一種抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法
2023-10-04 22:58:59
專利名稱：一種抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法
技術領域：
本發明屬於緊急保護電路裝置領域，尤其涉及一種用於抑制變壓器中性點直流電 流的緊急保護電路裝置。
背景技術：
隨著我國電網的建設，越來越多的直流輸電線路(亦稱作高壓直流輸電)投入運 行，在區域電力系統互連中起到了十分積極的作用。
當直流輸電系統單極大地運行(亦稱作不對稱運行)時，地表會產生直流電壓差， 同樣的結果也可能由工業生產中直流接地造成(如直流電解等)。
由於大地的直流電位差，當輸電線路二端的變壓器都採用中性點接地的方式時， 大地直流差壓通過中性點接地對變壓器產生直流偏磁，交流變壓器中性點疊加直流分 量後產生磁偏，造成磁飽和，在交流系統中產生諧波、振蕩、噪聲，嚴重影響了交流 系統的安全穩定運行。其中帶來的明顯的後果是變壓器噪音大大增加，經測量，變壓
器噪聲的平均值大於75分貝，嚴重時甚至高達90分貝。
由於現在城市電網中變壓器離居民區一般很近，變壓器噪音的大大增加，往往造 成很大的社會問題，產生諸多不利影響。
同時，直流偏磁現象的存在，亦使得變壓器自身的損耗明顯增大，不利於節能降 耗和提高輸電線路的傳輸效率。
國內對220KV變壓器中性點接地運行方式中產生的直流源多有研究，進行了許多 理論分析和現場實際測量。由於220KV變電站跨距相對較長，在則較長的距離產生的 直流地電位差相對較大，因此容易構成直流迴路。根據國內一些測試報告數據顯示 220KV變電站中性點接地二端的電位差最大可以達到40V 50V之間，最大直流電流 可以達到30A左右。
為了有效降低直流電流，國內外一些地方採用在中性點接地迴路中串接電阻或電 容等方式解決直流電流引起的變壓器偏磁；
加拿大魁北克電力局下屬的2個單位，電力研究院IREQ和TransEnergie公司1993 年起聯合研製抑制中性點直流電流裝置，它用來限制高壓直流輸電系統在採用大地返 回方式時流入交流電網的直流電流。其工作原理是在變壓器中性點接入小容抗，在系
統故障時將其旁路。
國內有"變壓器直流偏磁的原理性仿真"研究，分析變壓器承受外部強制直流電流 的自御機理，闡明了直流單極大地電流是直流偏磁的源頭，提出了緩解變壓器振動的 若干運行措施。
從實際應用中歸納起來有以下三種方式來解決直流分量
1) 在變壓器中性點裝小電阻，以限制直流電流的大小。
2) 在變壓器中性點上串聯電容器，阻斷直流電流，故障情況下用晶閘管旁路。
3) 在變壓器周邊注入反電流方法抵消變壓器中性點的直流電勢，以減少中性點直流。
上述方法解決方法各有利弊，第一種方法簡單宜行，但不徹底，效果與地電位差 有關，如果地電位差較大，接地電阻受到系統制約有不宜增大時，效果就差。第二種 方法是一種比較徹底的抑制方法，但由於晶閘管的觸發等控制保護迴路的使用帶來了 可靠性的下降，和一些不確定的因素。第三種方法理論上可行，實際應用比較複雜很 難做到理想狀況，況且注入的直流電流又帶來了其他的問題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法，其 在整個中心點接地電流由小到大的變化過程中，隔直組件可靠的非線性特性保證了接 地迴路的連續性，避免了複雜的控制迴路和晶閘管元器件，內置的自動旁路保證隔直 隔直組件的萬無一失，不改變電網系統結構參數，同時在正常運行時又可將直流分量 徹底隔斷。
本發明的技術方案是提供一種抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法，包括在變 壓器中性點與接地極之間設置並聯的隔直單元和一次系統故障保護單元，其特徵是 將兩個有極性的電解電容反極性串接，在每個電解電容的兩端，以反極性方式並接一 個二極體，在保護電容的同時消除等電容串聯造成的容量減半效應，利用二極體的非 線性電阻特性，構成一個完整的具有良好交流通道的隔直單元。
