直流变压（精选9篇）
直流变压 篇1
变压器作为电力生产中比较重要的生产设备, 从制造开始, 运输、安装、运行和维护每个环节, 都需要对变压器进行高压试验来监控和维修。测量绕组直流电阻的目的主要是检查变压器的以下几个方面: (1) 绕组导线连接处有无焊接或机械连接不良的现象。 (2) 引线与套管、引线与分接开关的连接是否良好, 引线与引线的焊接或机械连接是否良好。 (3) 导线的电阻率是否符合要求。 (4) 变压器绕组温升是根据绕组温升试验前的冷态电阻和温升试验后断开电源瞬间热态电阻计算得到的, 所以温升试验需测量直流电阻。 (5) 绕组直流电阻是否平衡。 (6) 绕组直流电阻测量结果用来作为计算负载损耗的基本数据。
1 变压器绕组直流电阻的温度因素
根据物理学中导体导电能力与温度之间的关系, 绕组的直流电阻和温度是相关的。
(1) 电阻温度换算公式:
t1——绕组温度
T——电阻温度常数 (铜线取235, 铝线取225)
t2——换算温度 (75℃或15℃)
R1——测量电阻值
R2——换算电阻值
(2) 在温度变化范围不大时, 纯金属的电阻率随温度线性地增大, 即ρ=ρ0 (1+αt) , 式中ρ、ρ0分别是t℃和0℃的电阻率, α称为电阻的温度系数。多数金属的α≈0.4%。由于α比金属的线膨胀显著得多 (温度升高1℃, 金属长度只膨胀约0.001%) , 在考虑金属电阻随温度变化时, 其长度l和截面积S的变化可略, 故R=R0 (1+αt) , 式中和分别是金属导体在t℃和0℃的电阻。
因此测量绕组直流电阻时必须测量绕组的温度, 温度测量的准确度直接影响绕组直流电阻测量结果的准确度。生产维护中以20℃为准, 将所有测量数据都换算到20℃进行数据比较。测量变压器温度之前, 变压器应该在恒定的环境温度下静止不少于3h。虽然变压器一般有不少于两个温度计, 这样测得的温度仍然不够准确。绕组励磁对油温造成一定的温差, 绕组上中下部油温存在差异。所以应该在成本与条件允许的条件下将温度传感器置于绕组上中下三个部位, 在计算温度时取平均值。目前使用的绕组直流电阻测试仪只进行绕组计算, 应该升级测量仪器的处理单元使用一些具有一定运算能力的单片机, 将电阻温度换算公式集成到仪器的处理单元中, 并且在每次试验之前将试验温度输入测量仪器之中。这样可以便于试验人员对历史数据进行比较, 做出判断, 对设备给出试验结论。方便试验人员的同时, 还可以避免由于人工计算而产生的错误。
2 缩短测量时间
为了提高用户对企业的满意度和对电力能源的特殊需要, 公司对供电质量和停电时间有严格的控制。要求尽可能的短时间停电, 这样就要求现场工作人员尽量缩短工作时间。变压器的绕组在直流激磁时电感大, 直流电路达到电流稳定时间比较长, 特别是测量三相五柱铁心的大型变压器。国内外的技术人员进行了多年的工作, 已有了一定的进展。缩短测量时间经常采用的方法有以下几种方法: (1) 减小时间常数法, 在线性电路中可以通过增加电路内串联电阻的方式来减小线路的时间常数, 从而缩短测量时间; (2) 恒流源法直流电阻测量装置, 恒流源可以通过在测试线路内提高电压来提高稳定电流值, 测试时间能够缩短; (3) 绕组串联法, 可以通过将高压绕组和低压绕组串联来保持两个绕组中电流对铁心的励磁方向相同, 励磁安匝数提高使铁心饱和以减小铁心的电感, 以此缩短测试时间; (4) 感应电动势法, 可以在电源接通很短的时间内测出数据。
3 直流电阻测量的程序和数据分析
3.1 直流电阻测量仪器测量电流选择
根据被测变压器的容量、直流电阻值、额定电流、绕组联结, 选择测量直流电阻的电流, 最大测量直流电阻的电流不大于10%被试绕组额定电流, 通常可用3%至10%被试绕组额定电流作为测量直流电阻使用的电流值。试验数据因电流较大更准确一些, 但测试电流不能大于12%额定电流。测试电流要考虑测试设备的电压和电流容量, 电流大时, 需要高电压, 不超过设备输出电压。大型变压器测试电流不能太小, 达不到铁心饱和的目的, 将延长测试的时间。在试验设备容量较小时, 可选择不同方法减小测试时间。
3.2 测量结果判断
《规程》规定: (1) 1.6MVA以上的变压器, 各相绕组直流电阻相互间差别 (相间差) 不应大于三相平均值的2%;无中性点引出的绕组直流电阻相互间的差别 (线间差) 不应大于三相平均值1%。 (2) 1.6MVA以下的变压器, 相间差别一般不大于三相平均值的4%;线间差别一般不大于三相平均值的2%。 (3) 测得值与以前相同部位测得值比较, 其变化不应大于2%。
三相不平衡或测量数据与 (出厂试验数据) 相差太大, 有以下几个原因: (1) 变压器套管中导电杆和引线接触不良, 造成接头发热现象, 利用红外影像技术可以进一步确定故障位置。 (2) 分接开关接触不良, 可能是分接开关内脏污、电镀层脱落、弹簧压力不够等原因造成的分接头电阻偏大, 三相电阻不平衡。 (3) 大容量变压器螺旋间导线互移引起相间绕组电阻不平衡。 (4) 引线和绕组焊接处焊接不良造成三相不平衡。 (5) 人为原因, 由于选取了不适当的试验方法造成了试验数据的直流电阻三相不平衡。
摘要：变压器绕组直流电阻测量是变压器试验项目中比较重要的试验之一。从变压器的制造开始, 变压器直流电阻测量就被变压器厂家作为控制质量的参考依据。在电力企业变压器安装、运行和维护时, 绕组直流电阻测量是变压器试验项目中比较重要的一个试验项目。对绕组直流电阻进行研究分析具有重要意义。
