CN106856323B

CN106856323B - 用于保护变压器免受地磁感应电流影响的保护装置

Info

Publication number: CN106856323B
Application number: CN201611129219.7A
Authority: CN
Inventors: P.哈姆伯格
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2020-03-06
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: EP3179492B1; CN106856323A; PL3179492T3; EP3179492A1; CA2949019A1; US20170170648A1; CA2949019C

Abstract

本发明涉及用于保护变压器免受地磁感应电流影响的保护装置。具体而言，本发明涉及一种用于变压器（4）的保护装置，所述保护装置借助于供应线路（2）在高压侧上连接到用于传输和分配电能的网络（12），其中，所述变压器（4）具有中性接地（13），其中，每个供应线路（2）借助于接地变压器（1）连接到地面（11），其中，所述接地变压器（1）具有低于所述中性接地（13）的中性点电阻（R_0sub）的中性点电阻（R_0GIC），使得在所述供应线路（2）上流动的地磁感应电流（GIC）转向地面（11）。

Description

用于保护变压器免受地磁感应电流影响的保护装置

技术领域

本发明总体上涉及电力变压器的技术领域，特别是一种用于变压器的保护装置，所述保护装置借助于供应线路在高压侧上连接到用于传输和分配电能的网络，其中，所述变压器具有中性接地（neutral grounding）。

背景技术

众所周知，常规用于能量传输和分配网络中的电力变压器可能暴露于所谓的地磁感应电流（Geomagnetically Induced Current）（下文中缩写为GIC），所述地磁感应电流能够超过100A并造成变压器的操作特性中的严重故障。

GIC由产生地球磁场的暂时变化的强太阳风引起。如果地球磁场的这种暂时变化通过导体回路（包括例如能量分配网络的线路部段和作为回路导体的地面），则在该导体回路中感生出每千米的线路长度可能几伏特的电压。该感生电压导致产生低频线电流，即所谓的“GIC电流”。

所述“GIC电流”叠加在于分配网络的导体中流动的交流电上，从而导致产生纹波电流。如果该纹波电流随后经由供应线路供应给变压器或变电站，则产生变压器铁心中的磁性材料的不对称调制：在交变磁通和由GIC引起的单向磁通叠加在彼此上的半波中，变压器的软磁材料被驱动到饱和。因此，变压器在该半波中用作具有高无功功率吸收的扼流圈（choke）。结果，在变压器的初级侧上的供应线路中出现具有高谐波（high harmonics）的电流。因此，变压器中的磁通泄漏场也具有这些谐波。磁通泄漏场中的这些较高频率分量导致变压器的金属部分中的涡流损耗增加以及变压器绕组中的电流分布变化，这能够造成局部不可接受地高的加热。增加的热量不利地影响变压器的电气绕组的使用寿命，并且由于绝缘流体的热分解可能出现裂化气体。

如果高无功功率吸收也导致不可接受地高的电压降或者如果保护装置由于谐波而不正确地响应，则可能出现另一个问题，并且因此，在最坏的情况下，GIC电流能够导致能量分配网络中的断电（blackout）。

然而，GIC电流也导致增加的噪声发射，如果变压器被安装在住宅区附近，则这是特别不利的。

在与效果相关的时间窗口中，GIC能够被认为是类似直流电流。GIC是自然事件，并且尽管能够检测太阳风的发生，但其在网络中的时间特性无法在大小和方向方面预测。GIC可能导致用于供应和传输电能的网络中的中断。

为了保护变压器免受能量分配网络中的GIC影响，通常使用所谓的DC/GIC阻断器。GIC阻断器基本上由电容器组成。所述电容器被连接在变压器的中性点和接地连接之间。为了保护电容器免受过电流或过电压影响，需要相当昂贵的复杂的保护装置。GIC阻断器只能保护其中性点和它所连接的地之间的变压器也是不利的。因此，其他变压器可能甚至更受GIC的影响。在自耦变压器的情况下出现另一个缺点，即不能容易地使用这种GIC阻断器，因为在初级侧和次级侧之间没有电气隔离。

能源供应公司声称，必须在中性点管理高达300A的GIC电流，这对应于每相100A的GIC电流。使用现有的保护装置，这些高GIC电流只能以很大的费用来管理。

因此，需要一种保护装置，借助于该保护装置，能够容易且可靠地保护用于供应和传输电能的网络中的一个或多个变压器免受甚至高GIC电流的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于变压器的保护装置，借助于该保护装置，能够以可能的最简单的方式并且在长使用寿命期间可靠地保护所述变压器免受GIC影响。

