一種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器及控制系統(tǒng)，變壓器本體包括鐵心和繞組，鐵心包括變壓器心柱、旁柱和旁柱上的補(bǔ)償鐵心組成，繞組由變壓器一、二次測繞組組成；控制系統(tǒng)由電網(wǎng)連接的電抗器、PWM可控整流器、電容、檢測繞組、控制繞組組成。整個變壓器及控制系統(tǒng)，通過霍爾電流傳感器檢測直流偏磁的大小，然后通過控制繞組給補(bǔ)償鐵心充磁，來抵消直流磁通，達(dá)到了由變壓器自身實時精確抑制直流偏磁的目的，保證了變壓器中性點的可靠接地，提高了電力網(wǎng)及變壓器安全運行的可靠性，對整個電力系統(tǒng)具有重大的實際意義。
【專利說明】一種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電氣工程領(lǐng)域，具體指一種可以實時自動抑制直流偏磁的智能電力變壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]主要有兩種原因可以引起大地直流電位差，進(jìn)而在交流變壓器中性點引入直流電流:其一是大地“磁暴”現(xiàn)象，會引起的電網(wǎng)中的低頻環(huán)流；其二是直流輸電系統(tǒng)單極運行方式，如果與其并行運行的交流輸電系統(tǒng)變電站中性點接地的變壓器距離換流站不遠(yuǎn)，就會使得交流變壓器的接地中性線在變壓器的勵磁電流中產(chǎn)生直流分量，通過輸電線路和另一端的變壓器中性點形成回路。
[0003]變壓器中性點引入的直流電在變壓器內(nèi)部形成直流偏磁，可以使鐵心磁通嚴(yán)重飽和，勵磁電流高度畸變，產(chǎn)生大量諧波，噪聲明顯增大，金屬構(gòu)件損耗增加，無功損耗增加，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致局部過熱現(xiàn)象，破壞絕緣，以致?lián)p壞變壓器或降低壽命。1989年3月13日，直流偏磁現(xiàn)象引起加拿大魁北克水力發(fā)電中斷，美國東海岸發(fā)電站的大型升壓變壓器被毀，電網(wǎng)SVC裝置的繼電保護(hù)誤動作，系統(tǒng)電壓崩潰，最終失去9500MW負(fù)荷，電網(wǎng)解列了近9個小時。
[0004]我國電力網(wǎng)存在直流偏磁問題。江蘇500kV上河主變壓器、三峽龍泉一江蘇政平500kV直流輸電系統(tǒng)中的常州武南變電站兩組500kVA主變壓器、貴廣直流線路中春城站主變壓器均受到直流偏磁的影響。申請者從1996年開始進(jìn)行有關(guān)直流偏磁問題的研究，曾分析了 2007年遼寧撫順電力局勝利一次變電站22萬伏18萬千伏安電力變壓器出現(xiàn)的直流偏磁問題(檢測到2-11安培偏磁電流、引起高達(dá)90分貝的噪聲)。
[0005]目前，我國“西電東送，南北互供，全國聯(lián)網(wǎng)”電力網(wǎng)建設(shè)中采用了遠(yuǎn)距離大功率直流輸電方式(HVDC)。電力網(wǎng)安全運行中非常重視電力變壓器在直流偏磁作用下的安全運行問題。而對應(yīng)于大地直流電位引起直流偏磁采取的抑制方法主要有四種:中性點串小電阻法、電容隔直法、電位補(bǔ)償法及直流電流反向注入法。
[0006]1992年，美國專家以魁北克水電站Radisson/LG2聯(lián)合體為對象，提出了幾種抑制直流電流的方案，其方法是將中性線串聯(lián)工頻阻抗較小的電容器，以間隙、可觸發(fā)間隙及M0V等實現(xiàn)中性點電容器的快速過電壓保護(hù)，方案還配備有機(jī)械旁路開關(guān)。美國DEI公司1996年初開發(fā)了 4套變壓器隔直裝置；2003年又根據(jù)SMENS公司提供的參數(shù)開發(fā)了 10套變壓器隔直裝置，并用于靠近印度的一條HVDC終端站的變壓器。此裝置由I個4000uF(50Hz )隔直/通交電容器和2組反并聯(lián)的大電流旁路通道以及機(jī)械開關(guān)旁路組成。近年人們利用電力電子技術(shù)開發(fā)“電容器+晶閘管旁路”方式的變壓器中性點隔直裝置。歐洲多個國家也投入大量人力、物力研制開發(fā)了各類變壓器直流偏磁抑制裝置。
