CN107332211B - 一种阻容型变压器直流偏磁抑制装置 - Google Patents

Abstract

一种阻容型变压器直流偏磁抑制装置，包括隔离装置和偏磁监控装置。所述隔离装置包括电容器、可调电阻、旁路开关、限流电阻、切换刀闸和机械开关；所述偏磁监控装置包括两套控制单元，一套控制旁路开关，另一套控制可调电阻，还有与两套单元相连的互感器和隔离变压器。本发明通过调节可调电阻，既能使自身通过的直流电流降低到允许范围内且能将安装本发明装置的接地变压器周边300km范围内受本装置工作影响的变压器的中性线直流的变化降到最低，尽最大可能使这些变压器中性线直流电流仍处在各自允许的范围内，具有简单、经济、有效的特点。

Description

一种阻容型变压器直流偏磁抑制装置

技术领域

本发明涉及一种阻容型变压器直流偏磁抑制装置。

背景技术

随着现代科技的发展特别是大功率电力电子器件技术的突破，直流输电以其输送容量大、造价低、损耗小、不易老化、寿命长且输送距离不受限制等众多优点得到越来越多的发展。高压直流输电在远距离大容量输电、区域电力系统互连中发挥了越来越重要的作用。由于直流输电的众多优势，随着我国电网的发展建设，越来越多的直流输电线路投入电力系统运行，但同时也带来了一些新问题。实际运行发现，直流输电系统大地单极运行方式会造成交流电网中性点接地变压器流入直流电流，产生直流偏磁现象，引起主变谐波增大、噪声加剧、温度升高，严重时可引起变压器、电容器组的损坏，影响电网的安全稳定运行。

目前工程上的解决方法都是在变压器接地回路中做文章，抑制变压器中性点直流电流的方法主要有：1、电容隔直法：通过在变压器中性点串联电容抑制电流，此方法优点是能彻底抑制直流电流，缺点是将直流电流完全排斥到其他接地设备中，可能对其他设备造成危害；2、电阻隔直法：通过在变压器中性点串联小电阻抑制电流，优点是能够起到一定抑制直流电流的作用，但当直流电流很大时，系统中变压器中性点电流也可能存在超标的现象；3、直流电流反向注入法：在变压器中性点周围施加与产生中性点直流的反电动势，抑制中性点直流，此方法装置复杂，消耗电能较多，也不能实现对直流电流的完全抑制；4、阻容法：取一个电容器和固定电阻并联后与变压器中性点串联，抑制直流电流，此方法只能使自身直流电流减小到允许范围内，不能使一定范围内其他受本装置投运影响的变压器直流电流的变化降到最小，有很大可能使这些变压器的直流电流越限。无论以上何种方法，都要考虑变压器发生单相接地非对称短路故障时，串联器件两端的过电压问题，短路电流越大，过电压越高，而且如果并联了过电压保护元件，其通流能力也是不得不考虑的问题，因此，目前解决方案针对较小短路电流尚可，对于大容量的巨型变压器短路电流峰值达到几十千安甚至上百千安的，只有提高串联器件的耐压水平，结果其造价都比较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点，提出一种阻容型变压器直流偏磁抑制装置。

本发明基于广域电流量测信息，采用“疏”而非“堵”的方法，使装置本身就能避免因抑制措施的实施而导致其他变压器直流电流发生较大变化。当该变压器中性线流过的直流电流超标时，通过调节本发明装置可调电阻的阻值，使自身通过的直流电流降低到允许范围内，并且能将安装本发明装置的接地变压器周边300km范围内其他受本发明装置工作影响的变压器中性线直流的变化降到最低，尽最大可能使这些变压器中性线直流电流仍处在各自允许的范围内。