关键词：绕组直流电阻,平均温度,三相不平衡
参考文献
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变压器直流偏磁现象研究综述 篇2
摘 要：太阳风暴引起的地磁电流和高压直流输电对变压器产生了“直流入侵”，使得变压器产生了直流偏磁现象。直流偏磁现象对变压器和电网的运行有诸多不利的影响。本文总结和归纳了直流偏磁的研究方法、研究思路和抑制措施，集中的展示了现有的研究方法，提出了研究中的不足和未来需要努力的方向，为直流偏磁的研究奠定了一定的基础。
关键词：变压器；直流偏磁；抑制；研究方法；综述
1 概述
变压器直流偏磁现象是直流输电的直流或者太阳风暴产生的地磁感应电流（GIC）通过变压器的中性点进入变压器。变压器受到直流或者准直流的“入侵”，其励磁电流在半个周期内过于饱和，而在另外半个周期内严重不饱和，出现了上下半波严重不对称的情况。近年来随着高压直流输电（HVDC）的建设，单极大地运行方式的直流输电系统会对周围的变电站的变压器造成影响，从而使得变压器的直流偏磁现象显著增多。
直流偏磁会对变压器运行造成一系列不利的影响。直流偏磁会使变压器励磁电流畸变，相关谐波增加，无功损耗增大。会造成变压器的涡流损耗增大，温度升高，造成变压器局部过热。由于直流偏磁造成变压器的漏磁通的增大，使得变压器绕组的电动力变大，进而导致变压器振动增大。振动的增大也会导致变压器噪声的增加。变压器的直流偏磁现象会导致电力系统的继电保护设备误动作，甚至会造成大面积停电事故，对电网的安全运行产生极其不利的影响。[1-3]
本文对直流偏磁现象的研究方法给出了全面的阐述，引述了直流偏磁分析的主流的分析方法，并对上述分析方法进行了说明和比较。同时，对现有的变压器直流偏磁现象抑制方法给出了较为完整的介绍和归类，对今后直流偏磁现象的研究具有一定的指导意义，为直流偏磁现象的研究和抑制奠定了基础。
2 研究现状
直流偏磁的研究主要方向有：①变压器励磁电流及其谐波的计算；②温升、噪声、振动的计算；③直流偏磁的抑制方法和措施。
2.1 直流偏磁励磁电流及其谐波的计算
直流偏磁励磁电流及其谐波的计算的研究方法主要分为以下几类：①有限元方法；②电路-磁路耦合方法；③电路-磁场耦合方法。
2.1.1 有限元分析[4，5]：电路-磁场耦合的分析方法是以端口电压作为已知变量，以磁矢量和励磁电流同时作为待求得变量，将电路方程和磁场方程联立进行求解的一种方法。[4]文[4]使用谐波平衡有限元的方法，同时对励磁电流和变压器中的磁场进行求解。谐波平衡有限元法，计算精度较高，但原理复杂，占用资源较多。文[5]基于棱边有限元的方法计算了变压器内部的磁场分布，并计算了直流电流从变压器不同侧注入的励磁电流。
2.1.2 电路-磁路耦合分析，该方法是将变压器等效成相对应的电路和磁路模型，通过联立电路磁路方程，求解变压器的励磁电流，进而分析励磁电流中的谐波成分。这种方法相对于磁场的研究方法更为简单，但是受限于B-H曲线的拟合，对于励磁电流的计算有一些误差。文[6]在电路-磁路耦合分析方法的基础上改进了磁路中的磁阻，考虑了涡流效应，同时也建立了气隙的磁路模型。文[7]考虑了变压器漏磁场和磁滞效应，改进了电路-磁路耦合分析方法，更好地体现了变压器励磁电流的畸变。文[8]建立了三相三柱式变压器的电路磁路耦合模型，通过J-A理论拟合变压器的磁滞回线，研究了变压器的励磁电流及其谐波的特征，提高了电路-磁路耦合模型的计算精度。
2.1.3 上述电路-磁路耦合分析方法和电路-磁场耦合分析方法受制于变压器磁滞回线拟合，以及变压器磁滞回线本身极易受到的直流的影响，如何能更准确的描述磁滞回线成为了关键。文[9]使用人工鱼群和蛙跳的算法来拟合磁滞回线的参数取得了较好的效果。文[10]从能量平衡的角度出发，同时考虑了变压器的涡流损耗和其它的异常损耗建立的变压器的磁滞的动态损耗模型。该模型能够很好的反映直流偏磁下的变压器的磁滞损耗。
2.2 温升、噪声、振动的计算
变压器受直流偏磁影响，半个周期内工作在过于饱和状态，此时漏磁场比正常工作状态大很多，漏磁场在金属构件中形成涡流损耗，造成变压器局部过热。直流偏磁情况下，变压器磁滞伸缩过大，变压器漏磁场造成变压器铁心的电动力过大使得变压器温升和噪声增大。文[11]计算了不同直流偏磁情况下的漏磁场的分布和杂散损耗。文[12]通过测量不同磁通密度情况下的磁滞曲线族，应用平均磁滞曲线来研究变压器的磁致伸缩特性，并且将其应用到变压器的振动有限元的计算上。文[13]利用能量守恒的原理，分析了变压器直流偏磁情况下的磁滞变化情况和振动特性。
2.3 直流偏磁现象的抑制
变压器直流偏磁的抑制方法，主要有反向注入电流法，施加反向电压，中性点串联电阻，中性点串联电容的方法。同时，优化电网的连接方式也是抑制变压器直流偏磁现象的一种很好的方法。
文[14]通过变压器噪声的限值确定了变压器直流通过的限值，通过研究提出了两台变压器同时接地时抑制直流偏磁的一个非常有效的办法。文[15]通过补偿直流偏磁，在存在电位差的两地通过提高或者降低某地的地网电位，进而降低两地的电位差达到抑制直流偏磁的目的，并且通过实验验证了电位补偿法对于直流偏磁抑制有很好的效果。文[16]研究了复杂工况下的直流偏磁的抑制方法，通过比较不同的直流偏磁的抑制方法，提出了使用反向注入电流的方法来抵消直流偏磁的磁势，达到了很好的抑制直流偏磁的效果。文[17]通过使用电容和电阻组成直流抑制的设备，通过分析220kV下的故障电流，提出了采用降低阻容来抑制工频的交流阻抗，达到抑制直流偏磁的目的。
