尹忠東，王帥，王書瑤

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206）

0 引 言

地磁風(fēng)暴和高壓直流輸電單極大地運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的地電流可能會(huì)使地面上的交流變壓器發(fā)生直流偏磁。尤其是后者，隨著全國范圍內(nèi)直流輸電工程的大量投入運(yùn)行，發(fā)生直流偏磁的交流變壓器也越來越多［1-4］。

交流變壓器發(fā)生直流偏磁時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量諧波，噪聲以及熱損耗，甚至導(dǎo)致變壓器損壞，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運(yùn)行［5-7］。因此對(duì)變壓器直流偏磁抑制裝置的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，國內(nèi)關(guān)于抑制直流偏磁的方法包括變壓器中性點(diǎn)串小電阻法、電容隔直法、直流電流反向注入法、電位補(bǔ)償法、輸電線串電容法、改善電網(wǎng)中的直流分布、降低變壓器的運(yùn)行工作點(diǎn)［6-8］等，應(yīng)用最多的是前四種方法。

四種方法中，中性點(diǎn)串小電阻法具有電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但不能徹底的抑制中性線電流，且小電阻的串入會(huì)使中性點(diǎn)發(fā)生偏移，對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生影響；電容隔直法具有相似的問題；反向電流注入法通用性好，且不會(huì)使中性點(diǎn)發(fā)生偏移，但是裝置結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，前期投資以及后期維護(hù)成本都極高；電位補(bǔ)償法能徹底抑制中性點(diǎn)直流電流，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度適中，前期投資和后期維護(hù)較反向電流注入法少，更具普適性。

當(dāng)前基于中性點(diǎn)串小電阻方法和電容隔直法抑制直流偏磁的裝置都已經(jīng)有投入運(yùn)行的工程實(shí)例。就效果而言，中性點(diǎn)串小電阻的方法只能抑制部分直流電流，且對(duì)小電阻的選取具有一定限制要求；電容隔直法對(duì)直流偏磁的抑制效果較明顯，但是旁路保護(hù)電路復(fù)雜；電位補(bǔ)償法尚未有相關(guān)的樣機(jī)以及相應(yīng)的工程實(shí)例［9-13］。

本文基于電位補(bǔ)償?shù)脑恚O(shè)計(jì)了抑制直流偏磁電流的新型裝置，在此基礎(chǔ)上制作了樣機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬試驗(yàn)，結(jié)果良好。

1 抑制方法原理及主拓?fù)湓O(shè)計(jì)

1.1 電位補(bǔ)償法原理

借助圖1介紹電位補(bǔ)償法原理。用一個(gè)可調(diào)直流源Us模擬產(chǎn)生直流偏磁電流的電勢；R2表示直流偏磁電流流經(jīng)的大地電阻、變壓器電阻以及交流輸電線路電阻加和的等效電阻；T1、T2表示發(fā)生直流偏磁的變壓器。圖1中虛線框表示直流偏磁抑制裝置，其可等效為由中性線電流Is控制的受控電流源。

圖1 電位補(bǔ)償原理Fig.1 Theory of electric potential compensation

正常情況下，Us為零，旁路開關(guān)K閉合，變壓器T1，T2中性點(diǎn)直接接地。當(dāng)Us不為零時(shí)，則在變壓器中性線上會(huì)產(chǎn)生偏磁電流Is，當(dāng)Is超過某一設(shè)定值時(shí)，旁路開關(guān)K斷開，補(bǔ)償裝置投入。此時(shí)圖1電路簡化為圖2。

圖2 等效電路Fig.2 Equivalent circuit

在圖2中：

除受控源以外的部分電路由KVL得：

對(duì)于節(jié)點(diǎn)1，由KCL得：

式（1）～式（2）中 Us是可調(diào)的直流源；I（Is）是關(guān)于Is的函數(shù)，表征受控電流源與Is的關(guān)系。

由式（1），式（2）可得：

由式（3）知，當(dāng)兩臺(tái)交流變壓器之間沒有直流電流（即Is=0時(shí)），直流偏磁得到有效抑制。此時(shí)抑制裝置在R1兩端補(bǔ)償?shù)碾娢慌c偏磁直流源電位大小相等，這就是電位補(bǔ)償法的原理。

1.2 基于電位補(bǔ)償法的直流偏磁抑制裝置拓?fù)?/h3>

本文提出了基于12脈波晶閘管半控整流結(jié)合雙向轉(zhuǎn)換開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流偏磁抑制裝置。裝置采用電位補(bǔ)償法，通過控制裝置中晶閘管的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏磁電流的抑制。

