（电力系统及其自动化专业论文）基于变压器内部结构的直流偏磁抑制方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 地磁暴和高压直流输电都会导致变压器直流偏磁，使变压器不能正常工作或 损坏，威胁电网安全运行。因此，变压器直流偏磁抑制相关研究日益受到重视。 本文介绍了变压器中性点串电阻、中性点串电容、反向电流补偿以及交流线路 串电容4 种直流偏磁常用治理方法，并分析了其优缺点；定量分析、比较了不同 结构变压器的抗直流偏磁能力：在此基础上，提出了基于变压器内部结构、采 用补偿绕组抑制直流偏磁的方法；运用p s c a d e m t d c 软件搭建了仿真模型，证明 了采用自激补偿法以及外加直流补偿电源法抑制变压器直流偏磁的可行性和有效 性。最后，从变压器设计的角度，提出了一些提高变压器抗直流偏磁能力的建议。 关键词：变压器，内部结构，直流偏磁，抑制，补偿绕组 a b s t r a c t g e o m a g n e t i cs t o r ma n d h v d c , w h i c hc a nc a u s et r a n s f o r m e rd cb i a s , c a nd i s r u p t t r a n s f o n n e rn o r m a lo p e r a t i o na n di n c r e a s et h es u s c e p t i b i l i t yi ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m , s o m e t i m e sm a yi n d u c eb l a c k o u to ft h ep o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，t h er e l a t e dr e s e a r c ho nt h e s u p p r e s s i o nm e t h o d so ft r a n s f o r m e rd cb i a s ，h a v eb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h i s p a p e rd e s c r i b e st h ef o u rc o n l m o nt r e a t m e n tm e t h o d so ft r a n s f o r m e rd cb i a sa n da n a l y z e s m e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gi n j e c t i n gi ns e r i e sw i t ht h et r a n s f o r m e rn e u r a l p o i n ta na p p r o p r i a t er e s i s t a n c e ，i n s t a l l i n gc a p a c i t o r st ot h em a i nt r a n s f o r m e rn e u t r a lp o i n t , i n j e c t i n gr e v e r s ed i r e c tc u r r e n ta n di n j e c t i n gi ns e r i e sw i ma ct r a n s m i s s i o nl i n e sc a p a c i t o r s ， t h e nt h i sa r t i c l eq u a n t i t a t i v e l ym a k e sac o m p a r a t i v ea n a l y s i st ot h er e s i s t a n ta b i l i t yo fd cb i a s o fd i f f e r e n ts t r u c t u r et r a n s f o r m e r , o nt h eb a s i s ，r e s t r a i n i n gm e t h o df o rd cb i a sb a s e do n t r a n s f o r m e ri n t e r n a ls t r u c t u r ea n du s i n gc o m p e n s a t i o nw i n d i n gh a sb e e np r o p o s e d s i m u l a t i o nm o d e li sc o n s t r u c t e dw i t hp s c a d e m t d c ，t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f