同時，將至少兩個以上的二極體同向依次串聯，利用二極體的反向擊穿特性，構 成一個單向過電壓保護迴路，將兩個單向過電壓保護迴路反向並聯，構成一個完整的一次系統故障保護單元。
上述的隔直單元在正常工況下呈容性特性，當中性點電流增大時呈阻容特性，在 一次系統發生故障導致電流劇增時呈電阻特性，且隨著故障電流的增大其電阻值急劇下降至忽略狀態。
上述的一次系統故障保護單元在反向擊穿的極端情況下自動短路，直接將隔直單 元短路切除，使得變壓器中性點直接接地。
具體的，隔直單元包括第一電解電容、第二電解電容、第一保護二極體和第二保 護二極體，其中，第一和第二電解電容反極性串接，在第一和第二電解電容的正、負 極兩端，分別以反極性方式並接第一和第二保護二極體，串接後的電解電容及其相應 的保護二極體，連接在變壓器中性點與接地極之間。
一次系統故障保護單元包括兩個反向並聯的第一和第二單向過電壓保護迴路；所 述的第一單向過電壓保護迴路第1個二極體的正極與變壓器中性點連接，第n個二極
管的負極與接地極連接；所述的第二單向過電壓保護迴路第1個二極體的負極與變壓 器中性點連接，第n個二極體的正極與接地極連接。
進一步的，在所述的變壓器中性點與接地極之間，還可設置一旁路開關，用於將 所述的隔直單元和/或一次系統故障保護單元退出運行，將變壓器的中性點直接接地。
在述任意一單向過電壓保護迴路與接地極之間，設置一過流動作線圈，過流動作 線圈的輸出信號用於啟動所述旁路開關的閉合接通動作。
與現有技術比較，本發明的優點是
1.在電容兩端反極性並接二極體，利用二極體非線性區域的特性，兼顧了一次運 行方式和故障情況，合理設置了轉折點，既不影響現有繼電保護裝置的系統參數，又 不會改變原來一次系統的各種工況，還達到了降低變壓器噪聲的發明目的；
2.將兩個有極性電解電容反極性串接，再並接一對二極體的組成方式，電容的容 量比傳統接法提高了一倍，可以將交流大電容的體積大大減少，同時還可保障電解電 容的運行安全性；
3. 利用多個大功率電力電子器件二極體的串聯電路構成一次系統故障通道，電路 結構簡潔，避免了複雜的控制迴路和晶閘管元器件，可大大降低其製造/使用成本和維 護工作量；
4. 二極體串聯的壓降大於地表電壓差，所以正常情況下將只有很小的漏電流流 過，元件幾乎沒有發熱量，在故障情況下由於短路電流時間極短，且電流受到變壓器 短路阻抗的限制以及旁路開關的作用，故無需對二極體進行散熱處理，亦有利於縮小 整個裝置的體積；
5. 該裝置由於沒有控制迴路，電路結構簡單，運行中不存在維護問題。所選的 元器件均為常用的電力電子器件，性能穩定，可靠性高，即便運行中某個元器件發生問題，也不會產生嚴重後果。
圖l是本發明的等效電路拓撲圖2是本發明隔直單元的電路結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
圖1中，本發明包括在變壓器中性點O (或O')與接地極Q (或Q')之間設置 並聯的隔直單元l (或r)和一次系統故障保護單元2 (或2')，其發明創造點在於， 將兩個有極性的電解電容反極性串接，在每個電解電容的兩端，以反極性方式並接一 個二極體(具體連接方式見圖2)，在保護電容的同時消除等電容串聯造成的容量減半 效應，利用二極體的非線性電阻特性，構成一個完整的具有良好交流通道的隔直單元
1(或1『)。
換句話說，其隔直單元包括第一電解電容、第二電解電容、第一保護二極體和第 二保護二極體，其第一和第二電解電容反極性串接，在第一和第二電解電容的正、負 極兩端，分別以反極性方式並接第一和第二保護二極體，串接後的電解電容及其相應 的保護二極體，連接在變壓器中性點與接地極之間，構成一個完整的隔直單元。
隔直單元在正常工況下呈容性特性，當中性點電流增大時呈阻容特性，在一次系 統發生故障導致電流劇增時呈電阻特性，且隨著故障電流的增大其電阻值急劇下降至 可以忽略狀態。