主電路拓?fù)淙鐖D3所示：包括12脈波整流電路、濾波電路、保護(hù)電路、極性轉(zhuǎn)換開關(guān)和裝置旁路保護(hù)電路五部分。12脈波整流電路由兩個(gè)6脈波整流電路串聯(lián)構(gòu)成，輸出電壓等級(jí)高，波動(dòng)小；濾波電路由電感L2和電容C構(gòu)成，使輸出直流電壓更平穩(wěn)；雙向開關(guān)K1可使抑制裝置實(shí)現(xiàn)電位的雙向補(bǔ)償；補(bǔ)償電阻為R1；保護(hù)電路由二極管D2、D3，扼流線圈L1構(gòu)成，能有效防止交流母線發(fā)生短路時(shí)，短路電流損壞整流電路器件；極性轉(zhuǎn)換開關(guān)根據(jù)檢測到的中性線電流的方向動(dòng)作，保證裝置能抑制不同方向的偏磁電流；旁路保護(hù)電路主要由放電氣隙K2和繼電器K3組成，當(dāng)K2被擊穿時(shí)，K3閉合，在交流系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)保護(hù)整個(gè)抑制裝置不被損壞。實(shí)際上二極管保護(hù)電路和裝置旁路保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)抑制裝置關(guān)鍵器件的雙重保護(hù)。

圖3 直流偏磁抑制裝置主拓?fù)銯ig.3 Main topology of the restrain device for dc magnetic bias

該裝置優(yōu)點(diǎn)在于電路結(jié)構(gòu)和控制簡單、可靠性高、容量大、成本低，實(shí)現(xiàn)偏磁電流的完全抑制，且具有普遍適用性。

整個(gè)裝置通過A、B兩個(gè)接線端與變壓器的中性線相連接，且A端接變壓器中性點(diǎn)，B端直接接地。

2 抑制裝置參數(shù)計(jì)算與控制

2.1 抑制裝置元件參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)

裝置中整流變壓器、雙橋12脈動(dòng)整流器中晶閘管和二極管以及保護(hù)電路中的二極管的參數(shù)，是在未施加旁路保護(hù)電路的條件下，通過仿真分析交流側(cè)母線發(fā)生短路故障時(shí)各器件的電壓和電流波形確定的，這里不做詳細(xì)敘述。本文著重分析抑制裝置中旁路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)及其必要性。

設(shè)該抑制裝置要應(yīng)用于某高壓變電站，變電站變壓器的型號(hào)為3x（ODFPS-250000/500）。當(dāng)交流母線發(fā)生單相接地時(shí)，變壓器中性線電流最大為：

式中I0tr是最大暫態(tài)電流；Ir是變壓器額定電流。

該型號(hào)變壓器短路阻抗比按12%計(jì)算；最大暫態(tài)電流按照其穩(wěn)態(tài)值的1.8倍估算。該型號(hào)變壓器額定電流為866 A，則代入式（4）得到變壓器中性線中的最大電流為：

由于電阻R1為1Ω，該電阻上最大壓降為：

對(duì)于12脈動(dòng)整流電路，考慮輸出直流電位范圍為（-400，+400）V，因此整流橋輸出的最大電流為：

由式（6）和式（7），得到在未加旁路保護(hù)電路的情況下，當(dāng)交流母線短路時(shí)通過裝置的交流電流的有效值不能超過Idc，因此有：

把式（6）與式（7）代入式（8）得：

由式（8）、式（9），未加旁路保護(hù)電路時(shí)，裝置需要大容量的扼流電抗，這無論是從工藝制造還是從經(jīng)濟(jì)性考慮都不合理，因此有必要設(shè)計(jì)旁路保護(hù)電路。

旁路保護(hù)電路采用的是放電間隙和保護(hù)繼電器相結(jié)合的方法，避免了傳統(tǒng)抑制裝置中反并聯(lián)晶閘管的應(yīng)用，降低了成本和控制電路。繼電器的電流互感器安裝在放電間隙支路。當(dāng)交流母線發(fā)生短路故障時(shí)，放電間隙擊穿，然后繼電器快速閉合，使整個(gè)抑制裝置旁路。

設(shè)定一次電流大于2 000 A時(shí)，繼電器閉合。則放電間隙擊穿前，1Ω電阻兩端電壓為2 000 V，此時(shí)按照式（7）和式（8）計(jì)算得扼流電感為：

對(duì)比式（9）和式（10），旁路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，大大減小了所需扼流電感的數(shù)值和容量，同時(shí)降低了對(duì)主電路部分元器件參數(shù)的選取要求，提高整個(gè)裝置的性價(jià)比。

2.2 直流偏磁抑制裝置控制設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置的控制包括12脈動(dòng)晶閘管橋式半控整流電路的控制、雙向開關(guān)K1的控制和保護(hù)開關(guān)K的控制。