s e l f - e x c i t e dc o m p e n s a t i o nm e t h o da n da p p l i e dd cc o m p e n s a t i n gp o w e rs u p p l ym e t h o d ， w h i c ha r eu s e dt oi n h i b i td cb i a so f t r a n s f o r m e r , a l et e s t i f i e d f i n a l l y , f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f t r a n s f o r m e rd e s i g n , s o m es u g g e s t i o n so i l i m p r o v i n gr e s i s t a n ta b i l i t yo fd cb i a so f t r a n s f o r m e ra lep r e s e n t e d n i uy u a n t a i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i ul i a n g u a n g k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r , i n t e r n a ls t r u c t u r e ，d cb i a s ，r e s t r a i n ，c o m p e n s a t i o nw i n d i n g 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题提出1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 3 本论文主要工作4 第二章直流偏磁外部治理技术优缺点分析6 2 1 中性点串联电阻措施6 2 1 1 中性点串联电阻措施原理6 2 1 2 中性点串联电阻措施的特点6 2 2 中性点串联电容措施7 2 2 1 中性点串联电容措施原理7 2 2 2 中性点串联电容措施的特点9 2 3 反向电流补偿法措施9 2 3 1 反向电流补偿法原理9 2 3 2 反向电流补偿法措施的特点1 0 2 4 交流线路上串联电容措施1 0 2 4 1 交流线路上串联电容措施原理1 0 2 4 2 交流线路上串联电容措施的特点1 1 2 5 本章小结1 1 第三章铁芯结构对变压器直流偏磁的影响1 3 3 1 电路和磁路耦合的仿真方法1 3 3 2 三相三柱式变压器的直流偏磁特性1 5 3 2 1 计算用变压器参数1 5 3 2 2 仿真结果1 5 3 2 3 励磁电流及磁链与直流偏磁电流间的关系1 7 3 3 三相五柱式变压器的直流偏磁特性1 8 3 3 1 计算用变压器参数1 8 3 3 2 仿真结果1 8 3 3 3 励磁电流及磁链与直流偏磁电流问的关系2 0 3 4 三相变压器组的直流偏磁特性2 l 3 4 1 计算用变压器参数2 1 3 4 2 仿真结果2 1 3 4 3 励磁电流及磁链与直流偏磁电流间的关系2 3 3 5 本章小结2 3 i i i 华北电力大学硕士学位论文 第四章p s c a d e m t d c 中变压器仿真模型2 5 4 1 变压器模型2 5 4 1 1 经典法的变压器模型2 5 4 1 2u m e c 法的变压器模型2 7 4 2 变压器铁心饱和模型3 l 4 2 1 经典法的变压器铁心饱和模型3 1 4 2 2u m e c 法的变压器铁心饱和模型3 4 4 3 本章小结3 4 第五章基于补偿法的变压器直流偏磁抑制研究3 5 5 1 直流偏磁补偿绕组原理3 5 5 2 基于中性点直流电流的自激补偿法3 9 5 2 1 仿真模型3 9 5 2 2 仿真结果4 0 5 3 外加直流补偿电源法4 6 5 3 1 仿真模型4 6 5 3 2 仿真结果4 6 5 4 补偿法的可行性及补偿设备的布置4 9 5 5 提高变压器抗偏磁能力的其它方法5 0 5 6 本章小结5 3 第六章结论和展望5 4 6 1 结论5 4 6 2 展望5 4 参考文献5 6 致谢6 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 1 i v 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题提出 第一章引言 随着我国电网“西电东送、南北互供、全国联网 战略的实施，适合大功率、 远距离输电的超高压直流输电( h v d c ) 技术得到了越来越广泛的应用。采用直流 输电技术进行长距离输电，可以提高电力系统运行的经济性、稳定性和调度的灵活 性，具有广阔的发展前景。目前，我国已有葛洲坝一南桥、三峡一广州、贵州一广 州、三峡一常州等数条高压直流输电工程投入运行。