CN108400005B - 一种变压器直流偏磁抑制系统及抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器直流偏磁抑制系统及抑制方法，其中直流偏磁抑制系统中，变压器一次侧三相绕组为三相星形联结；还包括三相直流偏磁抑制绕组、整流电路、交流电源、检测模块和控制系统，三相直流偏磁抑制绕组的各相绕组分别与一次侧三相绕组的各相绕组对应共铁心且缠绕方向相反，三相直流偏磁抑制绕组的各相绕组匝数均相等，三相直流偏磁抑制绕组首尾相接形成接到整流电路的直流端的开口三角形；整流电路的交流端与交流电源电连接；控制系统控制三相直流偏磁抑制绕组所产生的直流磁动势与一次侧三相绕组的直流磁动势大小相等、方向相反。本发明结构简单、控制容易，对变压器中性点接地和保护装置不会造成任何影响，性价比高，实用性强。

Description

一种变压器直流偏磁抑制系统及抑制方法

技术领域

本发明属于变压器直流偏磁抑制领域，特别涉及一种变压器直流偏磁抑制系统及抑制方法。

背景技术

近年来，变压器直流偏磁问题越来越受到人们的关注。不同运行环境下变压器直流偏磁问题产生的原因如下：1)换流变压器直流偏磁产生的主要原因有：正常运行时变流器触发角不平衡；工频电流流过直流线路；换流站交流母线出现正序二次谐波电压；单极大地返回运行期间因电流注入接地极引起换流站地电位升高。2)太阳磁暴现象引起地磁场变化产生接近于直流的低频(0.001Hz～1Hz)地磁感应电流，注入到变压器绕组后，引起直流偏磁。3)城市地铁采用直流供电，钢轨存在对地泄露直流电流，该泄漏的直流电流通过变压器中性点接地极注入三相绕组，使得绕组中出现直流分量，造成直流偏磁。

直流偏磁电流构成的回路如图1所示。图1中，在两台变压器的接地极1和接地极2之间，由于两接地极之间存在直流电位，直流电位作用在闭合回路中而产生直流电流I_N。直流电流I_N由1#变压器的中性点接地极注入到变压器一次侧三相绕组A、B和C中，在1#变压器一次侧三相绕组中分别产生直流偏磁电流I_AN、I_BN和I_CN。三相直流偏磁电流又通过电网三相线路注入到2#变压器的一次侧三相绕组A、B和C中，同样在2#变压器一次侧三相绕组中产生直流偏磁电流I_AN、I_BN和I_CN。2#变压器的直流偏磁电流再通过中性点接地极注入到大地，形成电流I_N。正常情况下，变压器各相直流偏磁电流相等，且都等于中性点注入直流电流的1/3，即I_AN＝I_BN＝I_CN＝1/3I_N。

变压器直流偏磁会导致一系列严重后果：引起变压器铁芯饱和，噪声加剧，对环境造成影响；导致励磁电流急剧增大并产生畸变，同时产生谐波；增加变压器损耗；可能会影响变压器正常运行；可能会危及系统和电网的安全稳定运行。

目前，抑制变压器直流偏磁的可选措施有在变压器中性点串电容隔断直流、中性点串电阻减小直流、中性点反向注入电流抵消直流等。除变压器中性点串电容隔直装置获得一些应用外，其它方法还没有实用化。中性点串电容隔直装置包括隔直电容、旁路开关、晶闸管及过压触发单元等。目前该装置还存在一些不足：1)没有消除直流电流，只是将直流电流引向了未装隔直装置的其他变压器；2)所串电容器容量大、占地广、造价高；3)电容器两端因雷击等原因出现大电流，可能有爆炸的危险；4)正常状态投入隔直电容，发生故障时需要迅速投入旁路开关使变压器中性点接地，控制复杂，且降低了故障保护的可靠性；5)改变了零序阻抗，对继电保护、绝缘配合等方面都会产生影响，需要重新设定保护定值。