3 結论
变压器直流偏磁现象的研究不足：①大型变压器的直流偏磁的研究和抑制方法不足。②对变压器直流偏磁的温升、噪声、振动的理论性研究不足，还没有文献给出一个理论上研究温升、噪声、振动的方法。③行业当中缺少一个变压器耐受直流偏磁和相关试验的一个标准，缺乏相关的实验和数据，并且基于温度、振动的研究，给出一个变压器耐受直流偏磁能力的分析的相关研究很少。对注入的直流的限值、抑制的方法还未达成相关的共识。
变压器直流偏磁现象研究取得的成就：①变压器的直流偏磁现象会对变压器本身和附近的电网带来一定的危害，关于变压器的直流偏磁现象已经引起了变压器制造公司、电网等相关单位的高度重视。
②变压器直流偏磁现象的研究，研究方法集中在有限元的分析和实验的研究，变压器直流偏磁现象属于一个涡旋场的问题，同时还涉及到铁心的磁滞损耗，对于直流偏磁现象的上述的情况有越来越多的机构和单位注意到了相关的问题，并提出了相关的计算模型。
③变压器的直流偏磁现象可以通过不同的方法进行抑制，同时也可以改变电力系统的运行方式来降低直流偏磁对变压器的影响。
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基金项目：
直流变压 篇3
关键词：LLC直流变压器,矩阵变压器,效率优化
1 引言
高效率、高功率密度是隔离型DC/DC变换器的发展趋势。作为分布式电源系统的关键组件,中转母线变换器(IBC)起到了变压和隔离的作用,其功率密度和效率要求更高。
LLC谐振变换器为谐振式软开关电路,在全负载变化的范围内,可实现所有开关管的软开关,且输出没有滤波电感,减少了磁性元件的数量,方便了变换器的集成,变换器功率密度由此可得到提高。因此在功率密度和效率要求高的场合得到广泛应用[1,2,3,4]。
当LLC谐振变换器的开关频率固定且与谐振频率相等时,LLC谐振变换器的直流电压增益保持不变,可以等效为一个直流变压器,即LLC直流变压器(LLC-DCX),其电路拓扑如图1所示。LLC-DCX本质为工作在谐振频率处的LLC谐振变换器,后级一般通过非隔离变换器调压,所以常被应用在中转母线变换器中。
在高降压比的LLC谐振变换器场合,很多文献提出使用矩阵变压器代替传统的变压器[3,4,5,6,7],矩阵变压器的应用有效地减少了变压器的漏感和交流阻抗。文献[5]针对LLC-DCX变换器副边低压大电流输出,提出了以效率优化为目标,矩阵变压器分拆个数(分流支路数)的优化设计,但是对矩阵变压器的绕组阻抗、寄生参数、磁心和绕组损耗与分拆个数的选取没有详细分析。
本文采用LLC-DCX作为中转母线变换器,研究了矩阵变压器的原理及其在高降压比LLC-DCX电路中的应用,对比了矩阵变压器与传统变压器的绕组阻抗和漏感。在矩阵变压器设计时,考虑到磁心损耗和绕组损耗,利用有限元分析(FEA),基于效率优化对矩阵变压器最佳个数进行了详细论证。同时为了效率优化,比较了两种绕组布局方式,将同步整流管和输出电容直接与绕组末端相连以减小高频时连接点带来的损耗和漏感。
最后,本文研制一台1.4k W、400k Hz基于矩阵变压器的LLC-DCX原理样机,对理论和仿真分析进行了实验验证。
2 矩阵变压器基本原理
2.1 LLC直流变压器电路的拓扑
图2为本文采用的基于矩阵变压器的LLC-DCX拓扑图。利用矩阵变压器将副边大电流输出进行了两路分流,即将原来的主变压器拆成两个原边串联、副边并联的变压器形式。
2.2 矩阵变压器的概念
矩阵变压器组合示意图如图3所示。可见,矩阵变压器的概念是将单元阵列组合在一起,像一个整体变压器一样工作,矩阵变压器单元定义为拥有不同匝比(例如1∶1,2∶1,…,n∶1)的单一变压器[8,9],整体所需要的匝比通过矩阵变压器单元原边绕组串联、副边绕组并联获得。因此,在副边单匝绕组和大电流场合下将会考虑使用矩阵变压器,以减小副边绕组的电流密度。如本文中样机变压器的整体匝比为4∶1,可以有3种形式的矩阵变压器配置形式,如图3所示,其中分流支路数为1、2、4。本文最终采用2路分流以使效率最优,具体分析在第3节中阐述。
为了对变压器的绕组阻抗和寄生参数进行分析,建立矩阵变压器模型,如图4所示。将矩阵变压器等效为电阻与电感的串联,其中等效电阻包含直流电阻和交流电阻,电感包含原副边回路电感和变压器寄生漏感。
设矩阵变压器拆分个数为M,拆分后单一变压器匝比为N,副边电流有效值为Is,假设变压器原边绕组阻抗为Rp,副边绕组阻抗相同都为Rs,则M个矩阵变压器副边绕组并联后,可由总绕组损耗Pcond推算得到整体变压器的副边等效电阻Req为:
Lk为变压器原边侧的漏感,由电感储存的能量WL可得等效漏电感Leq为:
因为副边绕组的并联,矩阵变压器可以分摊输出电流,同时分摊了器件的功率损耗,有利于散热。对于单个变压器,匝比的减小有利于减小漏感,这些特点都使得矩阵变压器十分适合大电流输出和高频场合。
但是矩阵变压器的个数并不是越多越好,个数越多变压器的磁心损耗也会增加,基于效率优化考虑,存在最优矩阵变压器个数的选取,设计时需要根据实际情况,选择最佳个数。
3 矩阵变压器设计
3.1 绕组布局方式
本文LLC-DCX输入电压为270V,输出电压为33.75V,使用半桥LLC结构,则变压器的匝比为4∶1。本文中变压器均使用平面磁心和PCB绕组,针对不同的变压器绕组匝比,需要对变压器的绕组布局方式具体设计,以便于讨论变压器的磁心和绕组损耗。