本发明采取的技术方案是：

本发明阻容型变压器直流偏磁抑制装置，包括隔离装置和偏磁监控装置。所述的偏磁监控装置和所述隔离装置连接。隔离装置用于抑制变压器中性线的直流电流。偏磁监控装置有两个功能：一是通过接收判断安装本发明装置的变压器中性线所通过的交直流电流大小，控制旁路开关开合；二是接收处理安装本发明装置的接地变压器周边300km范围内受本装置工作影响的接地变压器的直流电流信息，调节控制可调电阻的阻值。

所述的偏磁监控装置中的可调电阻控制器和旁路开关控制器分别和所述隔离装置中的可调电阻和旁路开关连接。所述的偏磁监控装置中的可调电阻控制器和旁路开关控制器分别向所述隔离装置的可调电阻和旁路开关发送操作命令。

所述的隔离装置包括电容器、可调电阻、旁路开关、限流电阻、切换刀闸和机械开关。电容器和可调电阻并联，并联后的一端与切换刀闸的一端连接，另一端接地。切换刀闸的另一端与变压器主变地刀串联。限流电阻和旁路开关串联，串联后并联在隔直电容器的两端。机械开关的一端接地，另一端接在切换刀闸和主变地刀之间。

所述的偏磁监控装置包括两个控制单元，第一控制单元由第一数字监控装置和可调电阻控制器构成，第一控制单元的两端分别与电力系统监控系统系统(SCADA)和所述隔离装置的可调电阻连接，从SCADA系统中获取直流信息，向可调电阻发送操作命令。第二控制单元由第二数字监控装置和旁路开关控制器构成，第二控制单元的一端与所述隔离装置的旁路开关连接，另一端和安装本发明装置的变压器的交直流互感器连接，从变压器的交直流互感器中获取交直流信息，向所述旁路开关发送操作命令。隔离变压器作为电源与这两个控制单元连接并向其供电。

所述隔离装置的可调电阻的作用是：通过调节可调电阻的阻值使安装本发明装置的变压器中性线通过的直流电流降低到允许范围内，并且能将安装本发明装置的接地变压器周边300km范围内其他受本发明装置工作影响的变压器中性线直流的变化降到最低，尽最大可能使这些变压器中性线直流电流仍处在各自允许的范围内。

所述隔离装置的电容器用于和可调电阻并联，由于其容抗很小，并联后工频阻抗很小，一方面对继电保护影响小，另一方面即便很大的故障电流流过它产生的暂态电压也不至于损坏电容器组时，那么就可以取消一般复杂昂贵的旁路保护了，为了可靠性，使用简单便宜的旁路开关。

所述隔离装置的限流电阻的阻值不超过电容器的工频容抗值，其作用是：当装置运行在抑直状态时，由于系统短路故障，装置转入接地状态，旁路开关闭合，如果没有限流电阻，换路瞬间电容相当于一个电压源，相当于把其短路，这是不允许的。如果串入限流电阻太大，对电容支路分流的作用不显著。

所述隔离装置的旁路开关在交直流系统均正常运行或交流系统故障时闭合，变压器直接有效接地；当交流系统正常运行并且直流系统单极大地运行时断开，装置在抑直工作状态运行。

所述隔离装置的切换刀闸和机械开关，如果电容器和可调电阻损坏或旁路开关发生故障，闭合机械开关，使主变中性点通过机械开关直接接地，然后再打开切换刀闸，使装置退出工作，即可进行装置维修。