上述方法都是在变压器中性点上安装附加装置，以削弱或阻断变压器中性点直流电流，结构和控制复杂，且会对变压器中性点接地和保护装置造成影响，实用性低。

发明内容

现有的变压器直流偏磁抑制系统中，都是在变压器中性点上安装附加装置，以削弱或阻断变压器中性点直流电流，结构和控制复杂，且会对变压器中性点接地和保护装置造成影响，实用性低。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种变压器直流偏磁抑制系统及抑制方法，结构简单、控制容易，对变压器中性点接地和保护装置不会造成任何影响，性价比高，实用性强。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种变压器直流偏磁抑制系统，所述变压器包括一次侧三相绕组及铁芯，所述一次侧三相绕组缠绕在铁芯上，一次侧三相绕组为三相星形联结且一次侧三相绕组的中性点接地；其特点是包括三相直流偏磁抑制绕组、整流电路、交流电源、检测模块和控制系统，三相直流偏磁抑制绕组的各相绕组分别与一次侧三相绕组的各相绕组对应共铁芯且缠绕方向相反，三相直流偏磁抑制绕组的各相绕组匝数均相等，三相直流偏磁抑制绕组包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，第一相绕组的尾端、第二相绕组的首端、第二相绕组的尾端、第三相绕组的首端顺次相接形成开口三角形，第一相绕组的首端与第三相绕组的尾端不闭合，且第一相绕组的首端与第三相绕组的尾端均与整流电路的直流端电连接；整流电路的交流端与交流电源电连接；检测模块用于采集一次侧三相绕组某一相绕组的直流偏磁电流或直流磁通值并将采集到的信号传送至控制系统；控制系统根据采样信号产生控制脉冲，以控制整流电路输出至三相直流偏磁抑制绕组的电流值为I_d，其中

，式中，N₁为一次侧三相绕组的匝数，N₂为三相直流偏磁抑制绕组的匝数，I_AN为一次侧三相绕组某一相绕组的直流偏磁电流。

进一步地，三相直流偏磁抑制绕组与整流电路之间还连有平波电抗器和/或限流电阻。

作为一种优选方式，所述整流电路为单相整流电路、三相整流电路、晶闸管整流电路或IGBT整流电路。

作为一种优选方式，所述交流电源为单相交流电源或三相交流电源。

作为一种优选方式，所述交流电源取自电网，或者所述交流电源通过增设绕组从所述变压器中取电。

作为一种优选方式，所述检测模块为第一直流电流互感器，所述控制系统包括比较器、比例器、电流调节器和晶闸管触发电路，所述整流电路为晶闸管整流电路；第一直流电流互感器的输出端与比较器的一输入端电连接，整流电路的输出端依次通过第二直流电流互感器、比例器后与比较器的另一输入端电连接，比较器的输出端依次通过电流调节器、晶闸管触发电路与整流电路的控制端电连接；其中比例器的比例系数为

；所述检测模块(一种具体方案为第一直流电流互感器)不限于直流电流互感器，也可为其他电流互感器(如交直流电流互感器)，检测位置不限于变压器一次绕组，也可为其他位置(如变压器中性点接地线)；所述检测模块(一种具体方案为第二直流电流互感器)不限于直流电流互感器，检测位置不限于整流电路直流侧，也可为交流电流互感器，检测位置也可为其他位置(如整流电路交流侧)。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述变压器直流偏磁抑制系统进行直流偏磁抑制的方法，包括以下步骤：

步骤A.检测模块采集变压器一次侧三相绕组某一相绕组的直流偏磁电流或直流磁通值并将采集到的信号传送至控制系统；

步骤B.控制系统根据采样信号产生控制脉冲，以控制整流电路输出至三相直流偏磁抑制绕组的电流值为I_d，其中

，式中， N₁为一次侧三相绕组的匝数，N₂为三相直流偏磁抑制绕组的匝数， I_AN为一次侧三相绕组某一相绕组的直流偏磁电流。

作为一种优选方式，在步骤A中，检测模块采集的信号为变压器一次侧三相绕组某一相绕组的直流偏磁电流I_AN；

步骤B包括：

步骤B₁.采集整流电路输出至三相直流偏磁抑制绕组的电流值I_d；

步骤B₂.I_d乘以

后与I_AN进行比较得到差值信号，差值信号经过电流调节器后产生晶闸管的触发控制角信号，该触发控制角信号使得晶闸管触发电路产生相应的控制脉冲信号，最终控制脉冲信号控制晶闸管整流电路产生直流电流I_d。

与现有技术相比，本发明基于变压器的磁动势(安匝)平衡原理对变压器的直流偏磁进行抑制，控制系统控制整流电路使三相直流偏磁抑制绕组产生与变压器一次侧三相绕组大小相等、相位相反的直流磁动势(直流安匝)，以抵消变压器原磁通中的直流分量，抑制变压器的直流偏磁，具有以下有益效果：

