CN203931772U - 一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器，包括电抗器和变压器，电抗器绕制在变压器旁柱上，变压器包括铁心和绕组；铁心包括第一旁柱、第二旁柱、主心柱以及两相磁性材料；利用绕组的特殊布置实现电抗器与变压器磁体集成，实现电感值可调用以无功补偿；通过建立电流传感器检测偏磁磁通，然后通过控制装置实现对该两相磁性材料在导磁功能和直流励磁功能之间的智能转换，完成对变压器的直流偏磁现象的“检测、控制和消除”。

Description

一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器

技术领域

本实用新型涉及电气工程领域，具体指一种集成了可控电抗器，可以实现直流偏磁补偿和无功补偿功能的具有智能特征的电力变压器。

背景技术

二十世纪七八十年代以来，随着超高压远距离输电系统的发展及电力系统负荷变化影响的加剧，电网中的无功功率消耗日益增大，无功功率不足是导致我国电能质量不高和浪费的重要因素。可控电抗器与电容器组并运行相互协调可以调节无功。所以在特高压或超高压，大容量的电网中，安装一定的无功补偿装置来控制无功潮流，稳定电网的运行电压。大量的理论研究和实践证明，调节电抗对于提高电力系统的运行性能有显著的作用，特别是可控电抗器的应用，其容量会随着传输功率的大小而自动变化，防止了线路一侧开关切合时所产生的过高的工频操作过电压及相应的暂态震荡过电压，同时也可以减少电网损耗、提高电能质量，带来了巨大的经济效益和社会效益。所以可控电抗器的研究越来越成为当今各国电力决策和电力设计人员的共同目标。

1965年英国通用电气公司制造了世界上第一台可控电抗器，1977~1978年，美国GE公司，西屋公司和BBC公司先后研制出采用晶闸管控制的静补装置、超高压TCT型静补装置、晶闸管控制电抗器(TCR)。1986年，原苏联提出了新型可控电抗器结构，从而使饱和式可控电抗器有了突破性进展，电抗器性能有了大大的改善。随后日本的研究人员提出了基于控制磁通原理正交磁心的可控电抗器；欧美一些国家也开始对可控电抗器进行研究。近些年来，国内外学者和科研机构对可控电器的研究，在许多方面都取得了成果，如基于PWM控制的可控电抗器、基于可控负载原理的变压器式可控电抗器、基于磁通控制原理的正交磁心式可控电抗器、超/特高压可控电抗器等。

国内对可控电抗器的研究主要集中在直流可控电抗器和交流可控电抗器上。在直流可控电抗器方面，武汉大学、上海交通大学和华北电力大学进行了深入的研究。在交流电抗器方面，浙江大学、华中科技大学展开了这个方面的研究。我国的原武汉水利电力大学于1990年开始对新型可控电抗器进行研究，并取得了一系列的研究成果。1977年研制成功了基于磁阀式可控电抗器的自动调谐消弧线圈，1988年开发出27.5KV电气铁路动态无功补偿的可控电抗器，目前正致力于更高电压等级、更大容量的可控电抗器的理论和应用研究。对特高压可控电抗器的研究还有湖南大学、西安交通大学、浙江大学、华中科技大学等高等院校，以及特变电工衡阳变压器有限公司、特变电工沈阳变压器有限公司和西安变压器有限公司等企业单位。

随着我国“西电东送，南北互供，全国联网”的电力发展总方针，直流输电技术将会成为全国电网互联主要解决途径，因此直流输电系统稳定运行对于整个电网的安全稳定具有重要作用。但随着大容量、长距离直流输电的应用，以大地返回方式运行的直流输电系统的接地极电流会通过变压器中性点流过变压器绕组，引起变压器直流偏磁现象。变压器中性点引入的直流电在变压器内部形成直流偏磁，可以使铁心磁通严重饱和，励磁电流高度畸变，产生大量谐波，噪声明显增大，金属构件损耗增加，无功损耗增加，严重时可能会导致局部过热现象，破坏绝缘，以致损坏变压器或降低寿命。

1989年3月13日，直流偏磁现象引起加拿大魁北克水力发电中断，美国东海岸发电站的大型升压变压器被毁，其中连接两个低压绕组导线的铜接线头烧毁，电网SVC装置的继电保护误动作，大量电容器退出运行，系统电压崩溃，最终失去9500MW负荷，电网解列了近9个小时。

