基于電位補償?shù)淖儔浩髦绷髌乓种蒲b置

尹忠東，王帥，王書瑤

（華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京102206）

0 引 言

地磁風暴和高壓直流輸電單極大地運行時，產生的地電流可能會使地面上的交流變壓器發(fā)生直流偏磁。尤其是后者，隨著全國范圍內直流輸電工程的大量投入運行，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，會產生大量諧波，噪聲以及熱損耗，甚至導致變壓器損壞，嚴重影響電網(wǎng)安全運行［5-7］。因此對變壓器直流偏磁抑制裝置的研究具有重要的實際應用價值。

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

四種方法中，中性點串小電阻法具有電路結構簡單的優(yōu)點，但不能徹底的抑制中性線電流，且小電阻的串入會使中性點發(fā)生偏移，對繼電保護產生影響；電容隔直法具有相似的問題；反向電流注入法通用性好，且不會使中性點發(fā)生偏移，但是裝置結構最復雜，前期投資以及后期維護成本都極高；電位補償法能徹底抑制中性點直流電流，其結構復雜程度適中，前期投資和后期維護較反向電流注入法少，更具普適性。

當前基于中性點串小電阻方法和電容隔直法抑制直流偏磁的裝置都已經有投入運行的工程實例。就效果而言，中性點串小電阻的方法只能抑制部分直流電流，且對小電阻的選取具有一定限制要求；電容隔直法對直流偏磁的抑制效果較明顯，但是旁路保護電路復雜；電位補償法尚未有相關的樣機以及相應的工程實例［9-13］。

本文基于電位補償?shù)脑?，設計了抑制直流偏磁電流的新型裝置，在此基礎上制作了樣機，并在實驗室環(huán)境下模擬試驗，結果良好。

1 抑制方法原理及主拓撲設計

1.1 電位補償法原理

借助圖1介紹電位補償法原理。用一個可調直流源Us模擬產生直流偏磁電流的電勢；R2表示直流偏磁電流流經的大地電阻、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 電位補償原理Fig.1 Theory of electric potential compensation

正常情況下，Us為零，旁路開關K閉合，變壓器T1，T2中性點直接接地。當Us不為零時，則在變壓器中性線上會產生偏磁電流Is，當Is超過某一設定值時，旁路開關K斷開，補償裝置投入。此時圖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：

對于節(jié)點1，由KCL得：

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

由式（1），式（2）可得：

由式（3）知，當兩臺交流變壓器之間沒有直流電流（即Is=0時），直流偏磁得到有效抑制。此時抑制裝置在R1兩端補償?shù)碾娢慌c偏磁直流源電位大小相等，這就是電位補償法的原理。

1.2 基于電位補償法的直流偏磁抑制裝置拓撲

本文提出了基于12脈波晶閘管半控整流結合雙向轉換開關拓撲結構的直流偏磁抑制裝置。裝置采用電位補償法，通過控制裝置中晶閘管的導通角，實現(xiàn)對偏磁電流的抑制。

主電路拓撲如圖3所示：包括12脈波整流電路、濾波電路、保護電路、極性轉換開關和裝置旁路保護電路五部分。12脈波整流電路由兩個6脈波整流電路串聯(lián)構成，輸出電壓等級高，波動小；濾波電路由電感L2和電容C構成，使輸出直流電壓更平穩(wěn)；雙向開關K1可使抑制裝置實現(xiàn)電位的雙向補償；補償電阻為R1；保護電路由二極管D2、D3，扼流線圈L1構成，能有效防止交流母線發(fā)生短路時，短路電流損壞整流電路器件；極性轉換開關根據(jù)檢測到的中性線電流的方向動作，保證裝置能抑制不同方向的偏磁電流；旁路保護電路主要由放電氣隙K2和繼電器K3組成，當K2被擊穿時，K3閉合，在交流系統(tǒng)發(fā)生短路時保護整個抑制裝置不被損壞。實際上二極管保護電路和裝置旁路保護電路實現(xiàn)了對抑制裝置關鍵器件的雙重保護。

圖3 直流偏磁抑制裝置主拓撲Fig.3 Main topology of the restrain device for dc magnetic bias

該裝置優(yōu)點在于電路結構和控制簡單、可靠性高、容量大、成本低，實現(xiàn)偏磁電流的完全抑制，且具有普遍適用性。

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

2 抑制裝置參數(shù)計算與控制

2.1 抑制裝置元件參數(shù)計算與設計

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

設該抑制裝置要應用于某高壓變電站，變電站變壓器的型號為3x（ODFPS-250000/500）。當交流母線發(fā)生單相接地時，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。