(1)由于三相直流偏磁抑制绕组采用开口三角形连接，三相直流偏磁抑制绕组的基波电势大小相等，相位相差120°，故三相基波电势之和等于0，即开口处的合成基波交流电势为0，基波交流电流也等于0，故对外不产生基波电流。因此，三相直流偏磁抑制绕组不需要考虑基波容量，主要考虑直流容量，这使得三相直流偏磁抑制绕组的额定容量可降为一次侧三相绕组额定容量的2％以下。ABB公司认为换流变压器的直流偏磁允许电流为额定电流的1％，故三相直流偏磁抑制绕组额定容量可选为一次侧三相绕组额定容量的1～2％。三相直流偏磁抑制绕组额定电压(或匝数)可根据整流电路的电压等级设计，也可根据实际需要灵活选取0.4kV、6.3kV、10.5kV、22kV、35kV 等电压等级。

(2)由于三相直流偏磁抑制绕组的电压或匝数设计灵活，故可适应各种电压等级的整流电路，极大地拓展了应用范围。

(3)由于直流偏磁抑制绕组中不流通基波电流，这使得整流电路的直流回路不需考虑基波交流电压和电流的影响，一方面减小了整流电路的容量，另一方面使得整流电路结构简单，成本低廉，设计和制造容易，且运行安全可靠。由于整流电路结构简单，故相应的控制系统容易设计和实现。

(4)增加的直流偏磁抑制系统不会影响变压器的正常运行，也不会对原来的变压器中性点接地和保护装置造成任何影响，保护装置的整定值也不需要重新设定。

(5)控制电路和控制算法简单，不需要进行正常状态和短路状态的切换，对故障保护的可靠性没有任何降低，性价比高，实用性强。

附图说明

图1为直流偏磁电流流通路径图。

图2为本发明直流偏磁抑制系统结构框图。

图3为本发明三相直流偏磁抑制绕组感应的交流基波电势图。

其中，1为一次侧三相绕组，2为三相直流偏磁抑制绕组，3为整流电路，4为交流电源，5为控制系统，501为比较器，502为比例器，TA₁为检测模块，TA₂为第二直流电流互感器，ACR为电流调节器，GT为晶闸管触发电路，L为平波电抗器，R为限流电阻。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

如图2所示，变压器直流偏磁抑制系统中，所述变压器包括一次侧三相绕组1及铁芯，所述一次侧三相绕组1缠绕在铁芯上，一次侧三相绕组1为三相星形联结且一次侧三相绕组1的中性点引出接地；包括三相直流偏磁抑制绕组2、整流电路3、交流电源4、检测模块TA₁和控制系统5，三相直流偏磁抑制绕组2的各相绕组分别与一次侧三相绕组1的各相绕组对应共铁芯且缠绕方向相反，三相直流偏磁抑制绕组2的各相绕组匝数均相等，三相直流偏磁抑制绕组2包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，第一相绕组的尾端、第二相绕组的首端、第二相绕组的尾端、第三相绕组的首端顺次相接形成三角形，该三角形对外引出两个端口(即第一相绕组的首端q与第三相绕组尾端p)并形成开口三角形，开口三角形对外引出的两个端口p和 q——第一相绕组的首端与第三相绕组尾端均与整流电路3的直流端电连接；整流电路3的交流端与交流电源4电连接；

检测模块TA₁用于采集一次侧三相绕组1某一相绕组的直流偏磁电流或直流磁通值并将采集到的信号传送至控制系统5；控制系统5 根据采样信号产生控制脉冲，以控制整流电路3输出至三相直流偏磁抑制绕组2的电流值为I_d，其中

，式中，N₁为一次侧三相绕组1的匝数，N₂为三相直流偏磁抑制绕组2的匝数，I_AN为一次侧三相绕组1某一相绕组的直流偏磁电流。

三相直流偏磁抑制绕组2与整流电路3之间还连有平波电抗器L 和限流电阻R。整流电路3输出的直流电流经过平波电抗器L平波和限流电阻R限流之后，再送入三相直流偏磁抑制绕组2的对应极性端。

所述整流电路3为单相整流电路、三相整流电路、晶闸管整流电路或IGBT整流电路等其他功率器件整流电路。

所述交流电源4为单相交流电源或三相交流电源。

所述交流电源4取自电网，或者所述交流电源4通过增设绕组从所述变压器中取电。

所述检测模块TA₁为第一直流电流互感器，所述控制系统5包括比较器501、比例器502、电流调节器ACR和晶闸管触发电路GT，所述整流电路3为晶闸管整流电路；第一直流电流互感器的输出端与比较器501的一输入端电连接，整流电路3的输出端依次通过第二直流电流互感器TA₂、比例器502后与比较器501的另一输入端电连接，比较器501的输出端依次通过电流调节器ACR、晶闸管触发电路GT 与整流电路3的控制端电连接；其中比例器502的比例系数为

