地开关K₁的输入端、隔直流开关K₂的输入端连接，旁路接地回路的限流电感L₂的另一端与并联的第一晶闸管T₂的阳极端、第二晶闸管T₃的阴极端连接，并联的第一晶闸管T₂的阴极端、第二晶闸管T₃的阳极端与暂态电流抑制桥型电路的整流二极管D₃的阳极端和D₄的阴极端连接；所述隔直流开关K₂的输入端与变压器绕组的中性线、变压器中性线接地开关K₁的输入端、限流电感L₂的一端连接，隔直流开关K₂的输出端串联隔直流电容C后与暂态电流抑制桥型电路的整流二极管D₁的阳极端和D₂的阴极端连接。