CN203800581U - 一种注入反向电流的变压器直流偏磁抑制装置 - Google Patents
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Abstract
一种注入反向电流的变压器直流偏磁抑制装置，包括直流发生装置、限流电抗器、补偿接地极、接地电阻、正向电流传感器、反向电流传感器、信号调理电路以及PWM信号发生器；直流发生装置的输出端接入限流电抗器的一端，限流电抗器的另一端接入变压器的中性点，变压器的中性点经接地电阻接地；直流发生装置的地端接入补偿接地极；正向电流传感器测得的变压器中性点电流、反向电流传感器测得的直流发生装置的反向电流之间的电流误差接入信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端接入PWM信号发生器的输入端，PWM信号发生器的输出端连接至直流发生装置的开关器件IGBT。本实用新型有效抑制变压器的直流偏磁，减少变压器的振动、损耗和噪声。
Description
技术领域
本实用新型涉及变压器直流偏磁技术领域，具体涉及一种注入反向电流的变压器直流偏磁抑制装置。
背景技术
电力变压器中的“直流偏磁”是指由于某种原因导致的直流磁势或直流磁通，以及由此引起的一系列电磁效应。直流偏磁使变压器铁心半周饱和，在激励电流中产生大量谐波，不仅增加了变压器的无功消耗，而且可能引起保护继电器误动作。与此同时，铁心的高度饱和使漏磁增加，引起金属结构件和油箱过热。局部过热将使纸绝缘老化并使变压器油分解，影响变压器的寿命，对变压器的正常运行产生严重影响。
在线运行的变压器绕组内产生较大的直流分量，原因之一，是太阳等离子风的动态变化与地磁场相互作用产生的地磁“风暴”。地磁场的变化将在地球表面诱发电位梯度。在地面电导率较小的地区，当发生严重地磁风暴时，这种电位梯度可达每公里几伏至上百伏，持续时间可为几分钟到几小时，这一低频且具有一定持续时间的电场作用于输电***中中性点接地的电力变压器时，地表电位梯度将在其绕组中诱发地磁感应电流，其频率在0.001～1Hz之间，与50Hz的交流***相比较，可看作近似的直流，其值可达80～100A以上。原因之二，是直流输电线路与交流输电线路的并行运行或交流网络中存在电压电流关系曲线不对称的负载。直流输电***通常采取大地返回方式，因而在其换流站周围一定区域内会产生地表电流，与其并行运行的交流输电***变电站中的联络变压器如果距离换流站不远，就会受到干扰，这种干扰作用的直接表现就是通过交流变压器的接地中性点在交流变压器的励磁电流中产生直流分量。电压电流关系曲线不对称的负载，如相控交流负载、相控整流器、单波整流器、线路换向逆变器都能产生直流分量，另外在控制不对称的直流输电***以及某些变频器***中，变压器绕组电流均含有直流分量，它们对铁心饱和的影响与有接地直流电流进入变压器中性线时相同。
目前对变压器的直流偏磁大致有以下几种抑制方法：
(1)中性点串联电阻
中性点串联电阻即在变压器中性点和地之间串入一定阻值的电阻，以限制流过中性点的直流电流。该方法优点为原理简单，实施容易；缺点为对所串联的电阻的耐受电压及热容量具有很高的要求，更重要的是改变了***结构，继电保护及自动化装置均需重新整定，绝缘配合也要作相应校核。所串联的电阻在大电流冲击下还有***危险所以现场应用较少。
(2)中性点串联电容器
中性点串联电容器是将电容器串入变压器中性点与地之间，达到隔断直流电流的目的。该方法经改进可用于大型变压器，能彻底堵塞直流电流的通路。现场效果好。但是，所串电容器的电容量较大，容抗按不大于1.5Ω计算，50Hz以下的电容量在2122F以上，价格昂贵、占地面积较大；同样，该方法也改变了***的零序阻抗，继电保护、自动化装置和绝缘配合等方面均需重新校核整定，在大电流冲击下还有***危险，其经济性和实用性方面都有所欠缺。另外，该装置投入运行后，极有可能造成其他变压器中性点的直流电流增大，从而导致其他变压器的直流偏磁。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是，针对现有变压器的直流偏磁抑制方法存在的上述不足，提供一种注入反向电流的变压器直流偏磁抑制装置，有效抑制地磁风暴或高压直流输电对变压器的直流偏磁的影响。