基于电位补偿的变压器直流偏磁抑制装置

尹忠东，王帅，王书瑶

（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206）

0 引 言

地磁风暴和高压直流输电单极大地运行时，产生的地电流可能会使地面上的交流变压器发生直流偏磁。尤其是后者，随着全国范围内直流输电工程的大量投入运行，发生直流偏磁的交流变压器也越来越多［1-4］。

交流变压器发生直流偏磁时，会产生大量谐波，噪声以及热损耗，甚至导致变压器损坏，严重影响电网安全运行［5-7］。因此对变压器直流偏磁抑制装置的研究具有重要的实际应用价值。

目前，国内关于抑制直流偏磁的方法包括变压器中性点串小电阻法、电容隔直法、直流电流反向注入法、电位补偿法、输电线串电容法、改善电网中的直流分布、降低变压器的运行工作点［6-8］等，应用最多的是前四种方法。

四种方法中，中性点串小电阻法具有电路结构简单的优点，但不能彻底的抑制中性线电流，且小电阻的串入会使中性点发生偏移，对继电保护产生影响；电容隔直法具有相似的问题；反向电流注入法通用性好，且不会使中性点发生偏移，但是装置结构最复杂，前期投资以及后期维护成本都极高；电位补偿法能彻底抑制中性点直流电流，其结构复杂程度适中，前期投资和后期维护较反向电流注入法少，更具普适性。

当前基于中性点串小电阻方法和电容隔直法抑制直流偏磁的装置都已经有投入运行的工程实例。就效果而言，中性点串小电阻的方法只能抑制部分直流电流，且对小电阻的选取具有一定限制要求；电容隔直法对直流偏磁的抑制效果较明显，但是旁路保护电路复杂；电位补偿法尚未有相关的样机以及相应的工程实例［9-13］。

本文基于电位补偿的原理，设计了抑制直流偏磁电流的新型装置，在此基础上制作了样机，并在实验室环境下模拟试验，结果良好。

1 抑制方法原理及主拓扑设计

1.1 电位补偿法原理

借助图1介绍电位补偿法原理。用一个可调直流源Us模拟产生直流偏磁电流的电势；R2表示直流偏磁电流流经的大地电阻、变压器电阻以及交流输电线路电阻加和的等效电阻；T1、T2表示发生直流偏磁的变压器。图1中虚线框表示直流偏磁抑制装置，其可等效为由中性线电流Is控制的受控电流源。

图1 电位补偿原理Fig.1 Theory of electric potential compensation

正常情况下，Us为零，旁路开关K闭合，变压器T1，T2中性点直接接地。当Us不为零时，则在变压器中性线上会产生偏磁电流Is，当Is超过某一设定值时，旁路开关K断开，补偿装置投入。此时图1电路简化为图2。

图2 等效电路Fig.2 Equivalent circuit

在图2中：

除受控源以外的部分电路由KVL得：

对于节点1，由KCL得：

式（1）～式（2）中 Us是可调的直流源；I（Is）是关于Is的函数，表征受控电流源与Is的关系。

由式（1），式（2）可得：

由式（3）知，当两台交流变压器之间没有直流电流（即Is=0时），直流偏磁得到有效抑制。此时抑制装置在R1两端补偿的电位与偏磁直流源电位大小相等，这就是电位补偿法的原理。

1.2 基于电位补偿法的直流偏磁抑制装置拓扑

本文提出了基于12脉波晶闸管半控整流结合双向转换开关拓扑结构的直流偏磁抑制装置。装置采用电位补偿法，通过控制装置中晶闸管的导通角，实现对偏磁电流的抑制。

主电路拓扑如图3所示：包括12脉波整流电路、滤波电路、保护电路、极性转换开关和装置旁路保护电路五部分。12脉波整流电路由两个6脉波整流电路串联构成，输出电压等级高，波动小；滤波电路由电感L2和电容C构成，使输出直流电压更平稳；双向开关K1可使抑制装置实现电位的双向补偿；补偿电阻为R1；保护电路由二极管D2、D3，扼流线圈L1构成，能有效防止交流母线发生短路时，短路电流损坏整流电路器件；极性转换开关根据检测到的中性线电流的方向动作，保证装置能抑制不同方向的偏磁电流；旁路保护电路主要由放电气隙K2和继电器K3组成，当K2被击穿时，K3闭合，在交流系统发生短路时保护整个抑制装置不被损坏。实际上二极管保护电路和装置旁路保护电路实现了对抑制装置关键器件的双重保护。

图3 直流偏磁抑制装置主拓扑Fig.3 Main topology of the restrain device for dc magnetic bias

该装置优点在于电路结构和控制简单、可靠性高、容量大、成本低，实现偏磁电流的完全抑制，且具有普遍适用性。

整个装置通过A、B两个接线端与变压器的中性线相连接，且A端接变压器中性点，B端直接接地。

2 抑制装置参数计算与控制

2.1 抑制装置元件参数计算与设计

装置中整流变压器、双桥12脉动整流器中晶闸管和二极管以及保护电路中的二极管的参数，是在未施加旁路保护电路的条件下，通过仿真分析交流侧母线发生短路故障时各器件的电压和电流波形确定的，这里不做详细叙述。本文着重分析抑制装置中旁路保护电路的设计及其必要性。