1992年，美国专家以魁北克水电站Radisson/LG2联合体为对象，提出了几种抑制直流电流的方案，其方法是将中性线串联工频阻抗较小的电容器，以间隙、可触发间隙及MOV等实现中性点电容器的快速过电压保护，方案还配备有机械旁路开关。美国DEI公司1996年初开发了4套变压器隔直装置；2003年又根据SIEMENS公司提供的参数开发了10套变压器隔直装置，并用于靠近印度的一条HVDC终端站的变压器。此装置由1个4000uF（50Hz）隔直/通交电容器和2组反并联的大电流旁路通道以及机械开关旁路组成。

我国电力网存在直流偏磁问题。江苏500kV上河主变压器、三峡龙泉一江苏政平500kV直流输电系统中的常州武南变电站两组500kVA主变压器、贵广直流线路中春城站主变压器均受到直流偏磁的影响。申请者从1996年开始进行有关直流偏磁问题的研究，曾分析了2007年辽宁抚顺电力局胜利一次变电站 22万伏18万千伏安电力变压器出现的直流偏磁问题（检测到2-11安培偏磁电流、引起高达90分贝的噪声）。直流偏磁问题越来越得到我国学者的广泛关注，许多学者多年来也对直流偏磁问题开展研究及开发补偿装置。清华大学提出了一种小电阻装置用于变压器中性点直流偏磁的抑制。该装置主要由一无感电阻和间隙组成，并于2005年在现场进行了安装与测试，对抑制变压器中性线直流电流有明显效果。有学者介绍了变压器中性点注入反向直流电流的方法，其主要原理是电源经过调压器后再经过硅整流经辅助接地极和变压器中性点回路向变压器中性点注入反向直流电流。2007年有学者提出了一种基于电位补偿原理的校检变压器中性点直流电流的新方法，其原理是在变压器中性线中间串联一个小电阻，通过外部电源在该电阻上形成一个直流点位，以此调节变压器中性点的直流点位来达到减小流入变压器绕组直流电流的目的。国内也开展了电容隔直装置的研究与开发工作。华北电力大学、西安交通大学、浙江大学等高校也都做了大量工作，有效地抑制了变压器直流偏磁的影响。

但是，各种方法都存在一定的问题。小电阻限流法无法完全消除中性点直流电流，有时候不得不采用较大阻值的电阻，有可能影响主变压器中性点绝缘强度；电容隔直法虽然能够较好地消除中性点直流电流，但影响变压器的有效接地，对主变压器中性点绝缘强度要求较高，应对电网短路故障能力较差；中性点注入反向电流限制法需要另外建补偿接地极，补偿地极的选取极其困难。并且在远距离输电系统，补偿电流的效率将降低，直流发生器的功率将倍增，大电流入地也加重了地网负担，加速接地网腐蚀，应用成本极高；电位补偿法耗电量大，装置较昂贵，补偿地极的选取也较困难。

发明内容

发明目的：

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器，将可控电抗器作为电抗绕组集成于电力变压器，组成新的变压器铁心结构，从而达到由电力变压器自身实现直流偏磁和无功补偿的目的。

技术方案：

本实用新型是通过以下技术方案实施的：

一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器，包括电抗器和变压器，电抗器绕制在变压器旁柱上，其特征在于：电抗器包括左侧电抗器绕组和右侧电抗器绕组，左侧电抗器绕组绕制在变压器第一旁柱上、右侧电抗器绕组绕制在变压器第二旁柱上，并且左侧电抗器绕组和右侧电抗器绕组均是由匝数相等方向相反上下两段绕组串联组成；变压器包括铁心和绕组；铁心包括第一旁柱、第二旁柱、主心柱以及两相磁性材料，第一旁柱和第二旁柱设置在主心柱的两侧，两相磁性材料分别设置在第一旁柱和第二旁柱的外侧；绕组包括一次侧绕组、二次侧绕组以及补偿控制绕组，一次侧绕组和二次侧绕组绕制在变压器主心柱上；补偿控制绕组绕制在两相磁性材料上；补偿控制绕组与检测控制系统相连接，一次侧绕组的一次侧绕组引出线连接电流传感器。

