CN106340854A - 一种抑制交流变压器中性点直流电流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抑制交流变压器中性点直流电流的装置，包括隔直电容器、旁路保护电路和控制电路；隔直电容器的一端连接至交流变压器中性点，隔直电容器的另一端接地；旁路保护电路包括n个旁路保护单元，依次并联在所述隔直电容器的两端；控制电路的正输入端连接至交流变压器中性点，控制电路的负输入端接地，控制电路的控制信号输出端连接至旁路保护电路的控制端，控制电路的输出端用于连接外部的交流***。由于现有技术中机械开关本身重合闸时间长，动作次数有限导致整个装置寿命短、性能差；而本发明提供的装置省去了机械开关，提高了隔直装置寿命和性能。

Description

一种抑制交流变压器中性点直流电流的装置

技术领域

本发明属于电力***领域，具体是涉及到一种抑制交流变压器中性点直流电流的装置。该装置可以抑制直流电流通过交流变压器中性点流入电网，从而提高交流变压器以及电网的安全性与可靠性。

背景技术

随着高压直流输电(HVDC)的大力发展，当直流***采用单极大地回路或者双极不对称回路方式运行时，大地中产生的直流电流将会流入交流变压器中性点导致交流变压器产生直流偏磁。直流偏磁会使交流变压器产生振动、噪声加剧、温度升高、无功功率消耗和谐波增加等危害，同时谐波增加可能造成电力***继电保护***误动。因此关于交流变压器中性点流入直流电流而导致的直流偏磁问题的研究一直非常重视。目前抑制交流变压器直流偏磁方案大致分为三类。第一类是反向注入电流法，实施方案是在交流变压器中性点和大地之间加入可控电压源或者电流源，通过动态测量直流电流，实时提供反向的电流。但该方案由于工程量较大，建设价格和维护成本较高。第二类是中性点串联电阻法，实施方案是在交流变压器中性点和大地之间加入整定电阻，该方案原理简单，成本低。但也存在明显缺点，例如会对继电保护***产生影响，当电网结构改变，电阻需要重新整定，且该方案只能减小直流电流不能消除。第三类是中性点串电容法，实施方案是在交流变压器中性点和大地之间加入电容器(简称隔直电容器)，该方案可以保证中性点有效的接地，但同时需要防止当交流***故障时，巨大的短路电流流过中性点，在隔直电容器上产生高暂态电压会损坏隔直电容器，同时抬高交流变压器中性点点位可能损坏交流变压器。

三类抑制直流电流的方法各有优缺点。综合考虑抑制效果和成本以及维护等因素，第三类是中性点串电容法应用范围广。

HVDC单极大地运行情况，一般是在其***调试、运行初期或故障情况下才出现，因此出现的频率不是很高，故正常情况下隔直装置的隔直电容器可以不投入。当检测到交流变压器中性点含有直流电流时自动投入隔直电容器，投入后如果交流***同时发生不对称故障，则隔直装置中电容器保护装置动作，隔离隔直电容器。待故障电流消失后，旁路保护装置退出，隔直电容器重新投入运行。为了快速保护，一般采用高压大功率电力电子开关器件作为第一时间旁路元件，同时机械开关作为主要和后续旁路元件，这样成本低可靠性高。

在目前的中国大中城市中，地铁等轨道交通因为运输能力强、快捷准点等优点得到了大力的发展，当前绝大部分的地铁交通都采用直流牵引双边供电方式。在地铁运行过程中，地铁牵引变电所通过架空接触网向地铁沿线运输电能，机车通过受电弓(集电靴)与架空接触网(接触轨)滑动接触而获得电能，再经由与机车接触的走行轨道回流至地铁牵引变电所。由于轨道与大地之间难以做到完全绝缘，因此牵引负荷电流并非全部沿电流机车的走行轨道返回地铁牵引变电所，而必定有一部分电流在钢轨和大地绝缘较差的地方泄露流入大地，形成杂散电流。随着城市中轨道交通的不断增加，杂散电流也会不断变大，也越来越复杂。当这部分杂散电流流入交流变压器中性点时，会导致隔直装置频繁动作，特别是隔直装置中含有机械开关时，会大大降低机械开关的寿命和性能。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种抑制交流变压器中性点直流电流的装置，旨在解决现有技术中机械开关本身重合闸时间长，动作次数有限导致整个装置寿命短、性能差的问题。

