陳 煒 朱成龍

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

變壓器直流偏磁的抑制方法研究

陳 煒 朱成龍

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

介紹了現(xiàn)有的變壓器直流偏磁抑制方法，包括變壓器中性點(diǎn)串小電阻法、電位補(bǔ)償法、電容隔直法及直流電流反向注入法，并對其進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從而選擇了電位補(bǔ)償法來研制變壓器直流偏磁抑制裝置，最后對該裝置進(jìn)行了仿真研究。

直流偏磁；抑制；電位補(bǔ)償法；仿真

0 引言

直流偏磁指的是在變壓器運(yùn)行過程中，勵磁電流中含有直流的部分，而這些直流分量的存在，使得變壓器鐵芯呈現(xiàn)正負(fù)半周不對稱飽和，由此引起的一系列電磁效應(yīng)。當(dāng)變壓器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象時，變壓器的勵磁電流高度會發(fā)生嚴(yán)重畸變，鐵芯磁通將處于過度飽和狀態(tài)，持續(xù)一段時間的話，會產(chǎn)生一定的噪聲，導(dǎo)致變壓器本身及無功功率的損耗，更有甚者會導(dǎo)致局部過熱，以致絕緣層遭到破壞，從而使變壓器使用壽命大大降低或直接損壞。本文對現(xiàn)有的直流偏磁電流抑制措施進(jìn)行了總結(jié)，主要包括變壓器中性點(diǎn)串小電阻法、電位補(bǔ)償法、電容隔直法及直流電流反向注入法等，并對其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

1 現(xiàn)有抑制方法

1.1 變壓器中性點(diǎn)串小電阻法

當(dāng)兩臺變壓器中性點(diǎn)直接接地時，會通過大地構(gòu)成直流回路，于是有直流電流流經(jīng)中性點(diǎn)接地線。直流電流大小只與電阻元件以及元件間電位差有關(guān)。直流電阻包括存在于變壓器各相繞組的等效直流電阻、接地網(wǎng)直流電阻、變壓器連接線的直流電阻；同時，直流電流的大小還與兩臺變壓器的中性點(diǎn)電位差有關(guān)。因?yàn)槿嘭?fù)荷不對稱，以及三相線路等效阻抗值不對稱，即使電力系統(tǒng)處于正常工況，系統(tǒng)中性點(diǎn)也會有不平衡電流，其數(shù)量級為幾個安培，對系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行沒有影響；但是在發(fā)生接地故障時，中性點(diǎn)電流值可能會突變到數(shù)十千安。這種情況下，在中性點(diǎn)串入電阻可以大幅度減小故障電流的幅值，但是，電流流過電阻就會產(chǎn)生電壓差，這會使得變壓器中性點(diǎn)對地電位相比不串接電阻時高很多。在中性點(diǎn)串聯(lián)電阻可以抑制直流偏置電流，降低系統(tǒng)諧振的幾率，但是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時電阻容易被燒毀或者遭遇雷擊。

1.2 電位補(bǔ)償法

其原理是在變壓器中性線中間串一小電阻(0.5～2.0 Ω)，通過一外部電源在該電阻上形成一直流電位，以此調(diào)節(jié)變壓器中性點(diǎn)的直流電位來達(dá)到減小流入變壓器繞組直流電流的目的，該電阻同樣需要保護(hù)旁路。

1.3 電容隔直法

電容隔直法是指將變壓器的中性點(diǎn)通過電容與大地相連，有效隔斷直流電流。主變壓器中性點(diǎn)安裝電容后，在單相接地故障發(fā)生在主變壓器高壓側(cè)的情況下，電流通過大型主變壓器中性點(diǎn)時，會生成一個高幅值的暫態(tài)電壓。當(dāng)電容兩端的電壓超過一定限值時，可以通過保護(hù)動作將電容旁路掉，來限制這一暫態(tài)電壓的幅值。所以系統(tǒng)中不需要大型電容器承受大故障電流，這樣一來，節(jié)省了安裝空間，降低了成本，也消除了對主變中性點(diǎn)絕緣的有害威脅。故障消除后，電流旁路保護(hù)自動回到正常狀態(tài)，電容器又處于投入運(yùn)行。保護(hù)間隙的作用是：當(dāng)電容或其他設(shè)備發(fā)生故障時，若超過放電電壓則保護(hù)間隙放電，保護(hù)變壓器的絕緣。如果主變壓器中性點(diǎn)電容器損壞或發(fā)生故障，則放電間隙旁路掉保護(hù)裝置以及電容，相當(dāng)于變壓器中性點(diǎn)直接接地。同理，也可以通過這樣的操作，實(shí)現(xiàn)電容器或電流旁路保護(hù)裝置的維修。