矩阵变压器可以由三种匝比分别为4∶1、2∶1、1∶1的变压器组合而成,如图3所示。不同的变压器个数,每个变压器所传输的功率不同。样机设计输出功率1400W,假设变压器效率为1,则图3中三组变压器,每个变压器所传输的功率分别为1400W、700W和350W。变压器副边绕组都取为1匝[4],原边绕组匝数分别为4、2和1,并且每个变压器的磁通量相同。
磁心选择东磁磁芯公司生产的3种平面磁心。分别为EEW35对应匝比4∶1,EE35E对应匝比2∶1和EEW30B对应匝比1∶1。材料都选择为高频下损耗较低的DMR95。
以EE35E磁心为例,说明PCB绕组布局方式。变压器副边为全波整流,因为副边绕组匝数为1匝,所以变压器原边绕组匝数为2匝,PCB绕组层数为4层,两种绕组布局方式分别如图5和图6所示的。图5(a)为布局方式1,变压器的原边绕组分别放在了第一层和第四层,四个绕组之间的磁势分布比较对称,绕组间耦合程度较好[1,4]。但是变压器的副边绕组在线路板的里层,副边电流通过过孔流到线路板表面,如图5(b)所示。对过孔进行有限元分析(2D-FEA),仿真结果如图7所示。由于集肤效应和邻近效应,电流会集中在过孔边缘区域,在这些区域产生很大的损耗。图7中的每个输入回路通孔个数为8,通孔直径为0.4mm。经仿真,在额定功率情况下,开关频率400k Hz时,总损耗为1.92W。同时,将过孔引起的漏感计入变压器的总漏感,尽管绕组耦合程度较好,但计入过孔带来的漏感后,变压器总的副边漏感大大增加[4]。
布局方式2如图6(a)所示。该布局方式将变压器副边绕组放在了第一层与第四层,副边绕组可直接与开关管进行连接,如图6(b)所示。由文献[1,4]可知,布局方式2与布局方式1相比,尽管耦合程度不如布局方式1,但考虑过孔带来的交流损耗和漏感的大小后,布局方式2由于没有过孔连接,总体上可以减小变压器副边的一些寄生电感和交流阻抗损耗。
图6中变压器原边绕组放在了里层,虽然原边绕组需要通过通孔与线路板表面连接,但由于原边电流小,损耗很低;同时变压器副边绕组通过的电流较大,在绕组上会产生很大的热量,放在线路板表面容易散热。本文为了减小变压器副边绕组的损耗,提高整体效率,选择布局方式2。
3.2 绕组阻抗和寄生参数仿真分析
确定三种磁心,三种变压器组合布局方式都为布局方式2,搭建Ansoft 2D仿真模型,分析对比绕组阻抗和寄生漏感参数。
得到三种单一变压器各自的Rp、Rs、Lk参数后,由式(1)~式(4)计算得到三种方式对应的等效整体变压器参数Req、Leq。统计后,在本文设计的LLC-DCX变换器工作频率400k Hz下,其结果对比如表1所示。
可见,矩阵变压器的应用相较于传统变压器可以有效地减小变压器副边绕组交流阻抗,提高LLC-DCX在副边大电流输出场合的效率;同时,由于单一变压器的匝比减小,可以减小整体变压器的漏感。
3.3 矩阵变压器损耗的有限元分析
矩阵变压器的损耗由磁心损耗和绕组损耗构成,所以需考虑拆分个数增加对总体损耗的影响。本文使用Maxwell Ansoft仿真软件,对第3节中三种单一变压器的磁心和绕组进行了3D仿真建模。
仿真可得单个变压器的磁心损耗和和绕组损耗结果。单个EEW35、单个EE35E、单个EEW30B的变压器磁心和绕组总的损耗分别为11.75W、4.36W、3.49W。对于图3所示的三种不同变压器的匝比,整体变压器的总损耗为单个变压器损耗与拆分个数的乘积,分别得到不同的匝比下矩阵变压器的总损耗,如图8所示。可知选用2个EE35E磁心总的变压器损耗比较低。针对本文所研究的变换器,最终选择2个EE35E的磁心,最终电路拓扑如图2所示。
4 实验结果分析
为了验证以上结论,研制了一台基于矩阵变压器的LLC-DCX变换器,输入270V,输出33.75V,功率1.4k W,开关频率400k Hz。原边开关管为IPW65R041CFD,副边开关管为IPB027N10N3,两个变压器总励磁电感经测试为20u H,折合到原边总漏感为0.8μH。实验样机照片如图9所示。
实验波形如图10所示。图10(a)为LLC-DCX原边开关管驱动电压VGS、漏源极两端电压VDS和谐振电容两端电压VCr的波形,输入电压270V,输出电压33.75V,功率0.8k W,图10(b)为满载功率1.4k W的波形。可以看出,LLC-DCX在功率变化时,原边开关管都实现了零电压开通,谐振电容电压基本成正弦,此时开关频率fs与谐振频率fr相等。
图10(c)中,从副边同步整流管的漏源极电压VDS可以看出,原边开关管关断之后,副边电压上升,开关频率与谐振频率相同,而且开关管两端尖峰很小,最大为84.8V。
图11为LLC-DCX在不同功率下的效率曲线,满载时效率为96.2%,半载效率达到最高,为97.2%。
5 结论
本文研究了矩阵变压器及其在LLC直流变压器中的应用。相较于传统变压器,矩阵变压器分摊了输出电流,降低单个变压器匝比,减小了绕组阻抗和漏感。由于变压器总损耗为磁心损耗和绕组损耗,需要选取矩阵变压器最优个数以使整体损耗最小。本文利用有限元分析,对变压器的损耗进行仿真分析,以选择最优矩阵变压器拆分个数。同时,在变压器副边大电流输出时,通过优化绕组布局方式,减少连接点损耗和高频时连接点带来的漏感,从而减小损耗。采用1.4k W基于矩阵变压器的LLC-DCX样机对理论和仿真进行了实验验证,半载和满载效率分别达到97.2%和96%。
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直流变压 篇4