然而在实际运行中发现，当直 流输电系统以单极大地回路运行方式时，易导致其周围交流变电站的变压器出现直 流偏磁现象，换流变压器也会产生直流偏磁现象。对电网的安全稳定运行产生了较 大的影响【l 。j 。如2 0 0 2 年1 2 月三峡至常少h 士5 0 0 k v 直流输电系统开始调试和试运行 以来，武南两组5 0 0 k v 主变压器运行多次出现异常现象【4 】此外，广东电网也多 次出现由于直流输电单极大地回线方式运行引起的变压器中性点直流电流异常情 况【5 】。 由文献可以看出f 6 以们，造成变压器直流偏磁现象的还有地磁感应电流，太阳耀 斑爆发会在长距离输电线路中产生地磁感应电流( g i c ) ，其峰值可达2 0 0 a ，频率在 0 0 0 1 0 1h z 之间，与交流系统的5 0 h z 工频相比可近似看作一直流电流。地磁感应 电流对于电力变压器的影响直到1 9 4 0 年才见诸报道，1 9 4 0 年3 月2 4 日，在遭到强 烈地磁暴侵袭后，北美部分电网出现电压跌落、无功波动等异常现象】。美国、加 拿大、北欧及日本一些国家都报道过电力系统受到了g i c 的有害影响，其中尤以加 拿大的魁北克1 9 8 9 年受到g i c 的有害影响最严重，1 9 8 9 年3 月1 3 日，强磁暴引 起的偏磁电流导致了魁北克系统大停电，起因就是强磁暴引起的偏磁电流使变压器 铁心急剧饱和，谐波大增，导致电网s v c 装置的继电保护误动作，大量电容器退 出运行，系统电压崩溃，最终失去9 5 0 0 m w 负荷，电网解列近9 个小时，造成了严 重的社会影响和经济损失【1 2 1 。此外，随着国内长距离输电系统的发展，地磁感应电 流也对国内的电网安全稳定运行产生了一定程度的危害【1 3 】。 上述两种情况引发直流偏磁的过程基本相同。都是直流电流在两接地变压器间 产生电位差，直流电流流过变压器使铁心饱和，导致励磁电流畸变，产生大量谐波， 使铁心无功损耗增大，还可能引起系统得电压严重降低，导致系统的继电器误动作。 直流偏磁除了对电力系统产生影响外，对变压器本身也有很大影响，严重的磁饱和 会使正常情况下在铁心中闭合的磁通部分离开铁心，使变压器金属结构件损耗增 加，导致局部过热现象，破坏绝缘，损坏变压器或降低使用寿命。因此，研究变压 器的直流偏磁现象以及抑制措施对电力系统安全运行具有重要意义。 华北电力大学硕七学位论文 1 2 国内外研究现状 导致直流偏磁的原因主要来自两方面：一是中高纬度地区的地磁干扰( g i c ) ， 二是h v d c 接地极到变电站的电磁耦合。国外的研究多针对前者，国内的研究多针 对后者。但从本质来说，这两类问题解决的方法大致相同。 1 2 1 国外研究现状 国外从八十年代初就开始了地磁感应电流对电力系统及其设备运行性能影响 的研究，以及直流接地极对直流输电系统的影响。对于换流变压器而言，直流偏磁 主要是由于换相过程中绕组中出现直流电流引起的，对于电网中的变压器，直流偏 磁主要是由于直流输电系统单极运行地中直流把电网作为通路的一部分所致，和地 磁感应电流产生的直流偏磁相比，三者在本质上是一致的，产生的机理也一样。 1 9 9 3 年，日本东京电力、东芝、日立和三菱公司进行了联合的试验研究【6 1 。他 们在小变压器和大尺寸变压器模型( 尺寸为5 0 0 k v 、1 0 0 0 m v a 实体变压器的l 3 1 2 ) 试验分析的基础上，结合变压器的结构特点，提出芯式变压器的铁心拉板和 壳式变压器铁心的支撑板分别为直流偏磁下关键的过热部位，并给出这些部件的温 升与磁场强度的关系。加拿大魁北克电力公司于1 9 9 6 年提出“芯式变压器允许直 流电流的研究 7 1 ，在7 3 5 k v 实际电网中，从高压侧并联运行的单相3 7 0 m v a 和 5 5 0 m v a 变压器的低压绕组( 1 2 5 k v ) 通入直流电流( 直流电源串入并联的低压绕 组) ，进行直流偏磁的试验研究。此外，a b b 公司对5 0 0 k v 换流变压器允许1 5 a 的 直流偏磁也给予了阐述【1 4 1 。 在抑制变压器中性点直流电流方面，国外如芬兰等国家在2 0 世纪7 0 年代就开 始了相关研究，并有了一些工程先例。目前，国内外关于抑制流入变压器中性点直 流电流的方法主要有3 种【1 5 0 9 】：在变压器中性点装设电阻，限制直流电流的大 小反向电流补偿法，利用反向的直流电流来抵消或削弱直流电流的不利影响 在变压器中性点装设电容，阻断直流电流。 加拿大由于1 9 8 9 年3 月1 3 日h y d r o q u e b e c 电网事故的影响( 该次事故是由北 半球的强烈磁暴造成的) ，采取了在变压器中性点接入电容装置限制直流的措施【1 9 】。 该装置由一个电容器和相应的旁路保护装置组成，首先成功的经受了所有实验室内 的测试，然后被安装在一个地区变电站的变压器的中性点上( 沃特卢变电站的一个 1 2 0 k v 变压器) ，经过一年的现场实验，变电站的日常运行以及交流系统的保护没 有故障发生，装置本身没有发生故障或无故动作。