[0007]直流偏磁問題越來越得到我國學(xué)者的廣泛關(guān)注，許多學(xué)者多年來也對直流偏磁問題開展研究及開發(fā)補(bǔ)償裝置。清華大學(xué)提出了一種小電阻裝置用于變壓器中性點直流偏磁的抑制。該裝置主要由一無感電阻和間隙組成，并于2005年在現(xiàn)場進(jìn)行了安裝與測試，對抑制變壓器中性線直流電流有明顯效果。有學(xué)者介紹了變壓器中性點注入反向直流電流的方法，其主要原理是電源經(jīng)過調(diào)壓器后再經(jīng)過硅整流經(jīng)輔助接地極和變壓器中性點回路向變壓器中性點注入反向直流電流。2007年有學(xué)者提出了一種基于電位補(bǔ)償原理的校檢變壓器中性點直流電流的新方法，其原理是在變壓器中性線中間串聯(lián)一個小電阻，通過外部電源在該電阻上形成一個直流點位，以此調(diào)節(jié)變壓器中性點的直流點位來達(dá)到減小流入變壓器繞組直流電流的目的。國內(nèi)也開展了電容隔直裝置的研究與開發(fā)工作。華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)等高校也都做了大量工作，有效地抑制了變壓器直流偏磁的影響。
[0008]但是，各種方法都存在一定的問題。小電阻限流法無法完全消除中性點直流電流，有時候不得不采用較大阻值的電阻，有可能影響主變壓器中性點絕緣強(qiáng)度；電容隔直法雖然能夠較好地消除中性點直流電流，但影響變壓器的有效接地，對主變壓器中性點絕緣強(qiáng)度要求較高，應(yīng)對電網(wǎng)短路故障能力較差；中性點注入反向電流限制法需要另外建補(bǔ)償接地極，補(bǔ)償?shù)貥O的選取極其困難。并且在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)，補(bǔ)償電流的效率將降低，直流發(fā)生器的功率將倍增，大電流入地也加重了地網(wǎng)負(fù)擔(dān),加速接地網(wǎng)腐蝕,應(yīng)用成本極高；電位補(bǔ)償法耗電量大，裝置較昂貴，補(bǔ)償?shù)貥O的選取也較困難。
[0009]目前對于變壓器直流偏磁的抑制，基本都是在變壓器外部電路附加直流偏磁抑制和補(bǔ)償裝置來實現(xiàn)的，以某種方式影響了中性點良好接地及變壓器應(yīng)對突然短路的能力，不同程度增加了電力網(wǎng)安全運行隱患。當(dāng)前尚未見到從變壓器自身設(shè)計的角度，在變壓器內(nèi)部建立有效的結(jié)構(gòu)體系，實現(xiàn)抑制變壓器直流偏磁的有效方法。如果在變壓器電磁運行機(jī)理上提供抑制直流偏磁影響的能力，而不改變電力變壓器外電路(特別是中性點)的連接，將有可能從根本上解決直流偏磁問題，并能夠保證變壓器安全運行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明目的:
[0011]本實用新型提供了一種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器，從變壓器電磁機(jī)理出發(fā)，利用補(bǔ)償鐵心在直流偏磁時，改變磁路結(jié)構(gòu)，并通過檢測和控制系統(tǒng)實時改變控制繞組中電流，使補(bǔ)償鐵心的磁通始終與偏磁磁通大小相等方向相反，形成從檢測、控制到抑制的整個直流偏磁抑制系統(tǒng)，達(dá)到由電力變壓器自身對直流偏磁實時精確抑制的目的。
[0012]技術(shù)方案:本實用新型是通過以下技術(shù)方案實施的:
