CN105226624A - 采用超导泄流电抗器泄除交流电系统中直流电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用超导泄流电抗器的方法泄放和消除交流电网中直流电流的方法，采用超导材料制作绕组的电抗器，其直流电阻接近于0，而交流阻抗非常高，将这种超导电抗器与交流电网中的变压器并联(如图)，可以使交流电网中的直流电流通过其汇流到直流系统中，从而避免直流电流流经变压器，引起直流偏磁。这种方法不仅可以在不改变和调整电网的运行方式和继电保护的配置和定值的条件下解决变压器的直流偏磁问题，并且，由于这种方法采用的电气结构可以构成直流电流回流所需的最短电气距离，因此可以极大地简化电网改造工作，对电网安全稳定的运行有着非常积极重大的意义。

Description

采用超导泄流电抗器泄除交流电系统中直流电流的方法

技术领域

本发明公开了一种采用超导泄流电抗器泄除交流电系统中直流电流的方法，涉及到电力系统的发电、输电或配电领域。

背景技术

剧烈的太阳活动与地磁场相互作用而产生的地磁暴，会在地球表面感应出地面电势(ESP)，由于电力变压器的中性点接地，ESP在东西向长距离的输电线路中会产生地磁感应电流(GeomagneticallyInducedCurrent，GIC)。与交流电网通过换流连接的直流输电线路，如轨道交通供电系统、超高压直流输电系统(HVDC)等，大多采用在单极大地回线方式下运行，这样也会在交流电网中形成直流电流。流经绕组的直流电流成为变压器励磁电流的一部分，会使变压器铁芯偏磁，改变了变压器的工作点，这种现象称为直流偏磁。

直流偏磁导致变压器励磁电流急剧增加和高度畸变，产生大量谐波，变压器无功消耗增大，系统电压降低；同时引起变压器出现局部过热、振动加剧、噪声增大等现象，引发变压器结构松动、绕组断线、提前老化等问题，严重时还会引起变压器铁芯饱和以及高频振动，导致保护装置误动作，威胁到变压器乃至整个电网的安全运行。如何避免和消除变压器的直流偏磁是现代电网，尤其是交直流混合输电网、轨道交通供电网迫切需要解决的问题。

目前，电力系统中还没有泄放和消除交流电网中的直流偏磁电流的方法，而主要采用阻断直流偏磁电流的措施，即在出现直流偏磁电流的变压器的中性接地线上安装一台能够隔断或抑制直流电流的设备，以消除变压器直流偏磁或减轻其带来的不良影响。

变压器直流偏磁阻断设备一般采用以下几种方式之一:

1)变压器中性点接入隔直电容器法

2)变压器中性点反向电流补偿法

3)变压器中性点接入电阻限流法

4)变压器中性点直流电位补偿法

上述方法均能抑制或阻断流过变压器中性点的直流电流，而其中又以第一种方法为最优，实际的安装应用案例也最多，但这种方法在实际应用中，若不能限制故障过程中主变中性点即电容器两端的暂态电压，则需要容量很大的电容器才能承受故障电流，这将导致价格昂贵且要求很大的安装空间，因此，通常需要在中性点电容器上并联电流旁路保护装置。

这些方法共同特点是采用“堵”或“阻”的方式，即在每台出现直流偏磁的变压器上增加相应的设备以抑制或阻断流过该主变中性点的直流电流，这种阻断方法只能一台一台解决变压器的直流偏磁，而当今的交流电网是一张分布在广大地域上的巨型网络，其中包含的变压器数量十分庞大，堵住了这一台，直流电流又会通过其它没有安装阻断设备的变压器流入大地，可以说是“堵不胜堵”，现实中的电网情况也确实如此，如图1，变压器在中性点增加了隔直电容和其它抑制器件后，形成了直流水桶的“高板”，直流电流会经母线流出到其它未经隔直或阻抑的变压器回流到直流系统。这非常像有不断的来水流入一个堰塞湖，这种现象也因此被称为直流偏磁的“堰塞湖”现象，这种情况下，想要通过围堵而不出现危情，其代价和难度可想而知，而且并不能从根本上解决问题。

发明内容

本发明专利提出了一种采用超导泄流电抗器的方法泄放和消除交流电网中直流电流的方法，这种方法不仅可以在不改变和调整电网的运行方式和继电保护的配置和定值的条件下解决变压器的直流偏磁问题，并且，由于这种方法采用的电气结构可以构成直流电流回流所需的最短电气距离，因此可以极大地简化电网改造工作，对电网安全稳定的运行有着非常积极重大的意义。

采用泄流的方法消除地磁感应电流(GIC)，或直流系统在单极大地回线方式下形成直流电流，是本发明内容中解决这一问题的基本方法，完全有别于当前为了解决变压器直流偏磁问题而采用的安装阻断设备的方法。

由于电网中的变压器绕组线圈的直流内阻都非常小(一般小于500mΩ)，采用常规导线材料制作的电抗器绕组很难做到更小的电阻，无法达到泄流的目的，因此，本发明提出，采用超导材料作为绕组导线材料，制成一种泄流电抗器，用于安装在交流电网中，用于泄除直流电流，从而有效避免变压器的直流偏磁现象。