1 9 9 5 年，a g h a l a y i n i 等人提出 一种方法，该方法为在靠近磁芯处放置开式三角绕组，通过可调式电流源馈电消除 2 华北电力大学硕士学位论文 g i c 流过变压器绕组时产生的磁动势，进而消除半周期变压器饱和，达到治理电网 中g i c 的目的。1 9 9 9 年，w c v i a n a ，r j ，m i c a l e f f 等人根据提出的可调式电流源 馈电治理方法，针对开式三角辅助绕组的放置位置对感应电压影响，分析了加入调 压绕组减小对感应电压的影响，并研究了辅助绕组和调压绕组在变压器内部的放置 位置对治理结果的影响【2 仉2 。芬兰也就在变压器中性点串电阻的措施进行了一些研 究，并有了一些工程实例【2 2 1 ，此外，在新西兰北岛一南岛电网连接工程中采用在变 压器中性点串联电阻的措施。 1 2 2 国内研究现状 国内关于变压器直流偏磁的研究随着直流输电工程的大量建设而日渐得到重 视。中国电科院针对三广直流输电系统出现的直流偏磁进行了相应的研究【2 3 1 ，基于 三广直流输电系统( 三峡一广东高压直流输电工程) 的调试结果，分析了有多个直 流系统落点的交流电网中直流接地极电流对交流电网影响的基本规律。提出为减小 直流接地极电流对交流电网的影响应合理安排直流系统的运行方式建立可靠的电 流通道，减小接地极的接地电阻或建立专门线路合理安排电网中交流变压器的接 地点和接地方式。江苏省电科院就三峡龙泉到江苏政平的+ 5 0 0 k v 直流输电出现的 直流偏磁问题与加拿大s e s 公司合作【2 4 1 ，根据龙政直流单极运行的工况，用s e s 公司开发的m l t z 计算软件，分析计算了流过变压器绕组的直流电流，分析了该 直流电流对三相芯式、三相五柱式和三相分体式等不同结构变压器偏磁的影响，并 结合实测结果分析了政平直流站对江苏5 0 0 k v 和2 2 0 k v 电网中性点接地运行的变 压器的影响，根据有关分析提出了相应的建议。南京理工大学的蒯狄正对2 0 0 2 年 1 2 月三峡5 0 0 k v 直流输电( 湖北龙泉一江苏政平) 单极运行时，常州武南两组5 0 0 k v 主变压器均出现噪声大幅度上升现象进行了分析，根据现场测试结果，分析江苏电 网地中直流分布的特点，建立相应的直流系统模型。分析了直流偏磁对变压器本身 以及继电保护装置的影响，并提出了治理变压器直流偏磁的措施【2 5 1 。华北电力大学， 天津大学等也就变压器的直流偏磁问题进行了大量相关的研究工作【2 6 。3 4 】。 国内就抑制变压器中性点直流电流的技术措施也进行了大量的研究，江苏电科 院的蒯狄正研究分析了地中电流对电网设备变压器、接地网、继电保护等影响，提 出了在变压器中性点注入反向直流电流，抵消直流偏磁的方法，并进行了工程应用 实施，在5 0 0 k v 常州武南变电所建成中性点注入反向直流装置【2 5 ”】。该方案的试 验效果结合三峡龙政线单极大地回线运行进行了实际验证试验。2 0 0 4 年1 0 月，三 峡直流输电单极对地运行时，武南两台5 0 0 k v 主变压器中性点分别出现约1 1 a 的 直流偏磁，当采用中性点注入反向直流装置自动启动补偿后，使残余直流偏磁电流 小于2 2 a ，变压器的噪声和振动大大下降，取得抵消直流偏磁的满意效果。中国电 华北电力大学硕士学位论文 科院结合岭澳和大亚湾核电站主变的具体情况，按实测的流过主变中性点直流电流 结果建立了相应的大地电网计算模型，分别对抑制直流输电系统单极大地回线运行 方式在变压器中性点引起的直流电流的3 种措旋及变压器中性点串联电容的方法进 行了深入的研究，并提出了有关设备的主要技术参数。提出抑制流入变压器中性点 直流电流的最优方法是在变压器中性点串联电容f 3 6 。国网武汉高压研究院的杜忠 东、董晓辉等人根据直流输电系统单极大地回线运行方式时变压器的直流偏磁原 理，提出了直流电位补偿法原理，并进行了正负电位补偿的模拟试验【3 7 1 。南方电网 技术研究中心的赵杰等人，针对高压直流输电系统单极大地回线方式运行时的直流 偏磁问题，提出了变压器中性点串接电阻器限制地中直流的措施 3 8 】。另外，广东省 电网公司在贵广直流输电工程中采用了在变压器中性点串入小电阻的方法，在三广 直流输电工程中采用了直流电流注入法的方案【”】。 综上所述，国内外关于抑制变压器直流偏磁的研究主要集中在在变压器中性点 上安装附加装置，从而达到削弱或阻断变压器中性点直流电流的目的，对变压器本 身结构尺寸，参数等方面的变化与减小直流偏磁效应的关系却没有进行过多的研 究。本文从变压器本身出发，通过对各种结构形式的变压器受到直流偏磁的影响进 行对比分析，对变压器有关结构参数和材料参数等方面进行适当的选取，通过改善 变压器的绕组结构，加装第三绕组，从而提高变压器承受直流偏磁的能力，保证电 力系统的正常运行。 