该目的通过具有权利要求1中的特征的用于变压器的保护装置来实现。

本发明的有利的实施例、方面和细节由从属权利要求、说明书和附图得到。

本发明基于以下发现，即：实践中，在对称网络的情况下，在三相传输系统的三相中流动的时间上相同大小的GIC电流、即分成对称分量的GIC电流仅导致低频零序电流，所述低频零序电流在效果的时间窗口中能够被认为是直流电流（以下也称为DC部分）。

以此为其出发点，本发明使在供应线路中流向变压器或变电所的这种GIC电流在它能够在变压器中造成损害之前大部分转向地面。

根据本发明，在到变压器的高压侧上的每个供应线路借助于接地变压器连接到地面，其中，所述接地变压器具有低于变压器的中性接地的中性点电阻（R_0sub）的中性点电阻（R_0GIC），使得在供应线路上流动的地磁感应电流（GIC）转向地面。

所述接地变压器具有低零序电阻，但具有高的正序和负序阻抗。因此，DC部分、即对磁性调制而言不需要的GIC至少在其整体上不到达变压器，而是在输入到变压器之前在很大程度上转向地面。因此减少了变压器中的损坏：减少了变压器铁心材料的不对称调制。涡流损耗和因此的加热减少。绕组绝缘体（winding insulation）暴露于较小热应力有益于变压器绕组的长使用寿命。变压器的工作噪声降低。在这种情况下特别有利的是，保护装置由纯无源部件组成，所述无源部件能够以比较少的成本来配置用于甚至高于100A的高GIC电流，并且在长操作期内提供无故障的服务。将该设备安装在变电所的供应线路上从而保护安装在它下游的所有电气设备（变压器）也是有利的。由此特别是得到经济的优点。

为了防止尽可能大的GIC部分到达变压器，如下实施例可能是有益的，即：其中，接地变压器的中性点电阻（R_0GIC）的值是变电站的中性点电阻（R_0sub）的值的十分之一或更小。

对于可靠性和接受度，本发明的一个有利的实施例变体能够被设计为使得接地变压器被配置为其绕组被曲折地（zigzag）连接的三相变压器。所述保护装置有利地仅具有由变压器构造已知的绕组线圈。

为了最小化保护装置的损耗，可以是有益的是，在将接地变压器的三个绕组相中的一个相应地连接到三相网络中相对应的线路的每个连接线中布置开关设备。这允许从网络连接或断开所述保护装置。然后，它能够当在供应线路中实际观察到或预期GIC时部署。否则，保护装置保持在“待机”模式中。这样的保护设备能够借助于网络中的开关动作在任何时间单独地或与其他设备一起从该“待机”模式激活。所述保护设备提供高可用性（highavailability）。适于所述开关设备的开关是在商业上可获得的。由于所述保护装置仅在需要时被激活，所以空载损耗在财务方面是不重要的。因此，可以使用更便宜的较低质量的材料。

在本发明的一个廉价实施例中，接地变压器具有金属叠片的分层磁芯，并且由常规（非晶粒取向）的电钢板（electric sheet steel）制成。类似材料的使用也增加了接受度。

通过将铝用于接地变压器的绕组能够实现进一步的成本降低。

在制造成本方面的一个特别有利的实施例考虑到了保护设备的预期操作时间。由于在所述保护设备中几乎没有任何显著的功率损耗发生，并且预期的操作时间比要保护的变压器相对要短，因此能够使用廉价的材料。由于如上所述，涡流损耗在财务方面也是不重要的，因此每个绕组能够由绝缘的铝的扁平导体制成。该设备的电压等级能够低于要保护的变压器的电压等级。

所述保护设备能够有利地根据需要来激活，开关设备出于信令（signaling）目的而被连接到用于地磁感应电流（GIC）的全球或区域性的检测和/或报告装置。由此，可以自动地以快速和可靠的方式来保护多个变压器，所述变压器被布置在用于传输和分配能量的网络中。

附图说明

为了进一步解释本发明，在说明书的以下部分中参照附图，通过附图，可以基于示例性实施例得到不限制本发明的范围的本发明的其他有利的实施例、细节和改进方案，附图中：

图1以简化的连接图示出了本发明的第一实施例；

图2示出了根据图1的等效连接图；

图3以简化的连接图示出了本发明的第二实施例。

附图标记列表

1 接地变压器

2 供应线路

3 变电站

4 变压器

5 开关设备

6 检测和/或报告装置

7 电流路径

8 接地变压器的供应线路侧上的绕组布置结构

9 接地变压器的接地侧上的绕组布置结构

10 保护装置

11 地面

12 用于分配和传输电能的网络

13 中性接地

R_0GIC 接地变压器的中性点电阻

R_0sub 变电站的中性点电阻

R_aux 辅助电阻

I_GIC GIC电流（DC部分）。

具体实施方式

图1以简化图示出了本发明的第一示例性实施例的连接图。附图标记10标示作为一个整体的保护装置。这基本上包括接地变压器1，所述接地变压器1将供应线路（或供电线路，supply line）2（LINE）的三相连接到具有地电位11的变压器4。变压器4被收容在变电站3中。