1.4 反向注入法

當(dāng)有侵入電流入侵變壓器中性點(diǎn)時，可以利用可控直流源，經(jīng)調(diào)壓器調(diào)壓后，再經(jīng)硅整流至輔助接地極，通過變壓器中性線，注入反向直流電流。

2 典型技術(shù)方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

上述4種直流偏置電流的抑制方法，按接入方式劃分可以分為兩類：一類是間接法，串小電阻、電位補(bǔ)償以及電容隔直屬于這一類。采用這類方法，必須在變壓器與變電所接地電網(wǎng)中間串入保護(hù)設(shè)備，如旁路裝置、放電間隙、整流逆變裝置等。第二類是直流電流注入方法，它不改變變壓器中性點(diǎn)接地方式。

相比其他限流方法，電位補(bǔ)償法具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，它可以保持變壓器中性點(diǎn)有效接地，完全消除變壓器中性點(diǎn)的直流電流。其次，它串入的小電阻阻值相比較小電阻限流法要小得多，因此其能量損耗也相對較小，并且對繼電保護(hù)的影響及對變壓器中性點(diǎn)電位的增大程度較小。再次，它雖然需要配置直流電流源，是有源設(shè)備，但是它不需要建立另一個輔助接地極(網(wǎng))，因此不用考慮接地極釋放的電流對周圍環(huán)境的腐蝕作用。這一點(diǎn)要絕對優(yōu)于反向注入直流電流法。

本文推薦采用電位補(bǔ)償法，并就此做了仿真研究。

3 仿真研究

最終擬研制基于電位補(bǔ)償法的直流偏磁抑制裝置，如圖1所示。

圖1 電位補(bǔ)償法示意圖

3.1 雙向可控直流電源技術(shù)方案

通過12脈波SCR半控整流電路將低壓交流電壓整流為直流，通過SCR觸發(fā)角度的控制輸出可變的直流電壓，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求可靈活調(diào)節(jié)直流電位大小和極性。該方案具有電路結(jié)構(gòu)和控制簡單、可靠性高、容量大、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 仿真系統(tǒng)原理圖

圖2所示為受到直流偏磁影響的交流系統(tǒng)模擬圖，外加5 V直流電壓，通過可調(diào)電阻輸出可變直流電壓，模擬直流偏磁程度，偏磁抑制裝置根據(jù)檢測直流電流信號，通過內(nèi)置的控制算法進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，并維持直流偏磁電流在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖2 仿真系統(tǒng)原理圖

3.3 仿真結(jié)果

直流偏磁抑制裝置的控制目標(biāo)是將變壓器中性線電流限制在規(guī)定范圍(±3 A)內(nèi)。圖3所示為直流偏磁抑制仿真結(jié)果圖。

圖3 仿真結(jié)果

圖3中mag代表的是變動的電壓源(為了產(chǎn)生變動的電流，模擬直流偏磁量)，E1代表的是12脈動晶閘管橋式半控整流電路直壓側(cè)經(jīng)過雙向開關(guān)后的電壓，Is代表的是直流偏磁電流量，也就是控制目標(biāo)(±3 A范圍內(nèi))，α代表的晶閘管觸發(fā)角，晶閘管的觸發(fā)角導(dǎo)通范圍是0°～180°，觸發(fā)角0°在橋式電路中指的是實(shí)際電路的自然換相角，即實(shí)際電路的30°，圖中觸發(fā)角從210°開始減小，隨著觸發(fā)角的減小，輸出的直流電壓不斷增加，從而控制串聯(lián)在變壓器中性線上的0.5 Ω電阻上的電壓大小。

從圖中可以看出，在0.5 s時直流偏磁量控制電壓源電壓mag突然正向增大，模擬交流系統(tǒng)附近的HVDC系統(tǒng)發(fā)生單極運(yùn)行方式，使直流偏磁電流Is突然增加。控制電路檢測到Is絕對值大于3 A，將迅速根據(jù)設(shè)定控制策略調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角減小，使直流電壓E1迅速增大，Is減小，直到E1電位完全補(bǔ)償直流偏磁量，Is處于規(guī)定的范圍內(nèi)為止。

4 結(jié)語

高壓直流輸電單極大地回路運(yùn)行產(chǎn)生的地電流會導(dǎo)致變壓器直流偏磁，干擾變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文介紹了變壓器中性點(diǎn)串小電阻法、電位補(bǔ)償法、電容隔直法及直流電流反向注入法。經(jīng)過比較，本文推薦使用電位補(bǔ)償法，并對其進(jìn)行仿真研究，結(jié)果證明，電位補(bǔ)償法能有效抑制直流偏磁效應(yīng)。

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2014-07-22

陳煒(1992—)，男，福建福州人，研究方向：電氣設(shè)備的故障與檢測。