本发明提供了一种抑制交流变压器中性点直流电流的装置，包括：隔直电容器、旁路保护电路和控制电路；所述隔直电容器的一端连接至交流变压器中性点，所述隔直电容器的另一端接地；所述旁路保护电路包括n个旁路保护单元，依次并联在所述隔直电容器的两端；所述控制电路的正输入端连接至所述交流变压器中性点，所述控制电路的负输入端接地，所述控制电路的控制信号输出端连接至所述旁路保护电路的控制端，所述控制电路的输出端用于连接外部的交流***，其中，n为大于等于1的正整数。

其中，交流变压器经隔直电容器接地可以有效抑制通过中性点流入交流变压器的直流电流。

更进一步地，所述旁路保护单元包括：第一晶闸管SCR₁₁，第二晶闸管SCR₁₂和限流电抗；所述限流电抗的一端连接至所述交流变压器中性点，所述限流电抗的另一端连接至所述第一晶闸管SCR₁₁的阳极和所述第二晶闸管SCR₁₂的阴极；所述第一晶闸管SCR₁₁的阴极和所述第二晶闸管SCR₁₂的阳极均接地；所述第一晶闸管SCR₁₁的控制极和所述第二晶闸管SCR₁₂的控制极均连接至所述控制电路的控制信号输出端。

更进一步地，所述控制电路包括：关断电路和开通电路；所述关断电路用于控制旁路保护单元终止保护动作，所述开通电路用于控制旁路保护单元开始保护动作。

更进一步地，所述旁路保护单元包括：第一晶体管IGBT₁₁、第二晶体管IGBT₁₂、限流电抗和放电电阻；所述限流电抗的一端连接至所述交流变压器中性点，所述限流电抗的另一端连接至所述第一晶体管IGBT₁₁的漏极，所述第一晶体管IGBT₁₁的源极连接至所述第二晶体管IGBT₁₂的源极，所述第二晶体管IGBT₁₂的漏极接地，所述第一晶体管IGBT₁₁的栅极和所述第二晶体管IGBT₁₂的栅极均连接外部的控制信号；所述放电电阻的一端连接至所述第一晶体管IGBT₁₁的漏极，所述放电电阻的另一端连接至所述第二晶体管IGBT₁₂的漏极。

更进一步地，所述放电电阻为非线性电阻，所述放电电阻的材料为ZnO或SiC。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于本发明装置省去机械开关(机械开关本身重合闸时间长，动作次数有限)，能够取得提高隔直装置寿命和性能的有益效果；同时还可以解决由HVDC单极大地运行造成的变压器中性点直流偏磁问题。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的抑制交流变压器中性点直流电流的装置的结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的抑制交流变压器中性点直流电流的装置种控制电路的结构示意图；

图3是本发明第二实施例提供的抑制交流变压器中性点直流电流的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出了一种新的交流变压器中性点隔直方案，既能适应HVDC单极大地运行情况，也可以适应该新情况，能更有效保护交流变压器。本发明提针对有地铁等大量轨道交通(杂散电流多)的城市地区(导致隔直装置频繁动作)提出的一套可行性较高的新型隔离装置，从而减少交流变压器中性点因直流偏磁而造成的危害。该装置由隔直电容器、旁路保护单元和控制电路构成，并针对电容器旁路保护单元提出了两种不同的拓扑结构。两种结构各有优缺点，应根据实际情况，在不同的场合选择更合适的拓扑结构。

本发明主要针对的是城市中存在地铁等大量轨道交通(杂散电流多)的地区设计提出的一种新型交流变压器中性点直流电流抑制装置，可以抑制由直流***产生的流入交流变压器中性点的直流电流，从而消除对交流变压器造成的直流偏磁危害。特别适合于由于杂散电流值较大且复杂从而导致交流变压器中性点隔直装置需要频繁快速动作的地区，例如轨道交通发达地区。该装置同样可适用于交流变压器中性点隔离由于高压直流输电以及地磁等引起的直流电流问题。

本发明采用的抑制交流变压器中性点直流偏磁的方案为中性点串电容法，外加旁路保护电路，从而保护隔直电容器不会被暂态高压击穿和避免交流变压器中性点电位升高后威胁其安全运行。旁路保护装置选择以下两种结构。

