CN107706886A

CN107706886A - 一种变压器直流偏磁抑制装置、方法及变压器系统

Info

Publication number: CN107706886A
Application number: CN201711100009.XA
Authority: CN
Inventors: 马静; 杨娜; 陈煜�; 文习山; 潘卓洪; 刘晨蕾
Original assignee: Wuhan University WHU; Economic and Technological Research Institute of State Grid Anhui Electric Power Co Ltd
Current assignee: Wuhan University WHU; Economic and Technological Research Institute of State Grid Anhui Electric Power Co Ltd
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2018-02-16

Abstract

本发明提供一种变压器直流偏磁抑制装置，包括检测控制单元、抑制单元、避雷针、刀闸和第一电阻；所述检测控制单元与所述抑制单元连接；变压器中性点连接并联的抑制单元、避雷针、刀闸，再串联第一电阻，然后接地。还提供一种应用于所述抑制装置的抑制方法和一种变压器系统，包括所述抑制装置或包括所述抑制方法。本发明的有益效果是：应用宽禁带半导体器件SiC IGBT与电阻串联相结合的直流偏磁方案。提出利用半导体开关作为隔直装置，在保证变压器有效接地的条件下，使得平均入地电流维持在合理的阈值内，达到抑制变压器直流偏磁的效果，可以在抑制装置有效接地、耐压水平、灵活及扩大适用范围几个方面找到较佳的平衡点。

Description

一种变压器直流偏磁抑制装置、方法及变压器系统

技术领域

本发明涉及直流偏磁抑制方法，特别是一种变压器直流偏磁抑制装置、方法及变压器系统。

背景技术

高压/特高压直流输电具有容量大、损耗低、传输距离远等优势，随着我国经济快速增长，直流输电技术的发展在远距离电能输送、新能源并网与消纳以及交流互联电网稳定运行维护等方面起着至关重要的作用。但是，直流输电工程单极大地返回运行方式会使得接地极附近地电位升高，在不同变电站间产生电势差，导致变压器产生直流偏磁的风险，危害电力系统正常运行，同时也会造成变压器发热、噪声、谐振等问题。因此，合理有效的直流偏磁抑制措施对交流电网的安全运行至关重要。

目前国内外抑制变压器中性点直流电流的方法有反向电流注入法、变压器中性点串联电阻法，以及串联电容法。在变压器中性线串入电阻，需要根据实际运行工况选取限流电阻，操作比较复杂。在变压器中性点串联合适的电容器，所用的电容器耐压要求高，造价昂贵且安装空间要求高，而且需要并联旁路保护装置；可能产生变压器安全接地问题，影响电网的故障诊断以及绝缘协调。电流注入法需要采用欠补偿的方式，不适合在实际运行。

发明内容

为了解决上述现有的技术问题，本发明提供一种变压器直流偏磁抑制装置、方法及变压器系统。

本发明解决上述现有的技术问题，提供一种变压器直流偏磁抑制装置，包括检测控制单元、抑制单元、避雷针、刀闸和第一电阻；所述检测控制单元与所述抑制单元连接；变压器中性点连接并联的抑制单元、避雷针、刀闸，再串联第一电阻，然后接地。

本发明更进一步的改进如下所述。

所述检测控制单元包括电压电流测控模块和PID控制模块；所述电压电流测控模块经所述PID控制模块连接于所述抑制单元。

所述抑制单元包括串联的IGBT与第二电阻。

所述IGBT为反相串联的SIC IGBT。

本发明解决上述现有的技术问题，提供一种应用于所述抑制装置的抑制方法，包括如下步骤：电压电流测控模块预设入地直流电流的安全阈值；电压电流测控模块检测变压器入地直流电流；电压电流测控模块使用如下公式计算占空比：其中，K_p是比例系数；I^*是预设安全阈值；I是变压器中性点的入地直流电流；K_i是积分系数；t₀是入地电流超过阈值的时刻；当I<I^*时，占空比为1，刀闸闭合，IGBT导通；当I≥I^*时，刀闸断开，由PID控制模块先控制IGBT的高频通断，当IGBT导通时，变压器中性点经过第一电阻、第二电阻接地，当IGBT关断时，变压器中性点不接地。