超导是指某些物质在一定温度条件下(一般为较低温度)电阻降为零的性质，低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体，使超导体从正常态转变为超导态(电阻为0)的温度称为超导临界温度。目前，超导材料的应用越来越多，采用超导材料制作的电缆、变压器、电机等超导设备也已广泛应用于电力系统中。

零电阻是超导体的重要特性，采用超导材料制作电抗器绕组，当电抗器工作在临界温度以下时，绕组变为超导状态，其交流阻抗相当高，而直流电阻接近为0——只要控制值小于或等于被泄流的交流线路、母线、变压器、并联电抗器等的直流电阻的二十分之一，就可以达到泄流的目的——因此这种超导电抗器非常适合用于泄除交流电网中的直流电流。由于没有交流电的储能和交换，超导泄流电抗器可以长期安全稳定地在额定交流电压情况下连续运行。

如果没有安装超导泄流电抗器，如图1，则流经变压器的直流电流值在一台变压器的情况下：

I_tdc＝I_dc(1)

如果是多台变压器并联方式运行，则流经每台变压器的直流电流为I_dc乘以多台变压器直流电阻的分流比

在一台变压器的情况下(如图1)，采用超导泄流电抗器后，流经变压器的直流电流值有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{tdc}=I_{dc}-I_{scc}\\ I_{tdc}=I_{dc}\×R_{scc}/R_t\end{array}\right.---\left(2\right)$

可见，R_scc的电阻值越小，与R_t的比值就越小，则流经变压器的电流I_tdc就越小，泄流的效果就越好。一般要求R_scc/R_t≤1/20，才能确保三相汇流后流经变压器中心点的电流值小于5安培，而超导泄流电抗器的R_scc≈0，因此I_tdc≈0。

由此可见，安装超导泄流电抗器后，由于其直流电阻非常小，形成了直流水桶的“短板”，系统中的直流电流由此“短板”汇流到直流系统，而流经变压器的直流电流大幅度减少，既达到了将将交流系统中的直流电流泄放回直流系统，又消除了变压器的直流偏磁现象。由于是采用泄流的方法，形成了最短的直流电气距离，直流电流已经回流到直流系统中，不会溢流到其它变压器中，即不会在其它相邻的变压器上再形成直流偏磁，从而解决了现有阻断方式会形成直流偏磁的“堰塞湖”现象问题。

附图说明

图1为阻断法抑制直流偏磁示意图。

图2为超导泄流电抗器泄除直流电流和直流偏磁示意图。

图3为超导泄流电抗器泄除直流电流和多台变压器直流偏磁示意图。

I_dc表示直流电流值

I_tdc表示流经变压器的偏磁电流值

I_scc表示超导泄流电抗器的泄放直流电流值

R_scc表示超导泄流电抗器的直流电阻值

R_t表示变压器的直流电阻值

图1、图2、图3中的直流电流方向均可以取反。

具体实施方式

超导泄流电抗器由超导绕组导线和铁芯构成，超导绕组导线由超导线芯、低温容器、终端、冷却系统四个部分组成。

超导泄流电抗器按照交流三相结构设计，A、B、C三相高压电气结构独立，可以安装在直流电流电气距离最短的线路、母线、变压器上，采用并联连接的方式，即一端接在线路、母线或变压器的进出线侧，另一端接入大地；对于变压器，无论是降压型还是升压型，均应该并联安装在直流电流源端的进出线侧和大地之间。

超导泄流电抗器可以根据交直流系统的直流结构特性和实际情况，安装在以下不同的位置：

1)与直流系统电气距离最近的线路或母线上；

2)指定的线路和母线上；

3)变压器进线或出线侧。

对于变电站，一般在每一段母线上安装一套就可以了，不需要每一台变压器安装一套。

Claims (4)

1.一种采用超导泄流电抗器泄除交流电网中直流电流的方法，其特征是，采用超导电抗器作为泄流装置，使交流电网中的直流电流通过超导泄流电抗器回流到直流系统。

2.按照权利要求1所述的采用超导泄流电抗器泄除交流电网中直流电流的方法，其特征在于，超导泄流电抗器可以安装在直流电流电气距离最短的线路、母线、变压器上，采用并联连接的方式，即一端并接在线路、母线或变压器的进出线侧，另一端接入大地；对于变压器，无论是降压型还是升压型，均并联安装在直流电流源端的进出线侧和大地之间。

3.按照权利要求1和2所述的采用超导泄流电抗器泄除交流电网中直流电流的方法，其特征在于，一台超导泄流电抗器可以与一台或多台变压器并联，从而为一台或多台变压器泄放直流电流，消除变压器的直流偏磁。

4.权利要求1所涉及到的超导泄流电抗器，其特征在于，采用超导材料作为电抗器绕组，按照交流三相结构设计，A、B、C三相高压电气结构独立。