1 3 本论文主要工作 地磁感应电流( g i c ) 以及直流输电都能够造成变压器产生直流偏磁，本文从 直流偏磁对电网安全运行以及变压器本身所造成的影响出发，研究了变压器直流偏 磁的外部治理技术，提出了基于内部结构的变压器直流偏磁抑制技术。 主要工作和研究内容包括如下几个方面： 1 针对现有的几种比较流行的变压器直流偏磁治理技术进行研究，分析了每种 治理技术的工作原理以及优缺点，在此基础上，提出基于变压器内部结构的直流偏 磁抑制技术。 2 变压器允许通过直流电流的水平与变压器的铁心结构及材料密切相关。本文 分别针对三相三柱式变压器、三相五柱式变压器、三相变压器组在直流电流影响的 情况下进行了相关仿真分析，分析了直流偏磁时变压器的励磁电流和磁链的波形， 并对不同结构的变压器承受直流电流的能力进行了对比分析。 3 对p s c a d e m t d c 软件中的经典法和u m e c 法的变压器模型进行了介绍与 分析。重点分析了两种模型模拟铁心饱和作用所采用的方法，通过比较分析决定采 用u m e c 模型进行加装补偿绕组的变压器直流偏磁现象的仿真。 4 华北电力大学硕七学位论文 4 对基于补偿法的变压器直流偏磁抑制措施进行了相关分析，运用 p s c a d e m t d c 软件搭建了系统仿真模型，分别对自激补偿法和外加直流电源补偿 法进行了仿真分析，论证了采用加装补偿绕组来抑制变压器直流偏磁的方法的可行 性。最后，从设计角度出发，对提高变压器抗直流偏磁的能力提出一些建议。 5 对论文工作做了总结，并对今后的工作进行了展望。 5 华北电力大学硕+ 学位论文 第二章直流偏磁外部治理技术优缺点分析 g i c 的频率在0 0 0 1 o 1h z 之间，与电网5 0h z 的交流相比，g i c 可看作 为直流【| 7 1 。因此，地磁和直流输电单极大地回路运行，都会使变压器产生直流偏磁 问题。直流偏磁使变压器成了交流系统中的谐波源，引起变压器本身磁路饱和，励 磁电流增加，消耗无功增加，使系统无功补偿装置过载或系统电压下降，此外，直 流偏磁还导致变压器振动和噪声增大，使变压器金属结构件损耗增加，导致局部过 热现象，破坏绝缘，损坏变压器或降低使用寿命【5 】。因此，需要采取措施来抑制变 压器的直流偏磁。目前，抑制变压器直流偏磁的措施主要有：中性点串接电阻、中 性点串联电容、反向电流补偿、交流输电线串联电容。 2 1 中性点串联电阻措施 2 1 1 中性点串联电阻措施原理 直流输电系统单极大地回线方式运行时以及磁暴发生时，流过变压器中性点的 直流电流或g i c 的大小不但取决于两变压器中性点之间的电位差，还取决于变压器 中性点接地电阻、绕组和连接线路的等效电阻，如图2 1 所示，在变压器中性点和 接地网之间串入一个电阻，可以使得流过变压器中性点的直流电流明显减小，把直 流电流限定在变压器允许的范围内。 嚣b 图2 1 中性点串联电阻原理图 2 1 2 中性点串联电阻措施的特点 在变压器中性点与接地网之间串联电阻的措施概念明确，原理简单，相对价格 低廉，易于实现，装置简单可靠，并且能够明显的降低变压器中性点的直流电流。 但是这种方法的缺点也是相对明显的。 中性点串接电阻接地法，在计算时，需要考虑将周边交流系统纳入计算模型， 6 华北电力犬学硕士学位论文 电阻数值和电阻安装位置需要合理选取和优化。选择电阻参数时还要考虑雷电流对 电阻的冲击，变电站地网冲击接地电阻、避雷器冲击接地电阻和杆塔冲击接地电阻 也应分别取相应的阻值，串联电阻阻值的整定繁琐。当电网结构发生变化时，整定 的接地电阻阻值相应的需要重新计算，装置的串联电阻需要更换。另外，这种方法 无法完全抵消流入变压器中性点的直流电流，有时为了达到限流的要求，装设的限 流电阻阻值应足够大，这样大的电阻不能保证系统可靠接地，影响系统运行安全。 当变压器中性点串接电阻器后，会对系统的过电压产生一定影响，有雷电波侵 入变压器时，将会在中性点电阻器上产生雷电过电压，雷电过电压的影响主要通过 雷电侵入波施加，雷电波通过传输线侵入变压器后从中性点流入接地网，从而在串 接电阻器上建立起暂态过电压，当电阻器暂态阻抗较大时，就会有较多的雷电侵入 波进入中性点串接电阻器，使得中性点电位有较大的提高，幅值过大就会对变压器 产生很大的影响。当系统发生不对称故障时，在系统故障发生后至断路器分闸之前， 变压器中性点有较为明显的工频电压升高，将会有较大的工频电流流过电阻器，并 且会产生较大的热功率，对变压器的绝缘造成一定的影响，因此，应选择热容量较 大的电阻器，同时采用并联保护措施。此外，如果串入的电阻器阻值较大，有可能 也会对系统的操作过电压产生影响。 继电保护系统是电力系统安全运行的重要保障，中性点串接电阻器之后，会改 变系统的零序参数，对于继电保护可能会产生影响。中性点串接电阻器就线路而言 相当于改变了外部元件参数，因此对差动保护的测量没有影响。中性点串入电阻器 对零序方向元件有一定的影响，当电阻器数值较大，零序方向动作最灵敏角度将发 生偏移，不在零序方向可靠动作区内时，将会影响方向比较式保护的正确动作。