[0013]一種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器，包括變壓器本體和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與變壓器本體相連接，其特征在于:控制系統(tǒng)主要由與電網(wǎng)連接的電抗器、PWM整流系統(tǒng)、電容、霍爾電流傳感器、控制繞組、檢測電路構(gòu)成；電抗器連接PWM整流系統(tǒng)，PWM整流系統(tǒng)與電容并聯(lián)后連接控制繞組，PWM整流系統(tǒng)通過CPU連接檢測電路，檢測電路連接檢測繞組；其中PWM可控整流器由IGBT與續(xù)流二極管構(gòu)成的三相橋式連接組成；變壓器本體包括鐵心和繞組，鐵心由變壓器鐵心和補(bǔ)償鐵心構(gòu)成，變壓器鐵心和補(bǔ)償鐵心由電工鋼片沖壓而成經(jīng)過氣隙連接；繞組由變壓器一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組組成，一次測繞組和二次側(cè)繞組繞在變壓器心柱上；控制繞組繞在補(bǔ)償鐵心上，變壓器一次側(cè)繞組的一次側(cè)繞組引出線穿過霍爾電流傳感器，檢測偏磁信號。
[0014]變壓器鐵心包括第一旁柱、變壓器心柱和第二旁柱，第一旁柱和第二旁柱設(shè)置在變壓器心柱的兩側(cè)；補(bǔ)償鐵心置于變壓器第一旁柱和第二旁柱兩側(cè)，包括補(bǔ)償鐵心a和補(bǔ)償鐵心b，補(bǔ)償鐵心a連接第一旁柱，補(bǔ)償鐵心b連接第二旁柱；控制繞組包括控制繞組a和控制繞組b，控制繞組a繞在補(bǔ)償鐵心a上，控制繞組b繞在補(bǔ)償鐵心b上。
[0015]所述氣隙包括第一氣隙、第二氣隙、第三氣隙、第四氣隙、第五氣隙和第六氣隙，第一氣隙、第二氣隙分別設(shè)在補(bǔ)償鐵心a上部和下部；第三氣隙設(shè)在第一旁柱中部；第四氣隙、第五氣隙分別設(shè)在補(bǔ)償鐵心b上部和下部；第六氣隙設(shè)在第二旁柱中部。
[0016]優(yōu)點和效果:
[0017]本實用新型不同于傳統(tǒng)的電力變壓器直流偏磁抑制方案。首先，不會對變壓器中性點產(chǎn)生任何影響，其次，無需選擇補(bǔ)償?shù)貥O，對地網(wǎng)無任何腐蝕，特別的在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)中，補(bǔ)償效率更高。因此，不會因為偏磁電流的補(bǔ)償而增加電力網(wǎng)安全運行隱患。本實用新型在變壓器內(nèi)部建立有效的結(jié)構(gòu)體系，實現(xiàn)抑制變壓器直流偏磁的有效方法。在變壓器電磁運行機(jī)理上提供抑制直流偏磁影響的能力，而不改變電力變壓器外電路(特別是中性點)的連接，僅需要不大的直流，就能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的補(bǔ)償磁通，且可以實現(xiàn)對偏磁磁通的實時精確補(bǔ)償。保證了變壓器中性點可靠接地，使電力變壓器安全運行。
[0018]【專利附圖】

【附圖說明】:
[0019]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]附圖標(biāo)記說明:
[0021]1、電網(wǎng)，2、電抗器，3,PWM整流系統(tǒng)，4,IGBT, 5、續(xù)流二極管，6、CPU，7、電容，8、控制繞組a,9、補(bǔ)償鐵心a, 10、第一氣隙,11、第二氣隙，12、第一旁柱,13、第三氣隙,14、檢測電路，15、一次側(cè)繞組引出線，16、霍爾電流傳感器，17、變壓器心柱，18、二次側(cè)繞組，19、一次側(cè)繞組，20、第二旁柱，21、第六氣隙，22、第四氣隙，23、第五氣隙，24、補(bǔ)償鐵心b，25、控制繞組b，26、變壓器本體。
[0022]【具體實施方式】:
[0023]下面結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)行具體說明:
[0024]本實用新型提出了一種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器，通過變壓器本體與控制系統(tǒng)的結(jié)合，形成一種具有抑制直流偏磁功能的智能型電力變壓器。該電力變壓器通過霍爾電流傳感器檢測直流偏磁的大小，經(jīng)過CPU (例如可采用DSP2812)控制PWM可控整流器，給控制繞組輸出持續(xù)電流，為補(bǔ)償鐵心充磁，使補(bǔ)償磁通抵消直流偏磁磁通，從而精確抑制直流偏磁，形成了從直流偏磁的檢測、控制到消除的整個系統(tǒng)。