设该抑制装置要应用于某高压变电站，变电站变压器的型号为3x（ODFPS-250000/500）。当交流母线发生单相接地时，变压器中性线电流最大为：

式中I0tr是最大暂态电流；Ir是变压器额定电流。

该型号变压器短路阻抗比按12%计算；最大暂态电流按照其稳态值的1.8倍估算。该型号变压器额定电流为866 A，则代入式（4）得到变压器中性线中的最大电流为：

由于电阻R1为1Ω，该电阻上最大压降为：

对于12脉动整流电路，考虑输出直流电位范围为（-400，+400）V，因此整流桥输出的最大电流为：

由式（6）和式（7），得到在未加旁路保护电路的情况下，当交流母线短路时通过装置的交流电流的有效值不能超过Idc，因此有：

把式（6）与式（7）代入式（8）得：

由式（8）、式（9），未加旁路保护电路时，装置需要大容量的扼流电抗，这无论是从工艺制造还是从经济性考虑都不合理，因此有必要设计旁路保护电路。

旁路保护电路采用的是放电间隙和保护继电器相结合的方法，避免了传统抑制装置中反并联晶闸管的应用，降低了成本和控制电路。继电器的电流互感器安装在放电间隙支路。当交流母线发生短路故障时，放电间隙击穿，然后继电器快速闭合，使整个抑制装置旁路。

设定一次电流大于2 000 A时，继电器闭合。则放电间隙击穿前，1Ω电阻两端电压为2 000 V，此时按照式（7）和式（8）计算得扼流电感为：

对比式（9）和式（10），旁路保护电路的设计，大大减小了所需扼流电感的数值和容量，同时降低了对主电路部分元器件参数的选取要求，提高整个装置的性价比。

2.2 直流偏磁抑制装置控制设计

整个装置的控制包括12脉动晶闸管桥式半控整流电路的控制、双向开关K1的控制和保护开关K的控制。

装置的控制目标和采集信号都是变压器的中性线电流Is。具体的控制流程如图4所示。将实时采集的中性线电流信号Is传输到控制系统，对Is进行大小判断，如果Is超出了所要求的范围，则认为发生了直流偏磁；与此同时对Is进行方向判断，设电流由A流向B为正，由B到A为负，进而驱动双向开关的闭合方式；而后，控制电路产生信号触发整流桥中的晶闸管导通，触发角的不断减小会使直流侧电压不断增大，最终使得抑制装置输出在电阻R1两端的电压与偏磁电动势相等，这样就实现了电位补偿，抑制了变压器中性线上的偏磁电流Is。

图4 抑制装置控制流程Fig.4 Control flow chart of the restrain device

3 仿真与试验

基于补偿原理和控制流程，在PSCAD/EMTDC软件环境下进行仿真，仿真参数见表1。

表1 仿真参数Tab.1 Parameters for the simulation

仿真用可调直流源模拟产生偏磁电流的电势，该可调直流源的输出如图5所示。

图5 U s电压波形图Fig.5 Waveform diagram of voltage U s

图6是变压器中性线中的电流Is的变化波形。在0.5 s时刻，Us突变为80 V，此时Is大于之前设定的3 A，装置判断变压器发生了直流偏磁，开关K断开，此时判断Is的方向，判断结果为正，双向开关上路闭合，经过延时后，脉冲触发电路分配脉冲给晶闸管。经过0.14 s，Is被控制在了3 A内；在1.5 s时刻可调直流源Us变为0 V，表示直流偏磁消失，检测到Is会出现反向，晶闸管触发角信号复位，闭锁脉冲，旁路开关K闭合，系统恢复正常。同理在2 s时刻，系统发生负向直流偏磁，补偿与前面类似，不做复述。

图6 中性线电流I s波形Fig.6 Waveform diagram of the neutral line current I s

图7 试验主接线Fig.7 Main wiring for the experiment

表2 试验主要参数Tab.2 Main parameters for the experiment

根据仿真计算所得参数以及控制流程，制作了直流偏磁抑制装置样机，并在实验室进行了物理模拟试验。主接线如图7所示，参数见表2。主接线中电阻R3的目的是在实验室环境下，为中性点电流的检测提供通路：当极性调节开关K3断开时，偏磁电流消失，此时若无R3存在，则变压器T1中性点上检测不到反向电流，控制会失稳。在实际工程中该电阻可等效为两变压器接地中性线之间的大地电阻。

试验通过调整T3，使装置未投入时，变压器中性线上的直流电流大于3 A。装置投入运行后，检测到装置输出电流波形如图8所示。

从图8（基准值为50 A）可知，该直流偏磁抑制装置能够在检测到偏磁电流超标后，在0.2 s内快速动作，并在0.4 s左右将偏磁电流抑制到规定的范围内，验证了装置的可行性。注意到图8中，在15.8秒左右有小峰值，经分析，为抑制装置柜内电容放电形成，不会对装置造成不良后果。

图8 装置输出的电流波形Fig.8 Output current wave form by the device

经测量中性线偏磁电流，装置未投入时偏磁电流为9.10 A，装置投入运行后，中性线电流减小为2.68 A，满足小于3 A的工程实际要求，且该结果与电路理论计算结果基本相符，验证了试验结果的正确性。

4 结束语

变压器直流偏磁会对变压器本身乃至整个电力系统运行带来诸多不利影响。因此，对于抑制直流偏磁的方法和装置的研究显得尤为重要。本文分析了基于电位补偿法抑制变压器直流偏磁的原理，提出了基于电位补偿发抑制变压器直流偏磁主电路拓扑，并且分析计算了主要元件参数和控制流程，最后进行了仿真验证以及实验室条件下的物理模拟实验，且仿真和试验效果良好。为当前变压器直流偏磁抑制的工程实践提供了借鉴。