CN103903840A - 一种具有补偿偏磁功能的电力变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有补偿偏磁功能的电力变压器及控制系统，变压器本体包括铁心和绕组，铁心包括变压器心柱、旁柱和旁柱上的补偿铁心组成，绕组由变压器一、二次测绕组组成；控制系统由电网连接的电抗器、PWM可控整流器、电容、检测绕组、控制绕组组成。整个变压器及控制系统，通过霍尔电流传感器检测直流偏磁的大小，然后通过控制绕组给补偿铁心充磁，来抵消直流磁通，达到了由变压器自身实时精确抑制直流偏磁的目的，保证了变压器中性点的可靠接地，提高了电力网及变压器安全运行的可靠性，对整个电力系统具有重大的实际意义。

Description

一种具有补偿偏磁功能的电力变压器

技术领域

 本发明涉及电气工程领域，具体指一种可以实时自动抑制直流偏磁的智能电力变压器。

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。

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，电网SVC装置的继电保护误动作，系统电压崩溃，最终失去9500MW负荷，电网解列了近9个小时。

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）。

目前，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）。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。

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补偿偏磁功能的电力变压器，从变压器电磁机理出发，利用补偿铁心在直流偏磁时，改变磁路结构，并通过检测和控制系统实时改变控制绕组中电流，使补偿铁心的磁通始终与偏磁磁通大小相等方向相反，形成从检测、控制到抑制的整个直流偏磁抑制系统，达到由电力变压器自身对直流偏磁实时精确抑制的目的。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

一种具有补偿偏磁功能的电力变压器，包括变压器本体和控制系统，控制系统与变压器本体相连接，其特征在于：控制系统主要由与电网连接的电抗器、PWM整流系统、电容、霍尔电流传感器、控制绕组、检测电路构成；电抗器连接PWM整流系统，PWM整流系统与电容并联后连接控制绕组，PWM整流系统通过CPU连接检测电路，检测电路连接检测绕组；其中PWM可控整流器由IGBT与续流二极管构成的三相桥式连接组成；变压器本体包括铁心和绕组，铁心由变压器铁心和补偿铁心构成，变压器铁心和补偿铁心由电工钢片冲压而成经过气隙连接；绕组由变压器一次侧绕组和二次侧绕组组成，一次测绕组和二次侧绕组绕在变压器心柱上；控制绕组绕在补偿铁心上，变压器一次侧绕组的一次侧绕组引出线穿过霍尔电流传感器，检测偏磁信号。

变压器铁心包括第一旁柱、变压器心柱和第二旁柱，第一旁柱和第二旁柱设置在变压器心柱的两侧；补偿铁心置于变压器第一旁柱和第二旁柱两侧，包括补偿铁心a和补偿铁心b，补偿铁心a连接第一旁柱，补偿铁心b连接第二旁柱；控制绕组包括控制绕组a和控制绕组b，控制绕组a绕在补偿铁心a上，控制绕组b绕在补偿铁心b上。

所述气隙包括第一气隙、第二气隙、第三气隙、第四气隙、第五气隙和第六气隙，第一气隙、第二气隙分别设在补偿铁心a上部和下部；第三气隙设在第一旁柱中部；第四气隙、第五气隙分别设在补偿铁心b上部和下部；第六气隙设在第二旁柱中部。

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，仅需要不大的直流，就能够产生较强的补偿磁通，且可以实现对偏磁磁通的实时精确补偿。保证了变压器中性点可靠接地，使电力变压器安全运行。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：

1、电网，2、电抗器，3、PWM整流系统，4、IGBT，5、续流二极管，6、CPU，7、电容，8、控制绕组a，9、补偿铁心a，10、第一气隙，11、第二气隙，12、第一旁柱，13、第三气隙，14、检测电路，15、一次侧绕组引出线，16、霍尔电流传感器，17、变压器心柱，18、二次侧绕组，19、一次侧绕组，20、第二旁柱，21、第六气隙，22、第四气隙，23、第五气隙，24、补偿铁心b，25、控制绕组b，26、变压器本体。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行具体说明：

本发明提出了一种具有补偿偏磁功能的电力变压器，通过变压器本体与控制系统的结合，形成一种具有抑制直流偏磁功能的智能型电力变压器。该电力变压器通过霍尔电流传感器检测直流偏磁的大小，经过CPU（例如可采用DSP2812）控制PWM可控整流器，给控制绕组输出持续电流，为补偿铁心充磁，使补偿磁通抵消直流偏磁磁通，从而精确抑制直流偏磁，形成了从直流偏磁的检测、控制到消除的整个系统。

该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。

本发明涉及一种具有补偿偏磁功能的电力变压器，包括变压器本体26和控制系统，控制系统与变压器本体26相连接，如图1中所示，其特征在于：控制系统由与电网1连接的电抗器2、PWM整流系统3、电容7、霍尔电流传感器16、控制绕组（控制绕组a 8和控制绕组b 25）、检测电路14构成，其中检测电路是成型产品；电抗器2连接PWM整流系统3，PWM整流系统3与电容7并联后连接控制绕组（即连接控制绕组a 8和控制绕组b 25），PWM整流系统3通过CPU 6连接检测电路14，检测电路14连接霍尔电流传感器16；其中PWM可控整流器3由IGBT4与续流二极管5构成的三相桥式连接组成；变压器本体26包括铁心和绕组，铁心由变压器铁心和补偿铁心构成，变压器铁心（17、12、20）和补偿铁心（9、24）由电工钢片冲压而成经过气隙连接；绕组由变压器一次侧绕组19、二次侧绕组18和控制绕组组成，一次测绕组19和二次侧绕组18绕在变压器心柱17上，控制绕组（8、25）绕在补偿铁心（9、24）上，变压器一次侧绕组19的一次侧绕组引出线15穿过霍尔电流传感器16，检测偏磁信号。