裝置的控制目標(biāo)和采集信號(hào)都是變壓器的中性線電流Is。具體的控制流程如圖4所示。將實(shí)時(shí)采集的中性線電流信號(hào)Is傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，對(duì)Is進(jìn)行大小判斷，如果Is超出了所要求的范圍，則認(rèn)為發(fā)生了直流偏磁；與此同時(shí)對(duì)Is進(jìn)行方向判斷，設(shè)電流由A流向B為正，由B到A為負(fù)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雙向開關(guān)的閉合方式；而后，控制電路產(chǎn)生信號(hào)觸發(fā)整流橋中的晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)角的不斷減小會(huì)使直流側(cè)電壓不斷增大，最終使得抑制裝置輸出在電阻R1兩端的電壓與偏磁電動(dòng)勢相等，這樣就實(shí)現(xiàn)了電位補(bǔ)償，抑制了變壓器中性線上的偏磁電流Is。

圖4 抑制裝置控制流程Fig.4 Control flow chart of the restrain device

3 仿真與試驗(yàn)

基于補(bǔ)償原理和控制流程，在PSCAD/EMTDC軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Parameters for the simulation

仿真用可調(diào)直流源模擬產(chǎn)生偏磁電流的電勢，該可調(diào)直流源的輸出如圖5所示。

圖5 U s電壓波形圖Fig.5 Waveform diagram of voltage U s

圖6是變壓器中性線中的電流Is的變化波形。在0.5 s時(shí)刻，Us突變?yōu)?0 V，此時(shí)Is大于之前設(shè)定的3 A，裝置判斷變壓器發(fā)生了直流偏磁，開關(guān)K斷開，此時(shí)判斷Is的方向，判斷結(jié)果為正，雙向開關(guān)上路閉合，經(jīng)過延時(shí)后，脈沖觸發(fā)電路分配脈沖給晶閘管。經(jīng)過0.14 s，Is被控制在了3 A內(nèi)；在1.5 s時(shí)刻可調(diào)直流源Us變?yōu)? V，表示直流偏磁消失，檢測到Is會(huì)出現(xiàn)反向，晶閘管觸發(fā)角信號(hào)復(fù)位，閉鎖脈沖，旁路開關(guān)K閉合，系統(tǒng)恢復(fù)正常。同理在2 s時(shí)刻，系統(tǒng)發(fā)生負(fù)向直流偏磁，補(bǔ)償與前面類似，不做復(fù)述。

圖6 中性線電流I s波形Fig.6 Waveform diagram of the neutral line current I s

圖7 試驗(yàn)主接線Fig.7 Main wiring for the experiment

表2 試驗(yàn)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters for the experiment

根據(jù)仿真計(jì)算所得參數(shù)以及控制流程，制作了直流偏磁抑制裝置樣機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了物理模擬試驗(yàn)。主接線如圖7所示，參數(shù)見表2。主接線中電阻R3的目的是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，為中性點(diǎn)電流的檢測提供通路：當(dāng)極性調(diào)節(jié)開關(guān)K3斷開時(shí)，偏磁電流消失，此時(shí)若無R3存在，則變壓器T1中性點(diǎn)上檢測不到反向電流，控制會(huì)失穩(wěn)。在實(shí)際工程中該電阻可等效為兩變壓器接地中性線之間的大地電阻。

試驗(yàn)通過調(diào)整T3，使裝置未投入時(shí)，變壓器中性線上的直流電流大于3 A。裝置投入運(yùn)行后，檢測到裝置輸出電流波形如圖8所示。

從圖8（基準(zhǔn)值為50 A）可知，該直流偏磁抑制裝置能夠在檢測到偏磁電流超標(biāo)后，在0.2 s內(nèi)快速動(dòng)作，并在0.4 s左右將偏磁電流抑制到規(guī)定的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了裝置的可行性。注意到圖8中，在15.8秒左右有小峰值，經(jīng)分析，為抑制裝置柜內(nèi)電容放電形成，不會(huì)對(duì)裝置造成不良后果。

圖8 裝置輸出的電流波形Fig.8 Output current wave form by the device

經(jīng)測量中性線偏磁電流，裝置未投入時(shí)偏磁電流為9.10 A，裝置投入運(yùn)行后，中性線電流減小為2.68 A，滿足小于3 A的工程實(shí)際要求，且該結(jié)果與電路理論計(jì)算結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

4 結(jié)束語

變壓器直流偏磁會(huì)對(duì)變壓器本身乃至整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來諸多不利影響。因此，對(duì)于抑制直流偏磁的方法和裝置的研究顯得尤為重要。本文分析了基于電位補(bǔ)償法抑制變壓器直流偏磁的原理，提出了基于電位補(bǔ)償發(fā)抑制變壓器直流偏磁主電路拓?fù)?，并且分析?jì)算了主要元件參數(shù)和控制流程，最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證以及實(shí)驗(yàn)室條件下的物理模擬實(shí)驗(yàn)，且仿真和試驗(yàn)效果良好。為當(dāng)前變壓器直流偏磁抑制的工程實(shí)踐提供了借鑒。