所述偏磁监控装置的第一控制单元由第一数字监控装置和可调电阻控制器构成用来控制可调电阻，第二控制单元由第二数字监控装置和旁路开关控制器构成用来控制旁路开关。

安装本发明装置的变压器的交直流互感器用于监测中性线上交直流电流的大小。

本发明装置的工作过程是：

本发明装置安装后有三种工作状态：

(1)接地状态，主变地刀和切换刀闸合上，旁路开关闭合，机械开关断开，变压器直接接地；

(2)抑直状态，主变地刀和切换刀闸合上，旁路开关断开，机械开关断开，变压器中性点经电容器和可调电阻接地，电容器和可调电阻起到抑制直流电流的作用；

(3)故障维修状态，主变地刀合上，切换刀闸断开，机械开关闭合，变压器直接接地，即可对旁路开关、电容器和可调电阻进行维修。

本发明装置在交流系统正常运行和直流系统双极运行时，处于接地状态；当交流系统发生不对称故障时，无论直流系统是单极运行还是双极运行，装置维持接地状态不变；当交流系统正常，直流系统单极运行时，安装本发明装置的变压器中性线直流电流大于整定动作值时，装置转入抑直状态以保护变压器，通过调节可调电阻，既能使自身通过的直流电流降低到允许范围内且能将一定范围内其他受本装置工作影响的变压器中性线直流的变化降到最低，尽最大可能使这些变压器中性线直流电流仍处在各自允许的范围内。当装置处于抑直工作状态时，如果交流系统发生不对称故障时，装置迅速转入接地状态，使变压器中性点直接接地，以保护电容器，避免事故扩大。

如果电容器和可调电阻损坏或旁路开关发生故障，装置应处于故障维修状态，合上机械开关，使主变中性点通过机械开关直接接地，然后再打开切换刀闸，使装置退出工作，即可进行装置维修。

本发明通过调节可调电阻的阻值，使自身通过的直流电流降低到允许范围内，并且能将以安装本发明装置的接地变压器为中心周边300km范围内，其他受本发明装置影响的变压器中性线直流电流大小的变化降到最低。

调节可调电阻的方法为：

1、首先定义直流电流的标幺值：

其中，N为在安装本发明装置的变压器周边300km范围内，对除安装本装置以外的受本发明装置投运影响的接地变压器台数；P_N为第N台受本发明装置影响的变压器直流电流的标幺值；x_N为电流互感器测得的第N台受本发明装置影响的变压器，在本发明装置投入后的中性线直流电流；a_N为第N台受本发明装置影响的变压器，在本发明装置没有投入之前的中性线直流电流，a_N采集之后，在后续计算中作为基准值使用。

2、在安装本发明装置的变压器周边300km范围内，对除安装本装置以外的受本发明装置投运影响的接地变压器计算均方根误差：

该均方根误差值用来衡量其他受本发明装置投运影响的变压器实测直流标幺值与标准标幺值之间的偏差，其中，Re_i为可调电阻第i次调整#0变压器满足直流电流小于自身限值时所计算的均方根误差。

3、实现本装置的控制目的需要同时满足以下两个条件：

x₀<c₀ (1)

Re＝min{Re_i,Re_i+1,Re_i+2...Re₄₉}(2)

其中，x₀为安装本发明装置的变压器中性线直流电流，c₀为安装本发明装置的变压器所允许通过的直流电流限值；只有在式(1)满足的情况下才开始计算Re_i，因为可调电阻是递增的，第i次满足式(1)，第i+1次也必定满足。

满足式(1)说明安装本发明装置的变压器流过的直流电流在允许范围内；式(2)取可调电阻处在所有阻值时均方根误差的最小值，均方根误差最小时，说明可调电阻处在该阻值就是对本发明装置寻求的控制状态，此时本发明装置能使其他变压器直流大小的变化降到最低，也就最大可能的确保了其他受本发明装置工作影响的接地变压器直流电流不越限。

附图说明

图1为本发明阻容型变压器直流偏磁抑制装置的原理图；

图2为本发明接地运行状态示意图；

图3为本发明抑直运行状态示意图；

图4为本发明故障维修状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明阻容型变压器直流偏磁抑制装置包括隔离装置和偏磁监测装置。

所述的隔离装置包括电容器、可调电阻、旁路开关、限流电阻、切换刀闸和机械开关。电容器和可调电阻并联，并联后的一端与切换刀闸的一端连接，另一端接地。切换刀闸的另一端与变压器主变地刀串联。限流电阻和旁路开关串联，串联后并联在隔直电容器的两端。机械开关一端接地，另一端接在切换刀闸和主变地刀之间。