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种注入反向电流的变压器直流偏磁抑制装置，包括直流发生装置、限流电抗器、补偿接地极、接地电阻、正向电流传感器、反向电流传感器、信号调理电路以及PWM信号发生器；所述直流发生装置的输入端接入变电站内站用的交流电源，直流发生装置的输出端接入限流电抗器的一端，限流电抗器的另一端接入变压器的中性点，变压器的中性点经接地电阻接地；直流发生装置的地端接入补偿接地极；所述正向电流传感器设置在变压器的中性点处，反向电流传感器设置在直流发生装置的输出端，正向电流传感器测得的变压器中性点电流、反向电流传感器测得的直流发生装置的反向电流之间的电流误差接入信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端接入PWM信号发生器的输入端，PWM信号发生器的输出端连接至直流发生装置的开关器件IGBT。
按上述方案，所述直流发生装置由△/Y变压器、三相桥式不可控整流电路、buck/boost斩波电路构成，所述△/Y变压器由原边的三角形绕组和副边的星形绕组构成，三相桥式不可控整流电路由三对电力二极管D(共6个)构成，buck/boost斩波电路由IGBT、VD二极管、负载电阻R、电容C1、电感L、电容C2构成，信号调理电路由PI控制器、三角载波组成；△/Y变压器副边的星形绕组的输出端分别接入对应的三相桥式不可控整流电路的每对电力二极管D之间，三相桥式不可控整流电路的输出端与buck/boost斩波电路的IGBT的集电极连接，IGBT的发射极与VD二极管的阴极连接，VD二极管的阳极与负载电阻R连接后接入限流电抗器的一端，限流电抗器的另一端接入变压器的中性点，变压器的中性点经接地电阻接地；IGBT的发射极与电感L连接后接入补偿接地极，VD二极管的阳极与电容C2连接后接入 补偿接地极，IGBT的集电极与电容C1连接后接入补偿接地极；所述正向电流传感器测得的变压器中性点电流、反向电流传感器测得的直流发生装置的反向电流之间的电流误差接入信号调理电路的PI控制器的输入端，PI控制器的输出端经三角载波后接入PWM信号发生器的输入端，PWM信号发生器的输出端与IGBT的门极连接。
按上述方案，所述△/Y变压器为0.4kV/0.1kV变压器(原边三角形绕组0.4kV、副边星形绕组0.1kV)。
按上述方案，所述补偿接地极设置在距离变电站200m以外(抑制变压器直流偏磁的装置的补偿接地极独立于变电站接地极、单独设计)。
所述IGBT、信号调理电路均通过瓷绝缘子或者合成绝缘子固定在箱体内。
本实用新型的工作原理：△/Y变压器、三相桥式不可控整流电路、buck/boost斩波电路构成整个直流发生装置，直流发生装置外接变电站内站用的400V交流电，先经过△/Y变压器降压，再通过由电力二极管D构成的三相桥式不可控整流电路整流，由电容滤波后，滤波输出端接入buck/boost斩波电路，buck/boost斩波电路通过控制开关器件IGBT的开通和关断，构成一个可控的直流电压源，直流电压源通过限流电抗器与变压器中性点接地电阻相连，构成了一个反向电流补偿回路，限制变压器中性点进入buck/boost斩波电路的交流电流；通过正向电流传感器、反向电流传感器分别检测变压器中性点电流和buck/boost斩波电路输出的反向电流，经过PI控制器进行PI调节处理后，与三角载波进行比较，产生PWM控制信号，控制输出电压，来触发IGBT开通与关断，从而精确的控制buck/boost电路的反向电流与变压器中性点电流跟随：即大小相等，方向相反，从而动态有效补偿变压器中性点电流，消除了变压器的直流偏磁。同时在直流发生装置的输出端加装限流电抗器，用于限制进入直流发生装置的交流电流，保护直流发生装置。
中性点反向注入抑制是在变压器中性点注入一个反向直流电流来抵消原来的偏磁电流。在变电站外补偿接地极与变压器中性点之间注入反向电流，该反向电流经由变压器绕组和电网再回到补偿接地极。通过控制直流发生装置输出的反向电流的方向和大小，就可以达到抵消变压器中性点原有直流电流的目的，反向注入抑制不影响运行***的参数。
本实用新型的有益效果：
1、在变压器中性点注入反向电流，通过检测大地向变压器中性点流入的直流电流，采用一个基于电力电子器件IGBT的可控直流电流发生装置，基于数字信号处理(DSP)的直接电流控制策略的三角载波控制，使可控的直流电流发生装置产生一个与大地流入变压器中性点的直流电流大小相等，方向相反的直流电流，有效抑制地磁风暴或高压直流输电对变压器的直流偏磁的影响，减少变压器因偏磁造成的振动、损耗和噪声；
2、中性点注入反向电流不改变变压器继电保护装置的整定，不在变压器中性点与地网之间串入其他设备，能保证变压器中性点可靠接地而无过电压问题，对***现有保护配置不产生影响，且可以针对不同的中性点流入的直流电流值注入不同的反向电流，具有灵活性；