；所述检测模块TA₁不限于直流电流互感器，也可为其他电流互感器 (如交直流电流互感器)，TA₁检测位置不限于变压器一次侧绕组，也可为其他位置(如变压器中性点接地线)；所述检测模块TA₂不限于直流电流互感器，检测位置不限于整流电路3直流侧，TA₂也可为交流电流互感器，检测位置也可为其他位置(如整流电路3交流侧)。

利用本发明所述变压器直流偏磁抑制系统进行直流偏磁抑制的方法包括以下步骤：

步骤A.检测模块TA₁采集变压器一次侧三相绕组1某一相绕组的直流偏磁电流或直流磁通值并将采集到的信号传送至控制系统5；

步骤B.控制系统5根据采样信号产生控制脉冲，以控制整流电路3输出至三相直流偏磁抑制绕组2的电流值为I_d，其中

，式中，N₁为一次侧三相绕组1的匝数，N₂为三相直流偏磁抑制绕组 2的匝数，I_AN为一次侧三相绕组1某一相绕组的直流偏磁电流。

本实施例中，在步骤A中，检测模块TA₁采集的信号为变压器一次侧三相绕组1某一相绕组的直流偏磁电流I_AN；

步骤B包括：

步骤B1.采集整流电路3输出至三相直流偏磁抑制绕组2的电流值I_d；

步骤B2.I_d乘以

后与I_AN进行比较得到差值信号，差值信号经过电流调节器ACR后产生晶闸管的触发控制角信号，该触发控制角信号使得晶闸管触发电路GT产生相应的控制脉冲信号，最终控制脉冲信号控制晶闸管整流电路3产生直流电流I_d。

下面对本发明的工作原理做进一步的说明。

直流磁动势平衡原理说明：

在图2中，设变压器一次侧三相绕组1的匝数为N₁，一次侧三相绕组1对应的三相直流偏磁电流分别为I_AN、I_BN和I_CN。三相直流偏磁抑制绕组2的匝数为N₂，三相直流偏磁抑制绕组2对应的三相直流偏磁电流分别为I_an、I_bn和I_cn。只要三相直流偏磁抑制绕组2所产生的直流磁动势与一次侧三相绕组1所产生的直流磁动势相平衡，即满足磁动势平衡方程(1)，则变压器铁芯中的直流合成磁动势将为 0，由直流合成磁动势所产生的直流合成磁通也将为0，从而消除了直流偏磁。

磁动势平衡方程为：

如图2所示，本实施例采用晶闸管整流电路3及相应的控制系统 5。图2中，由第一直流电流互感器TA₁采样得到变压器一次侧三相绕组1某相(如A相)的直流偏磁电流I_AN；由第二直流电流互感器 TA₂采样得到整流电路3输出的直流电流I_d，I_d乘以变压器匝数变比N₂/N₁得到I’_d，即将I_d折算到变压器一次侧三相绕组1匝数；I_AN和I’_d进行比较形成差值信号；差值信号经过电流调节器ACR产生晶闸管的触发控制角信号；控制角信号加到晶闸管触发电路GT的输入端使 GT产生相应的控制脉冲信号，控制脉冲信号使整流电路3产生相应的直流电流I_d；各相直流偏磁抑制绕组的电流都等于I_d，即 I_an＝I_bn＝I_cn＝I_d；I_an、I_bn和I_cn在三相直流偏磁抑制绕组2中产生相应的直流磁动势，满足磁动势平衡方程(1)，即可消除变压器直流偏磁。

三相直流偏磁抑制绕组2开口三角形端口基波电势为0的原理说明：

在图3中，由于三相直流偏磁抑制绕组2的各相匝数相等、相位相差120°，故感应的三相交流基波电势相量

和

大小相等，相位相差120°，即三相基波电势对称，其三相基波电势之和等于0，即三相基波电势相量构成一个闭合三角形，故p和q两端的交流基波电势相量等于三相交流基波电势相量之和，其值也等于0，即：

由于端口p和q之间的基波电势为0，故三相直流偏磁抑制绕组 2的基波电流也为0，三相直流偏磁抑制绕组2不需要考虑基波容量，使得其容量仅为一次侧三相绕组1额定容量的2％以下。这是本发明最重要的优势和特性。