右侧两相磁性材料的上部设有第一气隙，右侧两相磁性材料的下部设有第二气隙，第二旁柱的中部设有第三气隙；左侧两相磁性材料的上部设有第四气隙，左侧两相磁性材料的下部设有第五气隙，第一旁柱的中部设有第六气隙。

补偿控制绕组设置在两相磁性材料两侧。

优点和效果：

本实用新型利用两相材料的导磁、不导磁和充磁特性之间有效的转换。实现变压器具有几种功能的转变，如：可调电抗、无功调节、直流偏磁补偿。首先，通过电抗器绕组的特殊布置集成于变压器，既能达到与变压器绕组完全解耦目的又能实现电感可调的效果；其次，对于变压器自身，本实用新型不同传统电力变压器直流偏磁抑制方案，一方面，不会对变压器中性点产生任何影响，另一方面，无需选择补偿地极，对地网无任何腐蚀，特别的在远距离输电系统中，补偿效率更高。因此，不会因为偏磁电流的补偿而增加电力网安全运行隐患。在变压器内部建立有效的结构体系，实现抑制变压器直流偏磁的有效方法。在变压器电磁运行机理上提供抑制直流偏磁影响的能力，而不改变电力变压器外电路（特别是中性点）的连接，仅需要很小的直流，就能够产生较强的补偿磁通。从根本上解决了直流偏磁问题，并能够保证变压器安全运行。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

附图标记说明：

1、电抗器，2、变压器，3、左侧电抗器绕组，4、右侧电抗器绕组，5、第一旁柱，6、第二旁柱，7、主心柱，8、两相磁性材料，9、一次侧绕组，10、二次侧绕组，11、补偿控制绕组，12、检测控制系统，13、电流传感器， 14、一次侧绕组引出线，15、第一气隙，16、第二气隙，17、第三气隙，18、第四气隙，19、第五气隙，20、第六气隙。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行具体说明：

本实用新型提出了一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器，通过变压器、电抗器与控制系统的结合，形成具有直流偏磁补偿和无功补偿能力的节能型智能电力变压器。该变压器通过检测、控制系统实时检测电网无功状态和变压器遭受直流偏磁的情况，当系统检测出需要变压器对电网无功进行调节以及对直流偏磁做出补偿时，控制两相磁性材料在导磁和直流励磁功能之间的转换，完成变压器对无功补偿以及直流偏磁的“检测、控制和消除”。这种新型的变压器集成可控电抗器于一体，即具有变压器自身变压的作用；而且通过自身内在磁状态的自我调节实现直流偏磁补偿的功能；最后，能够发挥可控电抗器用以调节线路的无功分布的能力，很好的实现了无功补偿、谐波滤除目的。另外该变压器完全取消了传统变压器在外电路引入的直流偏磁补偿和消除装置、避免了对电力变压器中性点接地连接方式的任何改变，保证了变压器中性点的安全接地，进而能够保证变压器安全的运行。

本实用新型的工作原理：

首先，通过绕组的特殊布置将可控电抗器作为电抗绕组集成于电力变压器，既能实现电抗器与变压器磁体集成、绕组解耦和减小装备占地目的、又能达到利用可控电抗器调节无功的目的。其次，采用了新型的两相磁性材料，组成新的变压器铁心结构，通过建立检测系统、控制绕组实现对该两相磁性材料在导磁功能和直流励磁功能之间的智能转换，完成对变压器的直流偏磁现象的“检测、控制和消除”。从而达到由电力变压器自身实现主流偏磁补偿的目的。

当电力系统需要无功补偿时，将无功分量送入检测控制系统12，检测控制系统12向补偿控制绕组发出直流电流，产生电力系统需要的无功分量，进行补偿。当变压器2发生直流偏磁现象时，通过电流传感器13将直流偏磁电流信号送入检测控制系统12，然后检测控制系统12向补偿控制绕组11发出直流电流，产生与偏磁电流相反的补偿磁通来抑制直流偏磁，由于第二气隙16和第四气隙18的存在，使补偿磁通不会流入第一旁柱5和第二旁柱6内，最终使补偿、抑制过程在主心柱7中完成；当变压器2直流偏磁消失或是无直流偏磁现象时，通过电流传感器13将检测信号送入检测控制系统12，检测控制系统12产生单相正弦交流电压将两相磁性材料8进行退磁。由于第三气隙17的存在，使得变压器2正常工作时产生的交流磁通不会对补偿磁路产生影响。