在能量供应网络12中，电能从高压网络（750-110kV）在变电站3中转换至中压网络，或从中压网络（例如，10-30kV）转换至低压网络（具有例如400V/230V的电压的二次配电网络），所述变电站3也称为变电所、配电所或配电变电站。变电站3包含：至少一个变压器，其具有用于中压网络和低压网络的相对应的开关系统；以及保护装置。

在这种情况下，根据本发明的保护装置10被布置在变电站3附近或者位于变电站3本身之中。

假定为对称网络，其中，GIC电流I_GIC均匀分布在三相系统的所有三个导体（LINE）上。

所示的示例性实施例还假定低阻抗中性接地，其中，接地是紧密相连的（solid）或经由电阻。

如引言中所述，本发明的目的在于保护变压器4免受在网络12中感生的地磁感应电流（GIC）的影响。

为此目的提供了所谓的接地变压器1。

接地变压器1是拟（quasi）在无负载的情况下操作的三相变压器。它具有低的零序电阻，但具有高的正序和负序阻抗。它基本上包括软磁芯和曲折连接的绕组布置结构8、9。绕组布置结构本身包括处于供应线路侧上的三个绕组8和处于地面侧上的三个绕组9。绕组8、9经由软磁芯磁性地耦接在一起，这在图1中未更详细地示出。磁芯包括如用于变压器构造中的电钢板的金属叠片。这些绕组8、9中的每一个形成具有欧姆电阻部分和感应电阻部分的复阻抗。

然后，保护装置10以如下方式起作用，即：由此，接地变压器1的绕组8、9相对于三相电流呈现高阻抗，但与变压器4或变电站的中性接地13的欧姆电阻R_0sub相比，欧姆电阻部分R_0GIC相对于GIC直流电流是比较低的。根据优选的电阻比，接地变压器1的中性点电阻R_0GIC的值是变电站3的中性点电阻R_0sub的值的十分之一或更小。该电阻比具有如下效果，即：在供应线路2上流向变压器4的I_GIC选择低阻抗路径，并且大部分经由保护装置10转向地面。这种转移发生在变压器的上游。仅GIC中比较少的部分到达变压器4或变电站3。因此，对于布置在变电站3中的一个或多个变压器4，至少减弱了破坏性的GIC的影响，如果实际上没有消除的话。

换言之，接地变压器1提供了人造中性点。然而，接地变压器1看起来相对于GIC直流电流具有低阻抗，即GIC仅看到复阻抗的欧姆部分。

为了实现接地变压器1的低欧姆电阻，它具有少量的绕组和低电流密度。由于接地变压器1仅在无负载的情况下操作，因此它的绕组8、9仅需要被配置用于相对低的GIC电流（大约100A）。

可以认为本发明的一个显著优点就是接地变压器1以纯被动的方式工作。它仅包括由变压器构造已知的被动部件。在其操作特性上，接地变压器1的行为类似于在无负载的情况下操作的变压器。因此，接地变压器1能够始终保持连接到能量供应网络12。

为了进一步减少保护设备10的损耗，能够拟根据需要将接地变压器1连接到高压网络的供应线路2。在图1、图2和图3中为本发明的该变体设置开关设备5。由于在这种情况下保护装置10仅暂时处于操作中，即仅当GIC电流实际流动或被预期时操作，因此软磁芯中的功率损耗并不严重，从而允许使用廉价的材料。因为铁损（iron losses）较不显著，所以不需要晶粒取向的电钢板。铝能够被用于绕组8或9。相对便宜的扁平导体能够被用于这种经济的实施例。重要的仅在于，与变压器4或变电站3相比，欧姆绕组的电阻必须具有较低的值。在本文提出的示例性实施例中，零序电阻的比率是1到10。