該型號變壓器短路阻抗比按12%計算；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：

對于12脈動整流電路，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電路的情況下，當交流母線短路時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），未加旁路保護電路時，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濟性考慮都不合理，因此有必要設計旁路保護電路。

旁路保護電路采用的是放電間隙和保護繼電器相結合的方法，避免了傳統(tǒng)抑制裝置中反并聯(lián)晶閘管的應用，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。當交流母線發(fā)生短路故障時，放電間隙擊穿，然后繼電器快速閉合，使整個抑制裝置旁路。

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

對比式（9）和式（10），旁路保護電路的設計，大大減小了所需扼流電感的數(shù)值和容量，同時降低了對主電路部分元器件參數(shù)的選取要求，提高整個裝置的性價比。

2.2 直流偏磁抑制裝置控制設計

整個裝置的控制包括12脈動晶閘管橋式半控整流電路的控制、雙向開關K1的控制和保護開關K的控制。

裝置的控制目標和采集信號都是變壓器的中性線電流Is。具體的控制流程如圖4所示。將實時采集的中性線電流信號Is傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，對Is進行大小判斷，如果Is超出了所要求的范圍，則認為發(fā)生了直流偏磁；與此同時對Is進行方向判斷，設電流由A流向B為正，由B到A為負，進而驅動雙向開關的閉合方式；而后，控制電路產生信號觸發(fā)整流橋中的晶閘管導通，觸發(fā)角的不斷減小會使直流側電壓不斷增大，最終使得抑制裝置輸出在電阻R1兩端的電壓與偏磁電動勢相等，這樣就實現(xiàn)了電位補償，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

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

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

仿真用可調直流源模擬產生偏磁電流的電勢，該可調直流源的輸出如圖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時刻，Us突變?yōu)?0 V，此時Is大于之前設定的3 A，裝置判斷變壓器發(fā)生了直流偏磁，開關K斷開，此時判斷Is的方向，判斷結果為正，雙向開關上路閉合，經過延時后，脈沖觸發(fā)電路分配脈沖給晶閘管。經過0.14 s，Is被控制在了3 A內；在1.5 s時刻可調直流源Us變?yōu)? V，表示直流偏磁消失，檢測到Is會出現(xiàn)反向，晶閘管觸發(fā)角信號復位，閉鎖脈沖，旁路開關K閉合，系統(tǒng)恢復正常。同理在2 s時刻，系統(tǒng)發(fā)生負向直流偏磁，補償與前面類似，不做復述。

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

圖7 試驗主接線Fig.7 Main wiring for the experiment

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

根據(jù)仿真計算所得參數(shù)以及控制流程，制作了直流偏磁抑制裝置樣機，并在實驗室進行了物理模擬試驗。主接線如圖7所示，參數(shù)見表2。主接線中電阻R3的目的是在實驗室環(huán)境下，為中性點電流的檢測提供通路：當極性調節(jié)開關K3斷開時，偏磁電流消失，此時若無R3存在，則變壓器T1中性點上檢測不到反向電流，控制會失穩(wěn)。在實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。

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

從圖8（基準值為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后，在0.2 s內快速動作，并在0.4 s左右將偏磁電流抑制到規(guī)定的范圍內，驗證了裝置的可行性。注意到圖8中，在15.8秒左右有小峰值，經分析，為抑制裝置柜內電容放電形成，不會對裝置造成不良后果。

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

經測量中性線偏磁電流，裝置未投入時偏磁電流為9.10 A，裝置投入運行后，中性線電流減小為2.68 A，滿足小于3 A的工程實際要求，且該結果與電路理論計算結果基本相符，驗證了試驗結果的正確性。

4 結束語

變壓器直流偏磁會對變壓器本身乃至整個電力系統(tǒng)運行帶來諸多不利影響。因此，對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償法抑制變壓器直流偏磁的原理，提出了基于電位補償發(fā)抑制變壓器直流偏磁主電路拓撲，并且分析計算了主要元件參數(shù)和控制流程，最后進行了仿真驗證以及實驗室條件下的物理模擬實驗，且仿真和試驗效果良好。為當前變壓器直流偏磁抑制的工程實踐提供了借鑒。