此外，本發明的第二個發明創造點在於，將兩個以上的二極體同向依次串聯，
利用二極體的反向擊穿特性，構成一個單向過電壓保護迴路2-l、 2-2 (或2-l'、 2-2')， 將兩個單向過電壓保護迴路反向並聯，構成一個完整的一次系統故障保護單元2 (或 2')。
由圖可見，其一次系統故障保護單元包括兩個反向並聯的第一單向過電壓保護回 路2-l (或2-l')和第二單向過電壓保護迴路2-2 (或2-2')，每個單向過電壓保護迴路 包括n個(n$2) 二極體，各二極體同向依次串聯，第一和第二單向過電壓保護迴路反 向並聯後，連接在變壓器中性點與接地極之間，構成一個完整的一次系統故障保護單 元2 (或2')。
第一單向過電壓保護迴路第l個二極體的正極與變壓器中性點連接，第n個二極體的負極與接地極連接；第二單向過電壓保護迴路第1個二極體的負極與變壓器中性點連接，第n個二極體的正極與接地極連接。
一次系統故障保護單元在反向擊穿的極端情況下自動短路，直接將隔直單元短路 切除，使得變壓器中性點直接接地。
在所述的變壓器中性點與接地極之間，還可設置一旁路開關4 (或4')，用於將隔 直單元和/或一次系統故障保護單元切除，使其退出運行，將變壓器的中性點直接接地。
進一步地，為了取得更佳的效果，還可在某一路單向過電壓保護迴路中(圖中以 2-2為例)串接一過流動作線圈，過流動作線圈的輸出信號用於啟動所述旁路開關的 閉合接通動作。圖中以第二單向過電壓保護迴路2-2為例，在所述第二單向過電壓保 護迴路第n個二極體的正極與接地極之間，設置了過流動作線圈2-3 (或2-3')。
採用上述技術方案，在整個中心點接地電流由小到大的變化過程中，隔直組件可 靠的非線性特性保證了接地迴路的連續性，避免了複雜的控制迴路和晶閘管元器件， 內置的自動旁路保證隔直隔直組件的萬無一失，不改變現有電網系統的結構參數，同 時在正常運行時又可將直流分量徹底隔斷。
實際工作時
1. 大地直流電流Iz在二臺變壓器中心點接地之間的土壤電阻Z上面產生電壓降(根 據實際測試此電壓的最高值可達40V 50V之間)；
2. 在電阻Z的中心點接地二端電壓通過變壓器中心點接地線和架空線構成迴路， 使得變壓器產生偏磁；
3. 接地迴路串聯電力大功率二極體，利用二極體的非線性電阻原理，與電容器的 合理配合構成組件，小電流通過電容，大電流通過二極體，構成極其簡單的隔離直流電流保證交流通道的良好效果；同時，由於大功率二極體短時承受大電流工作特性的 優點，元器件長期運行的可靠性極高。
一旦短路電流通過中性點接地，在短時期內通過二極體迴路，經過旁路開關的固 有合閘時間(4 10mS)直接就將中性點直接接地，即便旁路接地中性點短路電流全部通過二極體迴路，對裝置也沒有影響。
圖2中，將兩個有極性的電解電容Cl和C2反極性串接，在每個電解電容的兩 端，以反極性方式並接一個二極體D1和D2，利用二極體的非線性電阻特性，在保護電容的同時消除等電容串聯造成的容量減半效應，構成了一個完整的具有良好交流通 道的隔直單元。
由圖可見，第一和第二電解電容的正、負極分別與第一和第二保護二極體的負、正極對應連接。
由於二極體的非線性電阻特性，隔直單元在正常工況下呈容性特性，當中性點電流增大時呈阻容特性，在一次系統發生故障導致電流劇增時呈電阻特性，且隨著故障電流的增大其電阻值急劇下降至可忽略狀態。
綜上，本裝置由於運行中不發熱，電容小型化，整個體積非常小，不超過l立方 體積，可以就近安置在變壓器附近，只要是直流偏磁引起的變壓器噪音均可使用該本 方法進行噪聲的消除。
應該指出，上述實施方式的列舉，僅僅是為了有助於更好地理解本發明的技術方 案，而不應看作是對本發明技術方案的限定。
本領域的普通技術人員，在領會和掌握了本發明的創新意圖和設計思路後，無需 經過創造性勞動，完全可以在本發明上述技術方案的基礎上，派生出各種等同的或具 有相同功能的變形方案，而這些變形方案亦應屬於本發明請求保護的範圍。