摘 要：基于Zigzag变压器的交直流叠加输电技术，能有效解决直流功率注入普通变压器二次侧易引发的直流偏磁问题，可较大程度提高现有交流输电网络的输电能力，实现交直流功率的灵活传输。给出基于Zigzag变压器的交直流叠加输电系统的拓扑结构及输电原理，分析Zigzag变压器避免磁饱和的机理；与纯交流输电方式比较下，研究交直流叠加输电系统线路的稳态运行特性，得出系统满足一定电气条件时，该系统具有更小的电压降和功率损耗。搭建交直流叠加输电系统仿真模型，仿真结果表明研究得出的特性的正确性。
关键词：交直流叠加输电；Zigzag变压器；直流偏磁；特性；仿真
中图分类号：TM 72 文献标识码：A
1 引 言
近年来，随着我国经济的快速发展，人们对电力需求进一步增加。现有输电网络已无法满足电力负荷增长的需求[1-2]，为此，寻求和探讨一种新的输电方式便成为解决该问题的一种新思路。交直流叠加输电方式是一种新的输电方式[3-4]，该输电方式无需重新架设新的输电线路，能够大幅度地节省输电线路的投资成本和运营成本。交直流叠加输电系统通过快速地调节直流功率潮流，将直流功率与交流系统功率进行盈亏调剂，使得输电线路的交直流功率传输得到有效地改善，提高交流输电系统在远距离输电方式下的稳定性，克服在输电线路上因直流电流缺乏自然过零点难以灭弧的技术困难。同时，该输电系统最大限度地融合了传统直流输电方式和纯交流输电方式各自的优良特点，具有明显的运行优势。因此，相关学者将其称为一种新型柔性输电系统。
上个世纪50年代原苏联提出了在交流输电线路上叠加输送直流功率的概念，并引起英国、德国和美国等国家的广泛关注和深入研究。60年代到80年代，电力电子技术的迅速发展给交直流叠加输电系统带来了更大的发展机遇。1991年，IEEE国际会议对电网交直流叠加输电方案高度重视，并认为该系统能够有效地“挖潜”现有输电线路传输能力，具有良好的发展前景。目前，交直流叠加输电系统在系统动态稳定、增容研究等方面取得了一定的研究进展。文献[3]提出了交直流叠加输电系统方案的最初构想。文献[4]指出了在交流输电系统中叠加少量的直流功率，能够有效地改善交流输电系统的动态稳定性。
交直流叠加输电技术在我国研究起步较晚。文献[5]将交直流叠加输电方案应用于分布式配电网中，分析了单极大地返回运行时允许入地的额定电流值，并论证了该方案相对于传统交流配电网具有更均匀的电压和更小的网络损耗。为进一步推动该输电技术的发展，本文阐述了交直流叠加输电拓扑结构与机理，分析了其关键部件Zigzag变压器的基本结构与避免磁饱和特性；研究了π形等值电路的叠加输电线路电压、有功及无功功率特性。
2 Zigzag变压器的交直流叠加输电系统拓
扑结构
单回路交直流叠加输电系统的拓扑结构如图1所示。系统拓扑模型主要包括：交流系统、Zigzag变压器、整流器、逆变器和输电线路。
交直流叠加输电系统由交流网络子系统和直流网络子系统组成。交流网络子系统主要包括交流等效系统、Zigzag变压器以及输电线路。直流网络子系统主要由换流变压器、换流器、平波电抗器、接地极及输电线路构成。直流功率是通过交流系统1经过换流器整流成直流功率注入在Zigzag变压器二次侧中性点，以实现交直流功率的“耦合”。在满足输电线路电气特性条件下，交流功率与直流功率在初始交流输电线路上传输。三相线路同时叠加相同的直流分量，使得输电线路的线电压不发生改变，而相电压增加一个直流分量。
为了降低直流功率的谐波含量，防止换流器换相失败，在换流器端口和Zigzag变压器直流端口之间串联平波电抗器。在输电线路的末端，交直流叠加功率经过Zigzag变压器二次侧实现交直流功率的“解耦”，分离出来的直流功率经过逆变器传输给交流系统2。同时，系统通过接地极线路或地面构成直流电流回路；为防止入地电流过大造成电化学腐蚀，最大限度地减小电流密度和表面电压梯度，使用接地装置将电位钳位到尽可能小。
3 Zigzag变压器分析
Zigzag变压器属于特种变压器范畴，其独特结构在于它的绕组接线结构不同于一般普通变压器，目前国内外对该特种变压器研究较少[6-7]。Zigzag变压器的最早研究及应用领域是电力系统中性点直接接地或非直接接地的三相系统中作Zigzag接地变压器使用。该Zigzag接地变压器能够人为地提供一个中性点，该中性点可以直接接地，也可以经电抗器、电阻器或消弧线圈接地。
Zigzag变压器作为一种新型特种变压器，是实现交直流功率叠加与分离的关键设备，也是Zigzag接地变压器的一种演变与创新。其结构图如图2所示，一次侧采用三角形接线，二次侧为曲折形联结，对于二次侧a相绕组有a=a1+a2，其中a1表示二次侧主绕组电压相量，a2表示二次侧副绕组电压相量，得到二次绕组总电压相量有效值Ea：
Ea=E2a1+E2a2+Ea1Ea2 （1）
当二次侧两绕组匝数相同时，得到：
Ea=3Ea1=3Ea2 （2）
同理，可以得到b、c相绕组电压关系。
Zigzag变压器的二次侧绕组中性点为直流功率注入点，当在绕组中性点上注入直流时，同一铁芯上两绕组的直流磁势互相抵消，变压器保持原有的工作特性曲线，从而避免了直流功率引起的变压器磁饱和现象。
图2 Zigzag变压器绕组接线图
4 叠加输电线路特性研究