中 性点串接电阻对距离保护的影响不太大，主要是会对接地阻抗继电器产生一定的影 响。零序电流保护受中性点接地状况的影响比较明显，中性点串接电阻器，实际上 是改变了零序网的阻抗数值，如果电阻器阻值较大，零序阻抗和零序电流将产生较 大的变化，进而影响零序电流保护。 此外，在某一个变压器中性点安装电阻器，可能导致其他变压器中性点流过的 直流电流发生变化，会给电力系统带来新的影响，因此需要对串接电阻器的安装位 置进行优化配置。 2 2中性点串联电容措施 2 2 1 中性点串联电容措施原理 中性点串联电容，是利用电容器的阻直流、通交流的隔离特性来阻断直流电流 或g i c 的。电容能够使直流电流交流系统中的流通回路被阻断，而不影响交流电流 7 华北电力大学硕士学位论文 的流通，从而达到消除直流电流的目的，如图2 2 所示，变压器中性点串联电容后 接地，阻断了直流电流的流通回路，从而消除了直流电流或g i c 对变压器的影响。 当变压器中性点装设电容后，当变压器高压侧发生单相接地故障的情况下，变 压器中性点会流过很大的电流，并产生幅值很高的暂态电压，容易击穿电容，因此 需要大容量的电容器，但是这样会增加成本，为了缩减成本，节省安装空间，可以 装设电流旁路保护装置，当电容器两端电压超过一定限值后，电流旁路保护设备动 作，从而使电容器旁路，达到抑制中性点电容器上的暂态电压的目的，同时也避免 了对变压器中性点绝缘的不利影响，确保了变压器安全可靠地运行。在短路故障清 除后，电容器重新投入运行。当电容或其他设备有故障时，保护间隙用来防止在变 压器中性点出现超过其绝缘水平的过电压。如果变压器中性点电容器损坏或电流旁 路保护装置发生故障，则可以把与他们并联的旁路刀闸闭合将电容器或旁路保护装 置旁路，使变压器中性点直接接地，然后再打开装置两端的隔离刀闸，使其与系统 隔离，即可对电容器或电流旁路保护装置进行维修们。 图2 - 2 中性点串联电容原理图 中性点串电容器需要选择合适的电容器参数。变压器中性点串电容器其电容的 大小与中性点流过的直流电流大小无关但是在选择电容器阻抗值时，选择的阻抗 值不宜过大，避免在系统中引起工频或谐波谐振等过电压。在整套治理装置中还需 要考虑电流旁路保护装置参数和保护间隙参数的设定。电流旁路保护装置的动作电 压应高于以下两种情况下在电容器两端产生的电压的叠加值，在系统正常运行工况 下中性点交流电流在电容器两端产生的交流电压峰值和两条直流输电系统同时处 于同极性单季大地回线运行、且输送的直流功率为过负荷最大值时的在中性点电容 器两端产生的直流电压。电流旁路保护装置动作后，保持电容器被旁路的时间应大 于单相接地故障后备失灵保护的动作时间。保护间隙动作电压应低于主变中性点绝 缘水平，但应高于电流旁路保护装置的动作电压。对于电流旁路保护装置应力应能 华北电力大学硕士学位论文 够承受单相永久接地故障下不成功重合闸引起的对旁路装置连续2 次短路冲击和单 相重合闸期间，系统非全相运行状态下流过电流旁路保护装置的不平衡电流。 2 2 2 中性点串联电容措施的特点 在变压器中性点安装电容器，能够有效的消除流过变压器中性点的直流电流或 g i c ，同时又不影响交流电流的流通，保证了变压器中性点有效接地。然而在一些 异常情况下，比如交流故障，雷击等，主变中性点流过很大的电流，产生幅值很高 的暂态电压，这样有可能损坏电容器。 变压器中性点串联电容后，在主变高压侧发生单相接地故障等情况下，主变中 性点会流过很大的电流，从而在变压器中性点产生幅值很高的暂态电压，容易击穿 电容。当旁路装置未安装时，为避免产生的暂态电压击穿电容，电容需要有较大的 容量，占用空间也很大，费用昂贵，对变压器中性点绝缘有不利的影响，因此，安 装的容抗值应尽可能小，也可以避免产生铁磁谐振或其他过电压。安装旁路装置虽 然能避免这些问题，但是也会带来许多附加的问题，像电流旁路保护装置的误动、 保护间隙的误动，以及使装置变得更加复杂，需要考虑的参数增多。 在变压器中性点安装带有电流旁路装置的电容后，电流旁路保护装置的动作电 压必须准确给出，以防止电流旁路保护装置误动，使装置失效，或电容被击穿。电 流旁路保护装置动作后保持的时间应适当选择，如果电容器被旁路的时间小于单相 接地故障后备失灵保护的动作时间，也将导致电容器损坏，危害系统安全运行 2 3 反向电流补偿法措施 2 3 1 反向电流补偿法原理 这种方法是在变压器中性点串入一个直流电压源，根据所检测到的直流电流 值，动态调整该电压源设置，实时提供反向的直流电流。目前国内已有反向注入电 流装置应用在武南变电所的主变上，装置组件及原理接线如图2 3 所示【2 5 1 。 装置包括变电所外约3 0 0 m 处的独立补偿接地极、变电所内直流发生装置，限 流电抗器及变压器中性点直流电流监测和控制装置等。注入反向直流装置的“地 端为变电所外部的独立补偿接地极，直流发生装置的“输出端接限流电抗器，限 流电抗器的另一端接变压器中性点。限 电流。