3、设备控制简单，体积小，占地面积小，抑制效果好，不改变变压器保护***整定运行的参数，适合在变电站中安装运行。
附图说明
图1是本装置的原理接线图和结构示意图；
图2是本发明的变电站应用结构图；
图3是三角载波控制策略图；
图4是直流电流发生装置的结构和控制策略图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细的说明。
参见图1～图4所示，本实用新型所述的注入反向电流的变压器直流偏磁抑制装置，包括直流发生装置1、限流电抗器3、补偿接地极2、接地电阻5、正向电流传感器6、反向电流传感器7、信号调理电路8以及PWM信号发生器9；所述直流发生装置1的输入端接入变电站内站用的交流电源，直流发生装置1的输出端接入限流电抗器3的一端，限流电抗器3的另一端接入变压器4的中性点N，变压器4的中性点N经接地电阻5接地；直流发生装置1的地端接入补偿接地极2；所述正向电流传感器6设置在变压器4的中性点N处，反向电流传感器7设置在直流发生装置1的输出端，正向电流传感器6测得的变压器4中性点电流i0、反向电流传感器测得的直流发生装置的反向电流i1之间的电流误差△i接入信号调理电路8的输入端，信号调理电路8的输出端接入PWM信号发生器9的输入端，PWM信号发生器9的输出端连接至直流发生装置1的开关器件IGBT。
所述直流发生装置1由△/Y变压器11、三相桥式不可控整流电路12、buck/boost斩波电路13构成，所述△/Y变压器11由原边的三角形绕组和副边的星形绕组构成，三相桥式不可控整流电路12由三对电力二极管D(共6个)构成，buck/boost斩波电路13由IGBT(开关器件)、VD二极管、负载电阻R、电容C1、电感L、电容C2构成，信号调理电路8由PI控制器81、三角载波82组成；△/Y变压器11副边的星形绕组的输出端分别接入对应的三相桥式不可控整流电路12的每对电力二极管D之间，三相桥式不可控整流电路12的输出端与buck/boost斩波电路13的IGBT的集电极连接，IGBT的发射极与VD二极管的阴极连接，VD二极管的阳极与负载电阻R连接后接入限流电抗器3的一端，限流电抗器3的另一端接入变压器4的中性点N，变压器4的中性点N经接地电阻5接地；IGBT的发射极与电感L连接 后接入补偿接地极2，VD二极管的阳极与电容C2连接后接入补偿接地极2，IGBT的集电极与电容C1连接后接入补偿接地极2；所述正向电流传感器6测得的变压器1中性点电流i0、反向电流传感器7测得的直流发生装置的反向电流i1之间的电流误差△i接入信号调理电路8的PI控制器81的输入端，PI控制器81的输出端经三角载波82后接入PWM信号发生器9的输入端，PWM信号发生器9的输出端与IGBT的门极连接。
所述△/Y变压器11为0.4kV/0.1kV变压器(原边三角形绕组0.4kV、副边星形绕组0.1kV)。
所述补偿接地极2设置在距离变电站200m以外(抑制变压器直流偏磁的装置的补偿接地极独立于变电站接地极、单独设计)。
所述IGBT、信号调理电路8均通过瓷绝缘子或者合成绝缘子固定在箱体内。
参照图1所示，根据变压器4中性点电流i0的大小和方向，自动启动直流发生装置1产生正确方向和数值的反向电流i1，达到限制变压器4中性点电流i0的目的。直流发生装置1使用灵活，针对中性点N流入的中性点电流值i0，动态选择注入不同的反向电流i1。
结合图2所示的整个装置工作原理图，△/Y变压器11、三相桥式不可控整流电路12、buck/boost斩波电路13构成整个直流发生装置1，直流发生装置1外接变电站内站用的400V交流电，先经过△/Y变压器11降压，再通过由电力二极管D构成的三相桥式不可控整流电路整流12，由电容滤波后，滤波输出端接入buck/boost斩波电路13，buck/boost斩波电路13通过控制开关器件IGBT的开通和关断，构成一个可控的直流电压源，直流电压源通过限流电抗器3与变压器4中性点N、接地电阻5相连，构成了一个反向电流补偿回路，限制变压器4中性点进入buck/boost斩波电路13的交流电流；通过正向电流传感器6、反向电流传感器7分别检测变压器4中性点电流i0和buck/boost斩波电路13输出的反向电流i1，经过PI控制器81进行PI调节处理后，与三角载波82进行比较(三角载波82的幅值应大于△t处理后的信号，三角载波82的载波频率由器件容许的开关频率决定)，产生PWM控制信号，控制输出电压，来触发IGBT(绝缘栅双极型晶体管)开通与关断，从而精确的控制buck/boost电路13的反向电流i1与变压器4中性点电流i0跟随：即大小相等，方向相反，从而动态有效补偿变压器4中性点电流i0，消除了变压器4的直流偏磁。同时在直流发生装置1的输出端加装限流电抗器3，用于限制进入直流发生装置1的交流电流，保护直流发生装置1。