所述IGBT的工作频率为10HZ。

设定K_p＝0.2，K_i＝0.1。

本发明解决上述现有的技术问题，提供一种变压器系统，包括所述抑制装置。

本发明解决上述现有的技术问题，提供一种变压器系统，包括所述抑制方法。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：应用宽禁带半导体器件SiC IGBT与电阻串联相结合的直流偏磁方案。提出利用半导体开关作为隔直装置，在保证变压器有效接地的条件下，使得平均入地电流维持在合理的阈值内，达到抑制变压器直流偏磁的效果，可以在抑制装置有效接地、耐压水平、灵活及扩大适用范围几个方面找到较佳的平衡点。

附图说明

图1为本发明实施例的电路原理图。

图2为本发明实施例的程序流程图。

图3为IGBT的开关对入地电流的作用原理示意图。

图4为图3应用半导体开关时的电压时序图。

图5为图3未应用半导体开关时的电压时序图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1至图5所示，一种变压器直流偏磁抑制装置，包括检测控制单元、抑制单元、避雷针13、刀闸14和第一电阻15。检测控制单元与抑制单元连接；抑制单元、避雷针13、刀闸14为并联结构，变压器中性点先串连并联的抑制单元、避雷针13、刀闸14，再串联第一电阻15，然后接地。

检测控制单元包括电压电流测控模块111和PID控制模块112；电压电流测控模块111经PID控制模块112连接于抑制单元。抑制单元包括串联的IGBT121与第二电阻122。IGBT121为反相串联的SIC IGBT。

其中，反相串联的SiC IGBT工作频率能够选择10kHz左右，通过高频开断保证变压器瞬时接地，并配合第二电阻122控制入地电流有效值的大小。避雷器将电压限制在安全阈值内。刀闸14使得变压器在正常工作状态下及检修状态下保持中性点直接接地。电压电流测控模块111检测入地电流的幅值和方向。PID控制模块112通过占空比控制反相串联的SiCIGBT。

采用SiC IGBT与第二电阻122串联相结合，是因为：SiC是继以硅和砷化镓为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速发展起来的新型半导体材料，具有低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。SiC IGBT与第二电阻122串联能够限制导通电流，实现对半导体开关的限流保护，提高半导体开关所能承受的中性点电压的上限。

图3至图5是IGBT121的开关对入地电流的作用原理示意图，当占空比为1/3时，直流偏磁电流引起的直流磁通减小2/3，直流偏磁的半波饱和程度也将降低。占空比越小，入地电流越小，半波饱和程度越低。中性点不接地可能会影响保护系统对接地故障的判断，且中性点电压升高可能会破坏变压器的绝缘，安全风险升高。因此，需要较高的开关频率，使中性点保持瞬时的接地。综合考虑对器件要求以及开关损耗，开关频率选取10kHz。

当抑制单元投入使用后，IGBT121的半导体开关和第二电阻122串入变压器中性点。PID控制模块112发出驱动信号可控制IGBT121的通断，由于回路中串入了第二电阻122，入地电流将变小，IGBT121占空比为1，一直处于导通状态。若中性点电压持续升高，高于安全阈值后，占空比将减小，IGBT121开始高频通断。当IGBT121导通时，变压器通过第一电阻15和第二电阻122接地；当IGBT121关断时，变压器中性点不接地。通过PID控制模块112实时调节SiC IGBT的占空比，即使中性点电压变化，也能够始终将平均电流限制在安全阈值附近。若发生接地故障，如单相接地故障，半导体开关导通时流过的瞬时电流I_S＝U/(R₀+R₁)，可以通过第二电阻122的选取来限制瞬时电流Is。当监测到接地故障时，控制器将占空比置1，IGBT121全通起到泄流的作用，避免中性点不接地而导致变压器出现绝缘危险。此时IGBT121所起的功能类似于用于接地故障保护的晶闸管。

应用宽禁带半导体器件SiC IGBT与电阻串联相结合的直流偏磁方案。提出利用半导体开关作为隔直装置，在保证变压器有效接地的条件下，使得平均入地电流维持在合理的阈值内，达到抑制变压器直流偏磁的效果，可以在抑制装置有效接地、耐压水平、灵活及扩大适用范围几个方面找到较佳的平衡点。