交直流叠加输电线路流过的功率分量包含交流与直流分量，两者在输电线路产生不同的电气损耗，由此，有必要研究两者在叠加输电线路的特性关系。以单回路输电系统的集中参数π型等值电路表示交直流叠加输电线路[8]，其单相等值模型如图3所示。假定交直流叠加线路上的交直流分量满足输电线路绝缘裕度的要求，且线路的交直流负荷均为对称负荷，系统单相负荷总功率（PLac+PLdc）+jQLac恒定不变，即系统以三相对称方式运行。交直流叠加输电方式运行时，输电线路初始端交流电压为Ⅰac、直流电压为
4.1 纯交流输电方式线路的电气特性
当系统以纯交流输电方式供给交直流负荷时，输电线路末端并联导纳支路功率ΔSy2，串联阻抗支路功率损耗ΔSZ分别为：
4.2 交直流叠加输电方式线路的电气特性
4.2.1 直流电源供电的电压、功率损耗
直流电源供电方式下的串联阻抗支路始端电压UⅠdc，直流输电线路总功率损耗ΔSdc分别为：
4.2.2 交流电源供电的电压、功率损耗
为了与4.1中的公式加以区别，本节采用字母上方加横线表示叠加输电系统中纯交流运行方式的功率表达式。输电线路末端并联导纳支路功率ΔSy2，串联阻抗支路末端功率S′2分别为：
4.3 输电线路电气特性比较与分析
综合纯交流、交直流叠加两种不同运行方式下输电线路特性研究，进一步比较两种运行方式下线路的特性，得到交直流叠加输电线路的电压、有功功率、无功功率传输特性。
4.3.1 电压损耗特性
由式（7）和（17），采用纯交流输电方式时，输电线路电压损耗纵分量ΔUac为：
由式（20）-（22）可知，采用交直流叠加输电方式时，输电线路电压损耗包含交流、直流分量损耗。线路上直流功率被串联支路中的电阻消耗，直流电压降损耗与直流负荷大小成正比。实际运行时，应尽可能让交直流叠加输电方式线路的电压损耗比交流输电方式小，即电压损耗比率0
4.3.2 有功损耗特性
比较式（8）和（19），得出采用纯交流输电方式时，输电线路有功功率损耗ΔPac为
由式（26）可知：对于交、直流负荷恒定的交直流叠加输电线路，PLac、PLdc、G为定值。M值与x、UⅡdc有关，即输电线路有功功率损耗差函数值正负与交、直流电压叠加比例系数x和叠加的直流电压有效值UⅡdc有关。进一步，可以得到：在满足交直流叠加分量规则和输电系统绝缘安全的条件下，当系统中叠加的直流分量越大，则交直流叠加系统中的有功功率损耗越小。
4.3.3无功损耗特性
无论系统采用何种方式运行，交流网络电力线路始末端电压与系统频率均保持不变。
构建无功功率损耗差函数N：
由式（28）可知，两种输电方式的无功损耗差函数N与系统直流负荷PLdc有关，当直流负荷有功功率PLdc大于零时，叠加系统无功损耗差函数N<0。此时，交直流叠加输电系统具有更小的无功功率损耗特性。
5 仿真分析
在MATLAB环境下，搭建采用Zigzag变压器实现新型高压交直流叠加输电系统方案模型，系统采用双回路供电方式。系统通过Zigzag变压器和300 km输电线路连接双端交流等效系统与换流器，交流系统额定电压分别为500 kV和345 kV，传输功率1000MW，π型等值输电线路参数：z=0.01273+j0.29331Ω/km，y= j4.00238×10-6 S/km，系统频率均为50Hz，系统离散采样时间Ts =50us。
交直流功率叠加输送的仿真设计思路是给定导线最大允许温升电流，通过测量导线交流电流分量，输出直流电流指令以实现整流器和逆变器协调控制的目的。仿真系统通过主控制中的启动器模块启动和停止直流参考电流。t=0.1s时，两端换流器开始对交、直流功率进行换流；当t=0.33s时，直流电流进入最小稳态参考电流0.1p.u.。t=0.5s时，直流电流达到最终稳态参考电流1p.u.。此后，交直流叠加输电系统进入稳定状态，整流器控制直流电流，逆变器控制直流电压[9-10]。仿真结果如图4、图5、图6所示。
（a）变压器二次侧相电压
（b）变压器励磁电流
图4 Zigzag变压器仿真波形
图4（a）为变压器二次侧相电压。图4（b）为Zigzag变压器在直流功率叠加后的励磁电流波形。在t=0.1s时，系统开始向变压器注入直流功率，由图4（a）可看出，变压器二次侧相电压变化较小，电压基本保持恒定。由图4（b）可看出变压器在直流功率注入前后其励磁电流基本保持不变。由此可知，增加的直流功率能够在变压器绕组中顺利通过且不影响变压器初始运行状态，表明了Zigzag变压器能有效地避免变压器铁芯饱和的现象，验证了采用Zigzag变压器实现交直流功率叠加传输的可行性和有效性。
图5（a）为输电线路相电压波形，图5（b）为输电线路始末端电压波形比较图，实线表示输电线路始端相电压，虚线表示线路末端相电压。图5（c）为输电线路线电流波形。由图5（a）可看出，三相输电线路同时叠加直流功率，使得输电线路的相电压峰峰值上升了一个水平分量，从而验证了理论分析的正确性。图5（b）表示输电线路始末端电压比较，实线表示输电线路始端相电压，虚线表示线路末端相电压。系统稳态运行后，一部分直流功率被输电线路阻抗支路中的电阻消耗。因此，末端电压峰值低于始端电压峰值。由图5（c）可看出，系统稳态运行后，电流曲线可以经过零点。说明了叠加输电系统克服了传统直流输电系统缺乏自然过零点的缺点，从而能够较好地熄灭电弧。
（a）输电线路相电压
（b）输电线路始末端电压波形比较
（c）输电线路电流
图5 输电线路运行参量波形
（a）输电线路有功功率
（b）输电线路无功功率
图6 输电线路功率
图6（a）为单回路输电线路传输的有功功率，图6（b）为单回路输电线路传输的无功功率。由图6可看出，在单回路输电线路上，线路传输500MW的有功功率正好是双回路输电线路输送总功率的二分之一，符合理论分析结论，验证了本文提出的新型交直流叠加输电系统的可行性和有效性。