第一种结构：由限流电抗和逆阻型晶闸管(SCR)组成的双向晶闸管固态开关和控制***(用于触发和关断晶闸管)构成。关断电路可以就是简单的交流电子开关，当主回路回复到正常状态需要SCR关断进入阻断直流电流状态时，由于主回路可能存在直流电流，SCR不能自动关断，故需要辅助关断电路。当控制***给关断电路发出信号合上交流开关，同时去掉SCR触发脉冲，这时交流电流与主回路可能存在的直流电流叠加会产生过零点电流。当电流过零点时，SCR可以自动关断，SCR关断后控制***给关断电路发出信号断开交流开关，SCR关断过程完成。本关断电路所需容量小，成本低，简单可靠，寿命长，可以频繁动作。

第二种结构：由限流电抗、放电电阻与绝缘门极双极性晶体管(IGBT)组成的开关和控制电路(触发和关断IGBT)构成。由于IGBT属于全控电力电子器件，因此只需要比较流入交流变压器中性点的直流电流值与直流电流整定值的大小，来控制IGBT门极电压为开通电压或者关断电压，从而控制IGBT的有效关断与开通。

相比较而言，当采用第一种结构时，旁路保护电路的导通能力更强，成本更低，但由于SCR无法直接关断，因此需要额外的控制关断电路；当采用第二种结构时，隔直装置可控性更强，但由于IGBT自身特性，旁路保护电路导通电流能力不如第一种结构，同时成本较第一种结构更高。

下面结合附图对本发明进一步详细说明。本发明提出了一种新型的交流变压器中性点直流电流抑制装置，具体的拓扑结构有图1和图3两种。

图1(第一种结构)中开关K1为交流变压器中性点直接接地刀闸，隔直装置1由隔直电容器C1、n组并联的旁路保护单元(旁路保护单元由双向晶闸管SCR₁₁、SCR₁₂并联和限流电抗构成，当交流电处于正半轴时，交流电流经SCR₁₁……SCR_n1流入大地，当交流电处于负半轴时，交流电流经SCR₁₂……SCR_n2流入大地)和控制***构成。控制***的关断电路外接限流电抗与交流***连接。限流电抗有两个作用：一是限制电流快速升降，当旁路保护单元导通瞬间，限流电抗限制di/dt，从而保护电路器件因遭受瞬间过电流而损坏或减少寿命；二是当电路中电流值过大时，旁路保护单元中的限流电抗可以起均流作用，从而保护电路器件。旁路保护单元(由控制***提供其开通和关断信号)主要是在隔直电容器C1过流或过压时为其提供保护，防止隔直电容器因暂态高压而导致损坏。

采用n组旁路保护单元并联，可以有效降低流经每个保护单元的电流，从而降低保护器件的要求，有效降低装置成本同时可实行性更高。

图2示出了控制***的结构，包括开通信号和关断电路两部分。图中端口1与端口2连接在隔直电容器的两端，端口3连接所有SCR的门(G)极。关断电路经限流电抗与交流***连接，以便保护结束后关断SCR。

为了更进一步的说明本发明实施例中旁路保护单元，现结合图1和图2详述其工作原理如下：当旁路保护单元启动保护动作时，控制***中的开通信号输出触发脉冲至SCR₁₁、SCR₁₂……SCR_n1、SCR_n2门极使所有SCR导通，故障电流经旁路保护单元流入大地，从而保护隔直电容器。当旁路保护单元停止保护动作时，控制***中的关断电路发出两种信号用于完成关断动作。第一种信号使开通信号中断其输出触发脉冲；第二种信号使交流开关闭合，从而交流***并入保护装置，进而迅速关断所有SCR(即旁路保护单元停止保护动作)。

图3(第二种结构)中开关K1为交流变压器中性点直接接地刀闸，隔直装置2由隔直电容器C1、n组并联的旁路保护单元(旁路保护单元由放电电阻与正反相接的绝缘门极双极型晶体管IGBT₁₁、IGBT₁₂和限流电抗串联构成，正反相接的IGBT₁₁、IGBT₁₂可以实现电流和电压流向的完全可控，提高装置的可靠性和安全性)和控制***构成。旁路保护单元和限流电抗作用与第一种结构相同。放电电阻应选用非线性电阻，材料一般选用ZnO或SiC，主要作用是防止在IGBT开通或关断瞬间产生的过压而导致IGBT的损坏，即控制IGBT两端电压不超过其可承受的最大电压值。由于IGBT属于全控电力电子器件，所以控制电路可以直接控制其有效的开通与关断，所以无需单独设计其关断电路。