所述的偏磁监控装置包括两个控制单元，第一控制单元由第一数字监控装置和可调电阻控制器构成，第一控制单元分别与SCADA系统(即电力系统监控系统)和可调电阻连接，从SCADA系统中获取直流信息，向可调电阻发送操作命令调控其工作位置。第二控制单元由第二数字监控装置和旁路开关控制器构成，第二控制单元与旁路开关和安装本发明装置的变压器的交直流互感器连接，从交直流互感器中获取交直流信息，向旁路开关发送操作命令控制其开合。隔离变压器与这两个控制单元连接并向其供电。

SCADA系统接收安装本发明装置的接地变压器周边300km范围内其他受本发明装置工作影响的变压器中性线直流电流信息，这些直流信息供第一数字监控装置调用。

电容器的工频容抗不大于0.2Ω，可调电阻的调节范围在0～50Ω，初始值为1欧姆，变化单位为每调整一次变化1Ω。可调电阻的调节范围和变化单位可根据实际需要做出调整，可调电阻的初始值可根据实际运行经验调节至最接近本变压器直流限值的工作位置。

本发明通过调节可调电阻的阻值，使自身通过的直流电流降低到允许范围内，并且能将安装本发明装置的接地变压器周边300km范围内其他受本发明装置工作影响的变压器中性线直流电流大小的变化降到最低。调节可调电阻的方法为：

1、首先定义直流电流的标幺值：

其中，N为在安装本发明装置的变压器周边300km范围内，对除安装本装置以外的受本发明装置投运影响的接地变压器台数；P_N为第N台受本发明装置影响的变压器直流电流的标幺值；x_N为电流互感器测得的第N台受本发明装置影响的变压器，在本发明装置投入后的中性线直流电流；a_N为第N台受本发明装置影响的变压器，在本发明装置没有投入之前的中性线直流电流，a_N采集之后，在后续计算中作为基准值使用。

2、在安装本发明装置的变压器周边300km范围内，对除安装本装置以外的受本发明装置投运影响的接地变压器计算均方根误差：

该均方根误差值用来衡量其他受本发明装置投运影响的变压器实测直流标幺值与标准标幺值之间的偏差，其中，Re_i为可调电阻第i次调整#0变压器满足直流电流小于自身限值时所计算的均方根误差。

3、实现本装置的控制目的需要同时满足以下两个条件：

x₀<c₀ (1)

Re＝min{Re_i,Re_i+1,Re_i+2...Re₄₉} (2)

其中，x₀为安装本发明装置的变压器中性线直流电流，c₀为安装本发明装置的变压器所允许通过的直流电流限值；只有在式(1)满足的情况下才开始计算Re_i，因为可调电阻是递增的，第i次满足式(1)，第i+1次也必定满足。

满足式(1)说明安装本发明装置的变压器流过的直流电流在允许范围内；式(2)取可调电阻处在所有阻值时均方根误差的最小值，均方根误差最小时，说明可调电阻处在该阻值就是对本发明装置寻求的控制状态，此时本发明装置能使其他变压器直流大小的变化降到最低，也就最大可能的确保了其他受本发明装置工作影响的接地变压器直流电流不越限。

本发明基于广域电流量测信息的阻容型变压器直流偏磁抑制装置的工作状态如下：

1、接地运行状态

如图2所示，正常情况下中性点直接接地变压器的中性点没有或仅有少量不影响运行的直流电流，本发明装置处在接地运行状态。主变地刀、切换刀闸和旁路开关闭合，机械开关断开，相当于把电容电阻旁路。当交流系统发生不对称故障时也运行于此状态。