测量变压器直流电阻的注意事项 篇5
(1) 带有电压分接头的变压器, 测量应在所有分接头位置上进行。
(2) 三相变压器有中点引出线时, 应测量各相绕组的电阻;无中点引出线时, 可以测量线间电阻, 然后计算各相电阻。
(3) 测量必须在绕组温度稳定的情况下进行, 要求绕组与环境温度相差不超过3℃。在温度稳定的情况下, 一般可用变压器的上层油温作为绕组温度, 测量时应做好记录。
(4) 由于变压器的电感较大, 电流稳定所需的时间较长。为了测量准确, 必须等待表计指示稳定后再读数, 必要时应采取措施缩短稳定时间。
(5) 考虑到有很多因素影响直流电阻测量的准确度, 如仪表的准确度级、试验接线方式、温度测量的准确性、连线接触状况及电流稳定程度等, 在测量完后要复查一遍, 有怀疑时要予以重测, 以求得准确的测量结果。
(6) 测量时, 非被试绕组均应开路, 不能短接。在测量低压绕组时, 在电源开合瞬间会在高压绕组中感应出较高的电压, 应注意人身安全。
(7) 由于变压器电感较大, 电源在接通或断开瞬间, 自感电动势很高, 因此为防止仪表损坏, 要特别注意操作顺序。接通电源时, 要先接通电源回路, 再接通电压表或检流计, 再断开电源回路。
(8) 测量电阻值应校正引线的影响。
直流变压 篇6
1.1 直流电阻测量目的及方法
1) 测量目的。
通过线圈直流电组的测试, 可以检查出电路是否完整, 分接开关、引线和套管载流部分的接触是否符合设计要求以及三相电阻值是否平衡等情况, 因此, 直流电组测量是变压器试验中一个主要试验项目。
2) 测量方法。
直流电组的测量方法有电压降法和电桥法两种。电压降法方法简单, 但需要换算并且消耗电能多。电桥携带和使用较方便, 测量准确度、灵敏度也较高, 因此, 在实际工程中大多采用直流电桥法。当被试线圈的电阻值在10 Ω以上时一般采用单臂电桥测量, 10 Ω以下的则用双臂电桥测量。在使用双臂电桥接线时, 电桥的电位桩头要靠近被测电阻, 电流桩头要接在电位桩头上。 测量前, 应先估计被测线圈的电阻值, 将电桥倍率选钮置于适当位置, 将非被测线圈短路并接地, 然后打开电源开关充电, 待充足电后按下检流计开关, 迅速调节测量臂, 使检流计指针向检流计刻度中间的0位线方向移动, 进行微调, 待指针平稳停在零位上时记录电阻值, 此时, 被测线圈电阻值=倍率数×测量臂电阻值。测量完毕, 先开放检流计按钮, 再放开电源开关。
1.2 直流电阻测量注意事项
在测量过程中, 除了要严格遵守电气安全规程和设备试验规程外, 还要特别注意以下几点: ①在线圈温度稳定的情况下进行测量, 要求变压器油箱上、下部间的温度差不超过3℃;②由于变压器线圈存有电感, 测量时的充电电流不稳定, 一定要在电流稳定后再计数, 必要时需采取缩短充电时间的措施; ③尽量减少试验回路中的导线接触电阻, 运行中的变压器分接头由于受到油膜等污物的影响容易产生接触不良现象, 一般需切换数次后再测量, 以免造成判别错误;④连接线与被测电阻的接触面要清洁, 以尽量减少接触电阻;⑤改变接线和被测对象时, 应先断开电源。
2 相关规范要求及换算
2.1 规程及规范中相关要求
根据规程、规范要求规定:三相变压器应测出线间电阻, 有中性点引出的变压器, 要测出相电阻;带有分接头的线圈在大修和交接试验时, 要测出所有分接头位置的线圈电阻, 在小修和预试时, 只需测出使用位置上的线圈电阻。由于变压器制造质量、运行单位维修水平、试验人员使用的仪器精度及测量接线方式的不同, 测出的三相电阻值也不相同, 通常引入如下误差公式进行判别
式中:△R%为误差百分数;Rmax为实测中的最大值;Rmin为实测中的最小值;Rp为三相实测中平均值。
规程、规范要求中规定:1600kVA及以上的变压器, 各相线圈的直流电阻值相互间的差别不应大于三相平均值的2%;1600kVA以下的变压器, 各相线圈的直流电阻值相互间的差别不大于三相平均值的4%, 线间差别不大于三相平均值的2%;本次测量值与上次测量值相比较, 其变化也不大于上次测量值的2%。
2.2 相关换算
在进行比较分析时, 一定要在相同温度下进行, 如果温度不同, 则要换算为20℃时的电阻值。
不同温度下换算的电阻值公式为
式中:R1、R2分别为温度在t1、t2时的电阻值; T为计算用常数, 铜导线取235, 铝导线取225。
3 测量结果分析
3.1 三相电阻不平衡原因
通过实际测量, 发现引起三相电阻不平衡的原因是多方面的, 归纳起来大致包括以下几方面: ①测量误差;②分接开关接触不良, 一般表现为一、二个分接头电阻偏大, 而且三相电阻不平衡;③焊接不良, 引线和线圈接触处发生接触不良, 多股并绕线圈中一股或几股没有焊上, 这时电阻也将增大;④三角接线一相断线, 未断线的两相比正常时大1.5倍, 断线相比正常时大3倍;⑤三相线圈使用的导线规格型号不同;⑥变压器套管中, 导电杆和引线接触不良;⑦在测量充电时变压器有电感存在, 充电时间的长短也会影响测量数值。
3.2 常见故障现象测量结果分析表
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直流变压 篇7