[0025]該電力變壓器完全取消了原有變壓器在外電路引入的直流偏磁補(bǔ)償和消除裝置、避免了對電力變壓器中性點接地連接方式的任何改變，保證了變壓器中性點的安全接地。
[0026]本實用新型涉及一種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器，包括變壓器本體26和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與變壓器本體26相連接，如圖1中所示，其特征在于:控制系統(tǒng)由與電網(wǎng)I連接的電抗器2、PWM整流系統(tǒng)3、電容7、霍爾電流傳感器16、控制繞組(控制繞組a 8和控制繞組b 25)、檢測電路14構(gòu)成，其中檢測電路是成型產(chǎn)品；電抗器2連接PWM整流系統(tǒng)3，PWM整流系統(tǒng)3與電容7并聯(lián)后連接控制繞組(即連接控制繞組a 8和控制繞組b 25)，PWM整流系統(tǒng)3通過CPU 6連接檢測電路14，檢測電路14連接霍爾電流傳感器16 ;其中PWM可控整流器3由IGBT4與續(xù)流二極管5構(gòu)成的三相橋式連接組成；變壓器本體26包括鐵心和繞組，鐵心由變壓器鐵心和補(bǔ)償鐵心構(gòu)成，變壓器鐵心(17、12、20)和補(bǔ)償鐵心(9、24)由電工鋼片沖壓而成經(jīng)過氣隙連接；繞組由變壓器一次側(cè)繞組19、二次側(cè)繞組18和控制繞組組成，一次測繞組19和二次側(cè)繞組18繞在變壓器心柱17上，控制繞組(8、25)繞在補(bǔ)償鐵心(9、24)上，變壓器一次側(cè)繞組19的一次側(cè)繞組引出線15穿過霍爾電流傳感器16，檢測
偏磁信號。
[0027]變壓器鐵心包括第一旁柱12、變壓器心柱17和第二旁柱20，第一旁柱12和第二旁柱20設(shè)置在變壓器心柱17的兩側(cè)；補(bǔ)償鐵心置于變壓器第一旁柱12和第二旁柱20兩偵牝包括補(bǔ)償鐵心a 9和補(bǔ)償鐵心b 24，補(bǔ)償鐵心a 9連接第一旁柱12，補(bǔ)償鐵心b 24連接第二旁柱20 ;控制繞組包括控制繞組a 8和控制繞組b 25，控制繞組a 8繞在補(bǔ)償鐵心a 9上，控制繞組b 25繞在補(bǔ)償鐵心b 24上。
[0028]所述氣隙包括第一氣隙10、第二氣隙11、第三氣隙13、第四氣隙22、第五氣隙23和第六氣隙21，第一氣隙10、第二氣隙11分別設(shè)在補(bǔ)償鐵心a 9上部和下部；第三氣隙13設(shè)在第一旁柱12中部；第四氣隙22、第五氣隙23分別設(shè)在補(bǔ)償鐵心b 24上部和下部；第六氣隙21設(shè)在第二旁柱20中部。其中，第三氣隙13和第六氣隙21是為了使補(bǔ)償鐵心(補(bǔ)償鐵心a 9和補(bǔ)償鐵心b 24)的磁通走變壓器心柱17而設(shè)的；第一氣隙10、第二氣隙11、第四氣隙22、第五氣隙23是為了變壓器無直流偏磁正常工作時磁通盡量少的走過補(bǔ)償鐵心而設(shè)的。
[0029]補(bǔ)償鐵心a 9通過第一氣隙10和第二氣隙11與第一旁柱12連接，補(bǔ)償鐵心b 24通過第四氣隙22和第五氣隙23與第二旁柱20連接。
[0030]本實用新型的工作原理:
[0031]當(dāng)變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象時，偏磁使變壓器心柱磁通發(fā)生變化，通過霍爾電流傳感器16將直流偏磁電流信號送入控制系統(tǒng)的CPU 6，由CPU 6控制PWM整流系統(tǒng)3，輸出一定大小的持續(xù)直流電流，磁化補(bǔ)償鐵心(9、24)，使補(bǔ)償鐵心的磁通與偏磁電流產(chǎn)生的磁通大小相等，方向相反，相互抵消，達(dá)到了電力變壓器自動抑制直流偏磁的目的，使變壓器恢復(fù)正常工作狀態(tài)。由于第三氣隙13和第六氣隙21的存在，使補(bǔ)償磁通不會流入第一旁柱12和第二旁柱20柱內(nèi)，最終使補(bǔ)償、抑制過程在變壓器主磁路中完成；當(dāng)變壓器直流偏磁消失或是無直流偏磁現(xiàn)象時，通過霍爾電流傳感器16將檢測信號送入CPU 6，控制系統(tǒng)切斷控制繞組(8、25)的電流，補(bǔ)償鐵心走動退磁。由于第一氣隙10、第二氣隙11、第四氣隙22、第五氣隙23的存在，使得變壓器正常工作時產(chǎn)生的交流磁通不會對補(bǔ)償磁路產(chǎn)生影響。