本实用新型提供的该种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器，如图1中所示，所述新型电力变压器包括电抗器1和变压器2两部分，电抗器1绕制在变压器2旁柱上，其特征在于：电抗器1包括左侧电抗器绕组3和右侧电抗器绕组4，左侧电抗器绕组3绕制在变压器第一旁柱5上、右侧电抗器绕组4绕制在变压器第二旁柱6上，并且左侧电抗器绕组3和右侧电抗器绕组4均是由匝数相等方向相反上下两段绕组串联组成，这样设置可以使变压器与电抗器完全解耦、电感值可调、而且不占用额外空间、显著降低损耗；变压器2包括铁心和绕组；铁心包括第一旁柱5、第二旁柱6、主心柱7以及两相磁性材料8，第一旁柱5和第二旁柱6设置在主心柱7的两侧，两相磁性材料8分别设置在第一旁柱5和第二旁柱6的外侧；绕组包括一次侧绕组9、二次侧绕组10以及补偿控制绕组11，一次侧绕组9和二次侧绕组10绕制在变压器主心柱7上；补偿控制绕组11绕制在两相磁性材料8上；补偿控制绕组11与检测控制系统12相连接，一次侧绕组9的一次侧绕组引出线14连接电流传感器13。

右侧两相磁性材料8的上部设有第一气隙15，右侧两相磁性材料8的下部设有第二气隙16，第二旁柱6的中部设有第三气隙17；左侧两相磁性材料8的上部设有第四气隙18，左侧两相磁性材料8的下部设有第五气隙19，第一旁柱5的中部设有第六气隙20。

补偿控制绕组11设置在两相磁性材料8两侧，检测控制系统12与补偿控制绕组11连接；变压器一次侧绕组9、二次侧绕组10正常工作。

本实用新型这种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器，通过特殊的绕组排布与反向绕制实现变压器与可控电抗器的集成，具有变压器与电抗器完全解耦、电感值可调、不占用额外空间以及降低损耗的显著特点。对于直流偏磁补偿装置，建立电流传感器检测偏磁磁通，然后通过控制装置实现对该两相磁性材料在导磁功能和直流励磁功能之间的智能转换，完成对变压器的直流偏磁现象的“检测、控制和消除”。具有变压器自身补偿直流偏磁和无功调节的能力，降低变压器损耗，节能效果明显，取得一定的经济效益，对整个电力系统具有重大的实际意义，为智能化电网安全运行提供一种节能型智能化电力设备。

Claims (3)

1.一种兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器，包括电抗器（1）和变压器（2），电抗器（1）绕制在变压器（2）旁柱上，其特征在于：电抗器（1）包括左侧电抗器绕组（3）和右侧电抗器绕组（4），左侧电抗器绕组（3）绕制在变压器第一旁柱（5）上、右侧电抗器绕组（4）绕制在变压器第二旁柱（6）上，并且左侧电抗器绕组（3）和右侧电抗器绕组（4）均是由匝数相等方向相反上下两段绕组串联组成；变压器（2）包括铁心和绕组；铁心包括第一旁柱（5）、第二旁柱（6）、主心柱（7）以及两相磁性材料（8），第一旁柱（5）和第二旁柱（6）设置在主心柱（7）的两侧，两相磁性材料（8）分别设置在第一旁柱（5）和第二旁柱（6）的外侧；绕组包括一次侧绕组（9）、二次侧绕组（10）以及补偿控制绕组（11），一次侧绕组（9）和二次侧绕组（10）绕制在变压器主心柱（7）上；补偿控制绕组（11）绕制在两相磁性材料（8）上；补偿控制绕组（11）与检测控制系统（12）相连接，一次侧绕组（9）的一次侧绕组引出线（14）连接电流传感器（13）。

2.根据权利要求1所述的兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器，其特征在于：右侧两相磁性材料（8）的上部设有第一气隙（15），右侧两相磁性材料（8）的下部设有第二气隙（16），第二旁柱（6）的中部设有第三气隙（17）；左侧两相磁性材料（8）的上部设有第四气隙（18），左侧两相磁性材料（8）的下部设有第五气隙（19），第一旁柱（5）的中部设有第六气隙（20）。

3.根据权利要求1所述的兼具直流偏磁及无功补偿功能的新型电力变压器，其特征在于：补偿控制绕组（11）设置在两相磁性材料（8）两侧。