如图1至图5所示，提供一种应用于抑制装置的抑制方法，包括如下步骤：电压电流测控模块111预设入地直流电流的安全阈值；电压电流测控模块111检测变压器入地直流电流；电压电流测控模块111使用如下公式计算占空比：其中，K_p是比例系数；I^*是预设安全阈值；I是变压器中性点的入地直流电流；K_i是积分系数；t₀是入地电流超过阈值的时刻；当I<I^*时，占空比为1，刀闸14闭合，IGBT121导通；当I≥I^*时，刀闸14断开，由PID控制模块112先控制IGBT121的高频通断，当IGBT121导通时，变压器中性点经过第一电阻15、第二电阻122接地，当IGBT121关断时，变压器中性点不接地。

其中，IGBT121的工作频率为10HZ。设定K_p＝0.2，K_i＝0.1。

在变压器正常工作状态下，刀闸14闭合，电压电流测控模块111对变压器中性点直流偏磁电流进行采样，由于电流可正可负，故取电流的绝对值。当检测电流小于安全阈值时，该抑制单元不动作，中性点经刀闸14直接接地；当检测到高于安全阈值的入地电流时，刀闸14断开，抑制单元投入使用，采取抑制措施，且该过程中刀闸14不再合闸，防止多个开关转换工作。

本发明提供一种变压器系统，包括上述的抑制装置。

本发明提供一种变压器系统，包括上述抑制方法。

本发明具有如下的有益效果：

1)适用于抑制变压器直流偏磁电流；

2)将流经变压器中性点的电流抑制到安全阈值之内，降低了变压器直流偏磁风险，减小抑制措施对其他变电站变压器直流偏磁电流的影响；

3)能够降低变压器的损坏率，增加变压器中性点接地有效性；当变压器需要检修时，可手动切换到直接接地模式；

4)不需要复杂旁路保护系统，具有体积小，结构简单的优点，有效实现了利用半导体开关降低变压器中性点直流电流，避免了串联电容完全隔断直流可能引起的过电压问题；

5)通过调节SiC IGBT串联的电阻，能使装置适用于不同电压等级的变压器，从而实现大规模的应用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种变压器直流偏磁抑制装置，其特征在于：

包括检测控制单元、抑制单元、避雷针、刀闸和第一电阻；

所述检测控制单元与所述抑制单元连接；

变压器中性点连接并联的抑制单元、避雷针、刀闸，再串联第一电阻，然后接地。

2.根据权利要求1所述的变压器直流偏磁抑制装置，其特征在于：所述检测控制单元包括电压电流测控模块和PID控制模块；所述电压电流测控模块经所述PID控制模块连接于所述抑制单元。

3.根据权利要求2所述的变压器直流偏磁抑制装置，其特征在于：所述抑制单元包括串联的IGBT与第二电阻。

4.根据权利要求3所述的变压器直流偏磁抑制装置，其特征在于：所述IGBT为反相串联的SIC IGBT。

5.应用于权利要求1至4任意一项所述抑制装置的抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：

电压电流测控模块预设入地直流电流的安全阈值；

电压电流测控模块检测变压器入地直流电流；

电压电流测控模块使用如下公式计算占空比：

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其中，K_p是比例系数；I^*是预设安全阈值；I是变压器中性点的入地直流电流；K_i是积分系数；t₀是入地电流超过阈值的时刻；

当I<I^*时，占空比为1，刀闸闭合，IGBT导通；

当I≥I^*时，刀闸断开，由PID控制模块先控制IGBT的高频通断，当IGBT导通时，变压器中性点经过第一电阻、第二电阻接地，当IGBT关断时，变压器中性点不接地。

6.根据权利要求5所述的抑制方法，其特征在于：所述IGBT的工作频率为10HZ。

7.根据权利要求6所述的抑制方法，其特征在于：设定K_p＝0.2，K_i＝0.1。

8.一种变压器系统，包括权利要求1至4任意一项所述抑制装置。

9.一种变压器系统，包括权利要求5所述的抑制方法。