[0032]本實用新型這種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器及控制系統(tǒng)，通過檢測繞組的檢測，控制系統(tǒng)對控制繞組的控制為補(bǔ)償鐵心充磁來抵消偏磁磁通，完成對變壓器的直流偏磁現(xiàn)象的檢測、控制和消除的整個過程，使電力變壓器能夠正常安全運行，達(dá)到了由變壓器自身抑制直流偏磁的目的，降低損耗，節(jié)能效果明顯，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，對整個電力系統(tǒng)有重大實際意義。
【權(quán)利要求】
1.一種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器，包括變壓器本體(26)和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與變壓器本體(26)相連接，其特征在于:控制系統(tǒng)主要由與電網(wǎng)(I)連接的電抗器(2)、PWM整流系統(tǒng)(3)、電容(7)、霍爾電流傳感器(16)、控制繞組、檢測電路(14)構(gòu)成；電抗器(2)連接PWM整流系統(tǒng)(3)，PWM整流系統(tǒng)(3)與電容(7)并聯(lián)后連接控制繞組，PWM整流系統(tǒng)(3)通過CPU (6)連接檢測電路(14)，檢測電路(14)連接檢測繞組(16);其中PWM可控整流器(3)由IGBT (4)與續(xù)流二極管(5)構(gòu)成的三相橋式連接組成；變壓器本體(26)包括鐵心和繞組，鐵心由變壓器鐵心和補(bǔ)償鐵心構(gòu)成，變壓器鐵心和補(bǔ)償鐵心由電工鋼片沖壓而成經(jīng)過氣隙連接；繞組由變壓器一次側(cè)繞組(19)和二次側(cè)繞組(18)組成，一次測繞組(19)和二次側(cè)繞組(18)繞在變壓器心柱上；控制繞組繞在補(bǔ)償鐵心上，變壓器一次側(cè)繞組(19)的一次側(cè)繞組引出線(15)穿過霍爾電流傳感器(16)，檢測偏磁信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器，其特征在于:變壓器鐵心包括第一旁柱(12)、變壓器心柱(17)和第二旁柱(20)，第一旁柱(12)和第二旁柱(20)設(shè)置在變壓器心柱(17)的兩側(cè)；補(bǔ)償鐵心置于變壓器第一旁柱(12)和第二旁柱(20)兩側(cè)，包括補(bǔ)償鐵心a (9)和補(bǔ)償鐵心b (24)，補(bǔ)償鐵心a (9)連接第一旁柱(12)，補(bǔ)償鐵心b(24)連接第二旁柱(20);控制繞組包括控制繞組a (8)和控制繞組b (25)，控制繞組a (8)繞在補(bǔ)償鐵心a (9)上，控制繞組b (25)繞在補(bǔ)償鐵心b (24)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有補(bǔ)償偏磁功能的電力變壓器，其特征在于:所述氣隙包括第一氣隙(10)、第二氣隙(11)、第三氣隙(13)、第四氣隙(22)、第五氣隙(23)和第六氣隙(21)，第一氣隙(10)、第二氣隙(11)分別設(shè)在補(bǔ)償鐵心a (9)上部和下部；第三氣隙(13)設(shè)在第一旁柱(12)中部;第四氣隙(22)、第五氣隙(23)分別設(shè)在補(bǔ)償鐵心b (24)上部和下部；第六氣隙(21)設(shè)在第二旁柱(20)中部。
【文檔編號】H01F27/30GK203787266SQ201420184726
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】白保東, 胡召富, 陳志偉, 于江華, 陳德志 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)