变压器铁心包括第一旁柱12、变压器心柱17和第二旁柱20，第一旁柱12和第二旁柱20设置在变压器心柱17的两侧；补偿铁心置于变压器第一旁柱12和第二旁柱20两侧，包括补偿铁心a 9和补偿铁心b 24，补偿铁心a 9连接第一旁柱12，补偿铁心b 24连接第二旁柱20；控制绕组包括控制绕组a 8和控制绕组b 25，控制绕组a 8绕在补偿铁心a 9上，控制绕组b 25绕在补偿铁心b 24上。

所述气隙包括第一气隙10、第二气隙11、第三气隙13、第四气隙22、第五气隙23和第六气隙21，第一气隙10、第二气隙11分别设在补偿铁心a 9上部和下部；第三气隙13设在第一旁柱12中部；第四气隙22、第五气隙23分别设在补偿铁心b 24上部和下部；第六气隙21设在第二旁柱20中部。其中，第三气隙13和第六气隙21是为了使补偿铁心（补偿铁心a 9和补偿铁心b 24）的磁通走变压器心柱17而设的；第一气隙10、第二气隙11、第四气隙22、第五气隙23是为了变压器无直流偏磁正常工作时磁通尽量少的走过补偿铁心而设的。

补偿铁心a 9通过第一气隙10和第二气隙11与第一旁柱12连接，补偿铁心b 24通过第四气隙22和第五气隙23与第二旁柱20连接。

本发明的工作原理：

当变压器发生直流偏磁现象时，偏磁使变压器心柱磁通发生变化，通过霍尔电流传感器16将直流偏磁电流信号送入控制系统的CPU 6，由CPU 6控制PWM整流系统3，输出一定大小的持续直流电流，磁化补偿铁心（9、24），使补偿铁心的磁通与偏磁电流产生的磁通大小相等，方向相反，相互抵消，达到了电力变压器自动抑制直流偏磁的目的，使变压器恢复正常工作状态。由于第三气隙13和第六气隙21的存在，使补偿磁通不会流入第一旁柱12和第二旁柱20柱内，最终使补偿、抑制过程在变压器主磁路中完成；当变压器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16将检测信号送入CPU 6，控制系统切断控制绕组（8、25）的电流，补偿铁心走动退磁。由于第一气隙10、第二气隙11、第四气隙22、第五气隙23的存在，使得变压器正常工作时产生的交流磁通不会对补偿磁路产生影响。

本发明这种具有补偿偏磁功能的电力变压器及控制系统，通过检测绕组的检测，控制系统对控制绕组的控制为补偿铁心充磁来抵消偏磁磁通，完成对变压器的直流偏磁现象的检测、控制和消除的整个过程，使电力变压器能够正常安全运行，达到了由变压器自身抑制直流偏磁的目的，降低损耗，节能效果明显，取得了一定的经济效益，对整个电力系统有重大实际意义。

Claims (3)

1.一种具有补偿偏磁功能的电力变压器，包括变压器本体（26）和控制系统，控制系统与变压器本体（26）相连接，其特征在于：控制系统主要由与电网（1）连接的电抗器（2）、PWM整流系统（3）、电容（7）、霍尔电流传感器（16）、控制绕组、检测电路（14）构成；电抗器（2）连接PWM整流系统（3），PWM整流系统（3）与电容（7）并联后连接控制绕组，PWM整流系统（3）通过CPU（6）连接检测电路（14），检测电路（14）连接检测绕组（16）；其中PWM可控整流器（3）由IGBT（4）与续流二极管（5）构成的三相桥式连接组成；变压器本体（26）包括铁心和绕组，铁心由变压器铁心和补偿铁心构成，变压器铁心和补偿铁心由电工钢片冲压而成经过气隙连接；绕组由变压器一次侧绕组（19）和二次侧绕组（18）组成，一次测绕组（19）和二次侧绕组（18）绕在变压器心柱上；控制绕组绕在补偿铁心上，变压器一次侧绕组（19）的一次侧绕组引出线（15）穿过霍尔电流传感器（16），检测偏磁信号。

2.根据权利1所述的一种具有补偿偏磁功能的电力变压器，其特征在于：变压器铁心包括第一旁柱（12）、变压器心柱（17）和第二旁柱（20），第一旁柱（12）和第二旁柱（20）设置在变压器心柱（17）的两侧；补偿铁心置于变压器第一旁柱（12）和第二旁柱（20）两侧，包括补偿铁心a（9）和补偿铁心b（24），补偿铁心a（9）连接第一旁柱（12），补偿铁心b（24）连接第二旁柱（20）；控制绕组包括控制绕组a（8）和控制绕组b（25），控制绕组a（8）绕在补偿铁心a（9）上，控制绕组b（25）绕在补偿铁心b（24）上。

3.根据权利1或2所述的一种具有补偿偏磁功能的电力变压器，其特征在于：所述气隙包括第一气隙（10）、第二气隙（11）、第三气隙（13）、第四气隙（22）、第五气隙（23）和第六气隙（21），第一气隙（10）、第二气隙（11）分别设在补偿铁心a（9）上部和下部；第三气隙（13）设在第一旁柱（12）中部；第四气隙（22）、第五气隙（23）分别设在补偿铁心b（24）上部和下部；第六气隙（21）设在第二旁柱（20）中部。

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