2、抑直运行状态

如图3所示，第二数字监控装置检测到该变压器直流超限时且交流系统正常运行时，主变地刀和切换刀闸闭合，旁路开关和机械开关断开，本发明装置转入抑直运行状态。并通过第一数字监控装置和可调电阻控制器调节可调电阻运行位置。

3、故障维修状态

如图4所示，如果抑直主设备电容器和可调电阻损坏或旁路开关发生故障，合上机械开关，使主变中性点通过机械开关直接接地，然后再打开切换刀闸，使本发明装置退出工作，即可进行装置维修。

Claims (1)

1.一种阻容型变压器直流偏磁抑制装置，其特征在于：所述的直流偏磁抑制装置包括隔离装置和偏磁监控装置；所述的偏磁监控装置和所述隔离装置连接；隔离装置用于抑制变压器中性线的直流电流；偏磁监控装置有两个功能：一是通过接收判断安装所述直流偏磁抑制装置的变压器中性线所通过的交直流电流大小，控制旁路开关开合；二是接收处理安装直流偏磁抑制装置的接地变压器周边300km范围内受本直流偏磁抑制装置工作影响的接地变压器的直流电流信息，调节控制可调电阻的阻值；

所述的偏磁监控装置中的可调电阻控制器和旁路开关控制器分别和所述隔离装置中的可调电阻和旁路开关连接；所述的偏磁监控装置中的可调电阻控制器和旁路开关控制器分别向所述隔离装置的可调电阻和旁路开关发送操作命令；

所述的偏磁监控装置中，第一控制单元由第一数字监控装置和可调电阻控制器构成，第一控制单元的两端分别与电力系统监控系统和所述隔离装置的可调电阻连接，从电力系统监系统中获取直流信息，向可调电阻发送操作命令；第二控制单元由第二数字监控装置和旁路开关控制器构成，第二控制单元的一端与所述隔离装置的旁路开关连接，另一端和安装阻容型变压器直流偏磁抑制装置的变压器的交直流互感器连接，从变压器的交直流互感器中获取交直流信息，向所述旁路开关发送操作命令；隔离变压器作为电源与这两个控制单元连接并向其供电；

所述的第一控制单元调控可调电阻的方法为：

(1)、首先定义直流电流的标幺值：

其中，N为在安装阻容型变压器直流偏磁抑制装置的变压器周边300km范围内，对除安装阻容型变压器直流偏磁抑制装置以外的受阻容型变压器直流偏磁抑制装置投运影响的接地变压器台数；P_N为第N台受阻容型变压器直流偏磁抑制装置影响的变压器直流电流的标幺值；x_N为电流互感器测得的第N台受阻容型变压器直流偏磁抑制装置影响的变压器，在阻容型变压器直流偏磁抑制装置投入后的中性线直流电流；a_N为第N台受阻容型变压器直流偏磁抑制装置影响的变压器，在阻容型变压器直流偏磁抑制装置没有投入之前的中性线直流电流，a_N采集之后，在后续计算中作为基准值使用；

(2)、在安装阻容型变压器直流偏磁抑制装置的变压器周边300km范围内，对除安装阻容型变压器直流偏磁抑制装置以外的受阻容型变压器直流偏磁抑制装置投运影响的接地变压器计算均方根误差：

该均方根误差值用来衡量其他受阻容型变压器直流偏磁抑制装置投运影响的变压器实测直流标幺值与标准标幺值之间的偏差，其中，Re_i为可调电阻第i次调整#0变压器满足直流电流小于自身限值时所计算的均方根误差；

(3)、实现阻容型变压器直流偏磁抑制装置的控制目的需要同时满足以下两个条件：

x₀＜c₀ (1)

Re＝min{Re_i,Re_i+1,Re_i+2...Re₄₉}(2)

其中，x₀为安装阻容型变压器直流偏磁抑制装置的变压器中性线直流电流，c₀为安装阻容型变压器直流偏磁抑制装置的变压器所允许通过的直流电流限值。