为了更进一步的说明本发明实施例中旁路保护单元，现结合图3详述其工作原理如下：当旁路保护单元启动保护动作时，控制信号将开通信号(高电平)输出至IGBT₁₁、IGBT₁₂……IGBT_n1、IGBT_n2门极使所有IGBT导通，故障电流经旁路保护单元流入大地，从而保护隔直电容器。当旁路保护单元停止保护动作时，控制信号将关断信号(低电平)输出至所有IGBT门极使IGBT关断(即旁路保护单元停止保护动作)。

在本发明实施例中，抑制交流变压器中性点直流电流的装置的工作状态总共有4种：(1)无故障状态(2)无故障但直流电流超过整定值状态(3)故障状态(4)检修状态。具体包括：

(1)当交流变压器处于无故障状态时，开关K1闭合，隔直电容器C1与旁路保护单元处于非运行状态，交流变压器中性点直接接地，交流变压器和电力***正常运行。

(2)当交流变压器处于无故障但直流电流超过整定值状态时，开关K1关断，隔直电容器投入运行，控制电路控制旁路保护单元处于非运行状态，交流变压器中性点经隔直电容器接地，抑制通过中性点流入交流变压器的直流电流。

(3)当交流变压器处于故障状态时，保护***检测到过电流或过电压，开关K1关断，同时控制***控制旁路保护单元处于运行状态，此时隔直电容器被短路，故障电流经旁路保护单元流入大地，从而保护隔直电容器。待故障电流消失后，通过控制***供电，使旁路保护单元停止保护动作，再根据实时检测结果，将装置运行状态调整为状态(1)或状态(2)。

(4)当交流变压器处于检修状态时，开关K1闭合，交流变压器中性点直接接地。隔直电容器和旁路保护单元处于非运行状态，待隔直电容器放电完成后，对装置进行检修。

本发明针对于交流变压器中性点直流偏磁问题提出了新的拓扑结构。由于装置省去了机械开关，该隔直装置可以频繁快速的动作，同时可以提高隔直装置的寿命与性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种抑制交流变压器中性点直流电流的装置，其特征在于，包括：隔直电容器、旁路保护电路和控制电路；

所述隔直电容器的一端连接至交流变压器中性点，所述隔直电容器的另一端接地；

所述旁路保护电路包括n个旁路保护单元，依次并联在所述隔直电容器的两端；

所述控制电路的正输入端连接至所述交流变压器中性点，所述控制电路的负输入端接地，所述控制电路的控制信号输出端连接至所述旁路保护电路的控制端，所述控制电路的输出端用于连接外部的交流***。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旁路保护单元包括：第一晶闸管SCR₁₁，第二晶闸管SCR₁₂和限流电抗；

所述限流电抗的一端连接至所述交流变压器中性点，所述限流电抗的另一端连接至所述第一晶闸管SCR₁₁的阳极和所述第二晶闸管SCR₁₂的阴极；所述第一晶闸管SCR₁₁的阴极和所述第二晶闸管SCR₁₂的阳极均接地；所述第一晶闸管SCR₁₁的控制极和所述第二晶闸管SCR₁₂的控制极均连接至所述控制电路的控制信号输出端。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述控制电路包括：关断电路和开通电路；所述关断电路用于控制旁路保护单元终止保护动作，所述开通电路用于控制旁路保护单元开始保护动作。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旁路保护单元包括：第一晶体管IGBT₁₁、第二晶体管IGBT₁₂、限流电抗和放电电阻；

所述限流电抗的一端连接至所述交流变压器中性点，所述限流电抗的另一端连接至所述第一晶体管IGBT₁₁的漏极，所述第一晶体管IGBT₁₁的源极连接至所述第二晶体管IGBT₁₂的源极，所述第二晶体管IGBT₁₂的漏极接地，所述第一晶体管IGBT₁₁的栅极和所述第二晶体管IGBT₁₂的栅极均连接外部的控制信号；

所述放电电阻的一端连接至所述第一晶体管IGBT₁₁的漏极，所述放电电阻的另一端连接至所述第二晶体管IGBT₁₂的漏极。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述放电电阻为非线性电阻，所述放电电阻的材料为ZnO或SiC。