本發明可廣泛用於電力系統輸變電領域。
權利要求
1.一種抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法，包括在變壓器中性點與接地極之間設置並聯的隔直單元和一次系統故障保護單元，其特徵是將兩個有極性的電解電容反極性串接，在每個電解電容的兩端，以反極性方式並接一個二極體，在保護電容的同時消除等電容串聯造成的容量減半效應，利用二極體的非線性電阻特性，構成一個完整的具有良好交流通道的隔直單元；將至少兩個以上的二極體同向依次串聯，利用二極體的反向擊穿特性，構成一個單向過電壓保護迴路，將兩個單向過電壓保護迴路反向並聯，構成一個完整的一次系統故障保護單元。
2. 按照權利要求l所述的抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法，其特徵是所述的隔直單元在正常工況下呈容性特性，當中性點電流增大時呈阻容特性，在一次系統發 生故障導致電流劇增時呈電阻特性，且隨著故障電流的增大其電阻值急劇下降至可忽 略狀態。
3. 按照權利要求1所述的抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法，其特徵是所述的一次系統故障保護單元在反向擊穿的極端情況下自動短路，直接將隔直單元短路切除， 使得變壓器中性點直接接地。
4. 按照權利要求1所述的抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法，其特徵是所述的 隔直單元包括第一電解電容、第二電解電容、第一保護二極體和第二保護二極體，其 中，第一和第二電解電容反極性串接，在第一和第二電解電容的正、負極兩端，分別 以反極性方式並接第一和第二保護二極體，串接後的電解電容及其相應的保護二極體， 連接在變壓器中性點與接地極之間。
5. 按照權利要求1所述的抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法，其特徵是所述的 一次系統故障保護單元包括兩個反向並聯的第一和第二單向過電壓保護迴路；所述的 第一單向過電壓保護迴路第1個二極體的正極與變壓器中性點連接，第n個二極體的 負極與接地極連接；所述的第二單向過電壓保護迴路第1個二極體的負極與變壓器中 性點連接，第n個二極體的正極與接地極連接。
6. 按照權利要求1所述的抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法，其特徵是在所述 的變壓器中性點與接地極之間，設置一旁路開關，用於將所述的隔直單元和/或一次系 統故障保護單元退出運行，將變壓器的中性點直接接地。
7. 按照權利要求6所述的抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法，其特徵是在所述 任意一單向過電壓保護迴路與接地極之間，設置一過流動作線圈，過流動作線圈的輸 出信號用於啟動所述旁路開關的閉合接通動作。
全文摘要
一種抑制直流偏磁引起變壓器噪音的方法，屬緊急保護電路裝置領域。包括隔直單元和一次系統故障保護單元，其特徵是將兩個有極性的電解電容反極性串接，在每個電解電容的兩端，以反極性方式並接一個二極體，構成一個隔直單元；將至少兩個以上的二極體同向依次串聯，構成一個單向過電壓保護迴路，將兩個單向過電壓保護迴路反向並聯，構成一個完整的一次系統故障保護單元。其在整個中心點接地電流由小到大的變化過程中，保證了接地迴路的連續性，避免了複雜的控制迴路和晶閘管元器件，內置的自動旁路保證隔直隔直組件的萬無一失，不改變現有電網系統的結構參數，同時在正常運行時又可將直流分量徹底隔斷。
文檔編號H02H7/04GK101207273SQ20071017044
公開日2008年6月25日 申請日期2007年11月15日 優先權日2007年11月15日
發明者戴春怡 申請人:上海市電力公司超高壓輸變電公司