结合图3控制电路***框图所示：通过正向电流传感器6、反向电流传感器7分别监测变压器中性点电流i0和buck/boost电路输出的反向电流i1，两路电流信号经过信号调理电路8，使调理后的信号接入PWM信号发生器9的DSP(TMS320S2812)的AD口，通过DSP进行AD转换，同时进行运算，经过DSP的EA模块产生buck/boost斩波电路13的开关器件IGBT的驱动信号，驱动信号经过IGBT的专用驱动模块M57962L进行隔离放大后，来控制开关器件 IGBT的开通与关断，并通对其进行过流、过压等保护。
结合图4变电站应用结构图所示：当直流线路单极或双极不对称运行时，监测到主变压器4中性点电流达到某一规定值时，直流发生装置1通过监测获得的变压器4中性点电流的大小和方向，通过调节反向电流的方向和幅值对主变中性点的电流进行补偿，在主变压器中性点电流降到设定的允许范围之内，停止调节，持续进行补偿。当直流线路恢复双极正常运行后，变压器4中性点电流的方向改变或电流幅值突变，控制回路发出信号，由运行人员逐渐减小反向电流直至完全退出反向直流发生装置。这种装置的优点在于不在变压器4中性点与地网之间串入其他设备，能保证变压器4中性点可靠接地而无过电压问题，对***现有保护配置不产生影响；可以针对不同的中性点流入的中性点电流值注入不同的反向电流，具有灵活性。另外，由于直流发生装置1和变电站接地极不同，需要额外的设计补偿接地极2。
以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改，等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (4)
1.一种注入反向电流的变压器直流偏磁抑制装置，其特征在于：包括直流发生装置、限流电抗器、补偿接地极、接地电阻、正向电流传感器、反向电流传感器、信号调理电路以及PWM信号发生器；所述直流发生装置的输入端接入变电站内站用的交流电源，直流发生装置的输出端接入限流电抗器的一端，限流电抗器的另一端接入变压器的中性点，变压器的中性点经接地电阻接地；直流发生装置的地端接入补偿接地极；所述正向电流传感器设置在变压器的中性点处，反向电流传感器设置在直流发生装置的输出端，正向电流传感器测得的变压器中性点电流、反向电流传感器测得的直流发生装置的反向电流之间的电流误差接入信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端接入PWM信号发生器的输入端，PWM信号发生器的输出端连接至直流发生装置的开关器件IGBT。
2.如权利要求1所述的变压器直流偏磁抑制装置，其特征在于：所述直流发生装置由△/Y变压器、三相桥式不可控整流电路、buck/boost斩波电路构成，所述△/Y变压器由原边的三角形绕组和副边的星形绕组构成，三相桥式不可控整流电路由三对电力二极管D构成，buck/boost斩波电路由IGBT、VD二极管、负载电阻R、电容C1、电感L、电容C2构成，信号调理电路由PI控制器、三角载波组成；△/Y变压器副边的星形绕组的输出端分别接入对应的三相桥式不可控整流电路的每对电力二极管D之间，三相桥式不可控整流电路的输出端与buck/boost斩波电路的IGBT的集电极连接，IGBT的发射极与VD二极管的阴极连接，VD二极管的阳极与负载电阻R连接后接入限流电抗器的一端，限流电抗器的另一端接入变压器的中性点，变压器的中性点经接地电阻接地；IGBT的发射极与电感L连接后接入补偿接地极，VD二极管的阳极与电容C2连接后接入补偿接地极，IGBT的集电极与电容C1连接后接入补偿接地极；所述正向电流传感器测得的变压器中性点电流、反向电流传感器测得的直流发生装置的反向电流之间的电流误差接入信号调理电路的PI控制器的输入端，PI控制器的输出端经三角载波后接入PWM信号发生器的输入端，PWM信号发生器的输出端与IGBT的门极连接。
3.如权利要求2所述的变压器直流偏磁抑制装置，其特征在于：所述△/Y变压器为0.4kV/0.1kV变压器。
4.如权利要求1所述的变压器直流偏磁抑制装置，其特征在于：所述补偿接地极设置在距离变电站200m以外。
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