这里再次要注意的是，开关设备5是可选的，即，在没有该开关设备5的情况下也实现了创造性的效果。

例如，接入到能量供应者的网络12中的标准可以是从（全球性）GIC检测和/或报告装置6接收到的信号。这在图2中示意性地图示。

图2示出了简化的等效连接图，其中，创造性的保护装置10被示出为欧姆电阻（R_0GIC：接地变压器的中性点电阻）与变电站3的欧姆电阻（R_0sub：变电站的中性点电阻）的并联连接。如在介绍中提到的，太阳风在能量供应系统12的线路中感生的GIC是低频纹波电流，所述低频纹波电流在观察期中能够被认为是直流电流。由于相对于该低频GIC电流I_GIC，欧姆电阻R_0GIC和R_0sub基本上是决定性的（critical），因此在根据图2的此等效连接图中仅标记了导流装置（diversion device）1和变压器或变电站2的零序电阻。接地变压器1的欧姆电阻低于变电站或变压器2的欧姆电阻。如上所述，在供应线路2上朝向变压器1流动的GIC因此在它能够在变压器4中造成任何损害之前根据所选择的电阻比R_0GIC/R_0sub而被转向地面。

图3示出了本发明的第二变体，其中，对变电站3（变电站或单个变压器4）的操作性接地进行了修改，并且通过设置辅助电阻R_aux来增加中性点和地面之间的欧姆电阻。由于为变电站3中的每个变压器4在中性点和地面之间连接了该辅助电阻R_aux，因此中性接地13变为高电阻的。根据前述实施例，电阻比再次被配置成使得破坏性的GDC在它能够在变压器4中造成损害之前经由导流装置1的较低的欧姆电阻而流走到地面。电流的分配再次与导流装置和变电站3或变压器4中的电阻的比率成反比（indirectly proportionate）。

在图3中，另一开关5'被标示为与辅助电阻R_aux并联，并且如果需要能够被用于接入辅助电阻R_aux，即，如果GIC在供应线路2中流动，则断开开关5'。如果未预期GIC，则闭合开关5'。

综上所述，本发明的主要优点在于，仅以完全无源的方式工作的部件被用于GIC保护。因此，所述解决方案不包含例如具有复杂控制开关的受控阀之类的受控部件。

能够使操作成本保持非常低可以被认为是另一个优点。如果接地变压器仅根据需要来接入，则能够非常经济地制造它。这种操作模式允许使用便宜的磁性软材料。如果在变电站3的中性点中使用辅助电阻R_aux，则它仅需要被配置用于零序电流，这能够以小成本来实现。该辅助电阻R_aux能够根据需要借助于并联连接的开关5'来接入到接地电流电路。

在用于分配和传输电能的网络12中，在中压和低压之间的接口处通常设置有多个变电站，所述多个变电站在不同情况下各自包括一个或多个变压器4。上述保护设备能够在变电所的高压侧上的每个供应线路中实施。

尽管参照上面给出的优选的示例性实施例来详细地图示和描述了本发明，但本发明不受本文所公开的示例限制，并且本领域技术人员可以从中得到其他变型，而不由此脱离本发明的范围。

Claims

1.一种用于变压器（4）的保护装置，所述保护装置借助于供应线路（2）在高压侧上连接到用于传输和分配电能的网络（12），其中，所述变压器（4）具有中性接地（13），

其特征在于，

每个供应线路（2）借助于接地变压器（1）连接到地面（11），其中，所述接地变压器（1）具有低于所述中性接地（13）的中性点电阻（R_0sub）的中性点电阻（R_0GIC），使得在所述供应线路（2）上流动的地磁感应电流（GIC）转向地面（11）。

2.如权利要求1所述的保护装置，其特征在于，所述接地变压器（1）的中性点电阻（R_0GIC）的值是所述中性接地（13）的中性点电阻（R_0sub）的值的十分之一或更小。

3.如权利要求1或2所述的保护装置，其特征在于，所述接地变压器（1）被设计为三相变压器，所述三相变压器具有通过两个三相绕组（8、9）形成并且被曲折地连接的绕组布置结构。

4.如权利要求3所述的保护装置，其特征在于，每个绕组相（8）借助于连接线连接到分配的线路（2）。

5.如权利要求4所述的保护装置，其特征在于，开关设备（5）被布置在每个连接线中。

6.如权利要求3所述的保护装置，其特征在于，所述接地变压器（1）具有由常规的电钢板制成的金属叠片的分层磁芯。

7.如权利要求3所述的保护装置，其特征在于，用于所述接地变压器（1）的绕组的材料是铝。

8.如权利要求7所述的保护装置，其特征在于，每个绕组通过绝缘的扁平导体形成。

9.如权利要求8所述的保护装置，其特征在于，所述扁平导体的绝缘体具有低于变压器（4）的初级或次级绕组的绝缘等级的绝缘等级。

10.如权利要求5所述的保护装置，其特征在于，所述开关设备（5）出于信令目的而被连接到用于地磁感应电流（GIC）的检测和/或报告装置（6）。