变压器中性点直流电流监测和控 据中性点直流电流值和方向，自动启动 流，达到限制变压器中性点直流电流的 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 反向注入补偿电流装置原理图 2 3 2 反向电流补偿法措施的特点 豫臻 反向电流补偿装置使用灵活，针对不同的中性点流入的直流电流值，可以动态 地选择注入不同的反向电流，具有一定的灵活性，补偿效果明显，实施较简单。但 是，反向电流补偿法也具有一定的缺点。 由于自耦变压器的存在，以及地中直流电流分布的复杂性，变压器中性点注入 反向电流的方法并不能完全抵消从中性点流入的直流电流；这种方法必须另外装设 一个接地网，就是在变电站外建造一个独立接地极，工程量比较大，成本比较高； 反向补偿电流值比较难确定，当系统直流偏磁消失时，补偿装置如不能及时反应， 则反向补偿电流将成为偏磁电流，为此，补偿电流值稍小于为系统所能承受的最大 直流偏磁电流；补偿电流有可能加剧系统接地网的腐蚀；另外，根据相关的研究和 试验表明，补偿电流法的效率较低，为了在中性点获得一定的补偿电流，注入的直 流电流往往是获得补偿电流的几倍到几十倍。 2 4交流线路上串联电容措施 2 4 1 交流线路上串联电容措施原理 在交流输电线路串联电容器，可以隔断交流系统中的直流电流，达到抑制直流 l o 华北电力大学硕士学位论文 偏磁的目的。这种方法主要利用电容器的隔离作用，隔断直流电流在输电线路中的 流通，切断直流电流流通回路。其工作原理如图2 4 所示。 器8 图2 4 交流线路上串联电容原理图 2 4 2 交流线路上串联电容措施的特点 在交流输电线路串联电容，是利用电容器的通交流、阻直流的隔直特性来工作 的，它使得直流电流被阻断不能流通而达到消除的目的。这种方法能够将流过变压 器中性点的直流电流限制到零。能够有效隔离交流系统中可能流过直流电流，并同 时能够增大线路的输送能力，提高交流系统的暂态稳定性。 在交流线路上串联电容，由于电容是装设在高压线上，对电容自身的要求较高， 串联电容器设备昂贵，增大了投资，而且安装电容器需要一个较大的空间，其经济 性和实用性方面都有所欠缺。 ，。 输电线路上串联电容器，考虑到系统单相对地短路时，线路上将通过非常大的 零序短路电流，如果选用的电容器达不到性能要求的话就很容易损坏甚至爆炸，影 响电力系统安全运行。当系统中存在自耦变压器时，仅在一个电压等级的输电线路 上装设串联电容，此时由于自耦变压器的原、副边存在电气连接关系，直流电流将 会流过自耦变压器流到另一个电压等级的线路，导致其他相邻系统出现直流电流， 危害系统安全。所以，在与自耦变压器相连的所有出线上均串电容器，才能有效 地抑制流过相关变压器中性点的直流电流，这样会增加系统建设投资。 2 5 本章小结 本章介绍了抑制直流偏磁的4 种措施：即中性点串电阻、中性点串电容、反向 电流补偿、交流输电线串联电容。对其原理及其优缺点进行了具体的分析。 变压器中性点串电阻器、串电容、加反向电流补偿，以及输电线路串联电容器 都能达到抑制变压器直流偏磁的目的。但在一个变压器中性点安装治理装置有可能 导致其他位置变压器中性点流过的直流电流的变化。变压器中性点串联电阻器，有 华北电力大学硕十学位论文 可能影响变压器中性点的有效接地，并且影响到继电保护的整定，当系统故障时， 还会导致变压器中性点过电压等一系列问题。变压器中性点串联电容器装置比较复 杂，需要带有电流旁路保护设备，因此需要设置较多的参数，并且对系统过电压和 继电保护也有影响。反向补偿电流法需要另外设置一个接地极，工程量大，同时装 置复杂，维护费用高，同时有可能加剧接地网的腐蚀。交流输电线路上串联电容器， 由于电容安装在高压线上，对电容自身要求较高，另外，电网中存在自耦变压器时， 需要安装电容器的数量增多，影响系统的经济性。 总之，以上抑制变压器直流偏磁的措施是从补偿、消弱、消除直流电流出发采 取的外部治理方法，但这些外部抑制措施可能带来新的电网安全问题，因此，本文 重点针对变压器内部结构的直流偏磁抑制技术进行了相关研究。 华北电力大学硕士学位论文 第三章铁芯结构对变压器直流偏磁的影响 变压器允许通过直流电流的水平与变压器的铁心结构及材料密切相关。不同铁 心结构的变压器，中性点流过同样大小的直流电流时，变压器受直流偏磁影响的程 度是不同的。本章主要研究了三相三柱式变压器、三相五柱式变压器、组式变压器 的直流偏磁特性。 3 1 电路和磁路耦合的仿真方法 对于变压器直流偏磁的计算，电路磁路相结合的方法已经得到应用。下面介绍 电路一磁路法，如图3 一l ( a ) 表示一个接线为r o a 方式变压器的等效电路图，图3 一l ( b ) 则是把变压器用t 型等效电路简化后的电路图。