由于端口p和q之间的基波电势为0，故整流电路3的直流侧不需要考虑基波电流的影响，降低了整流电路3的容量，同时也简化了整流电路3的结构，降低了控制系统5的复杂程度，并提高了直流偏磁抑制系统的工作可靠性。

本发明的直流偏磁电流或直流磁通不论采样何种方法获得，均应在本发明的保护范围之内。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种变压器直流偏磁抑制系统，所述变压器包括一次侧三相绕组(1)及铁芯，所述一次侧三相绕组(1)缠绕在铁芯上，一次侧三相绕组(1)为三相星形联结且一次侧三相绕组(1)的中性点接地；其特征在于，包括三相直流偏磁抑制绕组(2)、整流电路(3)、交流电源(4)、检测模块(TA₁)和控制系统(5)，三相直流偏磁抑制绕组(2)的各相绕组分别与一次侧三相绕组(1)的各相绕组对应共铁芯且缠绕方向相反，三相直流偏磁抑制绕组(2)的各相绕组匝数均相等，三相直流偏磁抑制绕组(2)包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，第一相绕组的尾端、第二相绕组的首端、第二相绕组的尾端、第三相绕组的首端顺次相接形成开口三角形，第一相绕组的首端与第三相绕组的尾端不闭合，且第一相绕组的首端与第三相绕组的尾端均与整流电路(3)的直流端电连接；整流电路(3)的交流端与交流电源(4)电连接；

检测模块(TA₁)用于采集一次侧三相绕组(1)某一相绕组的直流偏磁电流或直流磁通值并将采集到的信号传送至控制系统(5)；控制系统(5)根据采样信号产生控制脉冲，以控制整流电路(3)输出至三相直流偏磁抑制绕组(2)的电流值为I_d，其中

，式中，N₁为一次侧三相绕组(1)的匝数，N₂为三相直流偏磁抑制绕组(2)的匝数，I_AN为一次侧三相绕组(1)某一相绕组的直流偏磁电流。

2.如权利要求1所述的变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于，三相直流偏磁抑制绕组(2)与整流电路(3)之间还连有平波电抗器(L)和/或限流电阻(R)。

3.如权利要求1所述的变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于，所述整流电路(3)为单相整流电路、三相整流电路、晶闸管整流电路或IGBT整流电路。

4.如权利要求1所述的变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于，所述交流电源(4)为单相交流电源或三相交流电源。

5.如权利要求1所述的变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于，所述交流电源(4)取自电网，或者所述交流电源(4)通过绕组从所述变压器中取电。

6.如权利要求1所述的变压器直流偏磁抑制系统，其特征在于，所述检测模块(TA₁)为第一直流电流互感器，所述控制系统(5)包括比较器(501)、比例器(502)、电流调节器(ACR)和晶闸管触发电路(GT)，所述整流电路(3)为晶闸管整流电路；第一直流电流互感器的输出端与比较器(501)的一输入端连接，整流电路(3)的输出端依次通过第二直流电流互感器(TA₂)、比例器(502)后与比较器(501)的另一输入端连接，比较器(501)的输出端依次通过电流调节器(ACR)、晶闸管触发电路(GT)与整流电路(3)的控制端连接；其中比例器(502)的比例系数为

。

7.一种利用如权利要求1至6任一项所述变压器直流偏磁抑制系统进行直流偏磁抑制的方法，包括以下步骤：

步骤A.检测模块(TA₁)采集变压器一次侧三相绕组(1)某一相绕组的直流偏磁电流或直流磁通值并将采集到的信号传送至控制系统(5)；

步骤B.控制系统(5)根据采样信号产生控制脉冲，以控制整流电路(3)输出至三相直流偏磁抑制绕组(2)的电流值为I_d，其中

，式中，N₁为一次侧三相绕组(1)的匝数，N₂为三相直流偏磁抑制绕组(2)的匝数，I_AN为一次侧三相绕组(1)某一相绕组的直流偏磁电流。

8.如权利要求7所述进行直流偏磁抑制的方法，其特征在于，

在步骤A中，检测模块(TA₁)采集的信号为变压器一次侧三相绕组(1)某一相绕组的直流偏磁电流I_AN；

步骤B包括：

步骤B₁.采集整流电路(3)输出至三相直流偏磁抑制绕组(2)的电流值I_d；

步骤B₂.I_d乘以

后与I_AN进行比较得到差值信号，差值信号经过电流调节器(ACR)后产生晶闸管的触发控制角信号，该触发控制角信号使得晶闸管触发电路(GT)产生相应的控制脉冲信号，最终控制脉冲信号控制晶闸管整流电路(3)产生直流电流I_d。

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