根据电路图，可以列出电路 的微分方程： 图3 1 变压器等效电路图 = ( 尺+ ) + ( + 厶) 鲁+ 巴+ = ( 尺+ ) + ( 三+ 厶) 鲁+ e + 咋= ( 尺+ ，i ) + ( + 上1 1 _ 1 ， 瓦d i e + 置+ e + 瓦+ 巨= 3 ( 厶鲁嘲) = f 2 + 乙 ( b ) ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 = 之+ 6 = + k ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) “。、u b 、心表示变压器二次侧等效的开路电压，r 、l 为线路的等效电阻和电 感，厶、厶、，i 、吃分别为变压器的一次二次的等效参数，l o 为励磁参数。由于y o a 接线方式，所以 华北电力大学硕士学位论文 3 2 三相三柱式变压器的直流偏磁特性 3 2 1 计算用变压器参数 对实际的变压器进行仿真，所采用的变压器是s f z 4 0 0 0 0 11 0 型三相三柱有载 调压器，该变压器的基本技术参数如下： 表3 1s f z 4 0 0 0 0 11 0 型变压器结构参数 额定容量：4 0 0 0 0k v a 额定参数额定电压：( 11 0 + 8 2 5 ) 2 0 k v 频率：5 0 h z 绕组连接组别 y n ，d 1 1 阻抗电压( ) 1 1 3 5 铁心直径：6 0 0 铁心尺寸( n u n )铁心高度：2 6 2 5 心柱中间线间距：1 2 1 0 内半径外半径高度相电流 绕组参数 ( m m ) ( m m )( 1 m ) 匝数 ( a ) 高压8 7 11 0 6 24 2 0 3 71 2 9 22 3 3 低压 6 4 37 8 74 2 0 3 71 0 71 2 6 9 3 2 2 仿真结果 根据3 1 节所述电路和磁路耦合的方法建立变压器的数学模型，对变压器的直 流偏磁特性进行仿真研究。仿真结果如下，空载状态时，三相三柱变压器在不同直 流偏磁下的三相励磁电流波形如图3 2 所示： i k = 0 al 艴= 0 5 a 华北电力大学硕士学位论文 华北电力大学硕士学位论文 从图3 2 和3 3 中可以看出，当变压器中无直流电流时，由于三相三柱变压器 的三相铁心相互关联，因此三相励磁电流相位互差1 2 0 度但幅值不相同。a 相和c 相励磁电流幅值相同，而b 相的幅值较小。给变压器施加直流电流时，直流偏磁电 流基本不影响三相三柱变压器绕组电流的畸变程度，绕组电流基本没有畸变，整个 电流波形表现为沿纵轴平移，偏移量即为所施加的直流电流幅值，总磁链相对于磁 链零线的偏移f 1 4 , ，基本没有偏移，因此，由此可以看出，三相三柱变压器对直流 偏磁有较强的抑制作用，能够抵抗较大的直流电流影响。 3 2 3 励磁电流及磁链与直流偏磁电流问的关系 取不同等级的直流偏磁电流，计算对应情况下的励磁电流和磁链，可得到如表 3 2 所示数据。从表中可以看出，直流入侵三相三柱变压器不会造成三相磁磁链的 偏移，励磁电流波形未畸变，仅是沿着纵轴平移，且偏移量为流入变压器各相绕组 的直流电流幅值，相应增加绕组铜损，因此较大幅值的直流偏磁电流进入三相三 柱变压器会使绕组铜耗增加，但是不会明显影响系统的运行性能。 表3 2 三相三柱变压器空载运行时a 和b 相励磁电流及磁链与中性点直流电流问的关系 ( 1 ) a 相 电流峰值电流平均值电流有效值磁链平均值 磁链峰值 直流电流l o ( a )0 ( a )0 ( a )丸( w b )( g b ) ( 彳) 0o 8 1 9 8 7o 0 0 1 20 5 6 2 4 50 0 0 0 53 5 0 0 2 3 2 0 1o 9 1 9 8 70 0 9 8 90 6 2 9 8 70 0 0 0 53 5 0 1 2 0 4 0 51 3 2 1 4 50 4 9 9 90 9 0 5 5 7 0 0 0 4 93 5 0 0 0 4 2 l1 8 0 6 4 70 9 8 7 51 3 5 9 9 40 0 0 4 83 4 9 9 8 4 5 1 52 3 18 6 21 4 9 8 51 6 1 4 5 20 0 0 0 53 5 0 0 1 4 2 2 2 8 1 4 3 6 2 1 2 5 81 9 1 5 2 4 0 0 0 0 53 5 0 0 4 5 2 55 8 2 0 4 15 0 4 3 23 8 2 4 1 10 0 0 0 53 5 0 0 2 3 2 ( 2 ) b 相 电流峰值电流平均值电流有效值磁链平均值磁链峰值 直流电流气 k ( a )0 ( a )( a ) 丸( 1 , r b )( 1 j , b ) ( 么) 00 6 1 6 7 1o 0 1 4 10 4 3 1 7 0 0 0 2 7 13 5 0 0 1 4 5 0 10 7 1 4 3 80 1 0 0 40 5 0 0 0 10 0 2 7 5 3 5 0 1 7 7 l o 51 1 1 6 4 70 5 0 1 10 8 0 8 1 20 0 2 7 53 5 0 1 7 7 4 l 1 6 1 5 7 1 1 0 1 2 4 0 9 8 2 4 50 0 2 7 53 5 0 1 7 7 6 1 52 1 1 6 7 11 5