溪浙特高压直流输电工程起于四川宜宾换流站, 止于浙江金华换流站, 线路全长1 653km, 额定电压为±800kV, 额定输送功率为800万kW。目前, 随着特高直流输电工程的快速发展和建设, 交直流混合输电引起的直流偏磁问题越来越得到重视[1]。本文通过先后对溪浙工程受端金华换流站金丝接地极周边110kV及以上电压等级变电站的直接接地变压器进行直流偏磁测试, 发现直流单极运行工况对周边交流变压器均有不同程度的影响, 因此结合浙江电网的实际情况研究分析溪浙特高压直流输电系统对中性点直接接地变压器的影响具有重要意义。
1 直流偏磁测试点的选择
为更全面了解溪浙特高压直流对浙江电网运行的影响, 结合系统调试计划, 选取了金华换流站周边150km内500kV、220kV的站点进行研究, 如图1所示。最终选择金华换流站、双龙变、丹溪变、万象变、芝堰变、信安变、宁德变、回浦变等500kV变电站以及温泉站、滢乡站2座220kV站及相应的站间线路作为溪浙直流单极试验测试工作的测试点, 分别在溪浙直流单极运行时, 进行了变压器中性点直流测试、噪声测试、电压波动测试等。
2 直流偏磁对变压器的影响
直流偏磁对变压器的影响主要表现在以下几方面。
(1) 直流偏磁作用下变压器温升增大, 引发局部过热。变压器绕组、铁心、油箱和夹件等结构件的涡流损耗增加, 会引起变压器顶层油和绕组的温升增加, 当直流持续时间较长时, 必然导致局部过热。研究表明, 1台370MVA、735kV的单相自耦变压器中注入75A的直流电流, 持续1h后, 拉板上顶部与顶油温差可达到52K[2]。
(2) 直流偏磁作用下变压器噪声增加。变压器的噪声主要来自铁心的磁滞伸缩, 在周期性变化的磁场作用下, 硅钢片改变自己的尺寸, 引起振动和噪声[3]。直流偏磁会使变压器半个周波内的铁心过饱和, 谐波分量增加, 导致磁滞伸缩加剧, 噪声增大。分别对溪浙特高压直流进行1 000A、750A、500A直流通流工况试验, 在金华换流站周边变电站进行变压器中性点接地直流电流测试、噪声测试。测试结果为:双龙变、芝堰变、信安变主变中性点接地直流电流最大分别为9A、15A、13A;双龙变、丹溪变、芝堰变、信安变最大噪声分贝分别达到98dB、94dB、96dB、91dB, 均较正常运行时升高15~25dB, 见表1。
dB
(3) 直流偏磁对电压波形的影响。500kV变压器大多采用自耦变, 而自耦变一般采用YNdyn连接。对于YN-dyn连接的三相变压器, 虽然直流接地极电流流过YN绕组时增加了励磁谐波电流, 但由于一次和二次绕组都可为3倍频谐波电流提供通道, 直接为变压器提供所需的3倍频谐波电流, 使得主磁通接近正弦波, 因此电动势波形也接近于正弦波。然而事实上, 当铁心工作在严重饱和区时, 漏磁通会增加, 在一定程度上使电压波峰变平。溪浙特高压直流进行1 000A、750A、500A直流通流工况试验时, 在金华换流站周边变电站进行3U0告警监测, 发现双龙变、芝堰变、信安变、丹溪变、万象变均出现多次3U0报警, 其中万象变共有10个间隔出现3U0告警, 最大电压达到5.64V, 见表2。
(4) 变压器损耗增加。变压器的损耗包括磁芯损耗 (铁耗) 和绕组损耗 (铜耗) , 铜耗又包括基本铜耗和附加铜耗。在直流作用下, 变压器励磁电流可能会大幅度增加, 导致变压器基本铜耗急剧增加, 但由于主磁通仍为正弦波, 且磁密变化相对不大, 因此直流偏磁电流对附加铜耗产生的影响相对较小[4]。
3 直流偏磁对变压器保护的影响
当变压器正常运行或发生外部故障时, 差动保护的动作电流为励磁电流, 在直流偏磁情况下, 励磁电流大于保护定值, 差动保护启动, 但此时励磁电流中含有很高的2次谐波分量, 差动保护将被闭锁, 保护不会误动。当变压器发生内部故障时, 由直流偏磁引起的动作电流畸变将会产生大量的谐波, 尤其是在内部弱故障情况下, 2次谐波分量在差动电流中占有一定的比例, 若2次谐波含量大于2次谐波制动比, 则变压器差动保护将会被闭锁, 从而使保护拒动[5]。
3.1 系统仿真模型的建立
本文采用溪浙直流工程金华换流站侧周边电网的实际参数及边界等值参数, 在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立系统仿真模型, 保留金华换流站、双龙、丹溪、温泉、莹乡5个站的变压器、站间联络线路及其与另外7个直接相邻厂站间的联络线路, 其它厂站和线路均做等值处理。通过分析系统网络结构, 以及直流接入点与各站点的地理位置, 选择距接入点最近的500kV丹溪变的3台变压器为例, 针对不同故障情况下变压器保护可能受到的影响等相关问题开展研究。
3.2 系统仿真数据分析
3.2.1 直流偏磁对变压器差动保护的影响
(1) 金属性故障时直流偏磁对变压器差动保护的影响。由于系统中发生单相接地故障的概率较高, 因此在仿真模型中对丹溪变3台主变分别加入170A的直流电流, 于4.0s时在主变220kV侧设置区外A相接地短路故障后, 分析变压器的差动保护动作情况, 仿真波形如图2所示。
由图2可知, 故障后变压器中性点将出现较大直流分量, 但此时故障相制动电流远大于动作电流, 保护可靠不动作。在相同情况下, 即丹溪变3台主变分别通入170A直流且达到稳态情况下, 当变压器保护区内发生单相金属性接地短路故障后, 通过仿真可知, 故障前三相制动电流均高于动作电流;故障后, 故障相二次谐波含量明显降低, 且故障相保护动作电流为制动电流的2倍, 非故障相制动电流与动作电流几乎不变, 保护可靠动作。
(2) 经过渡电阻接地故障时直流偏磁对变压器差动保护的影响。在仿真模型中, 对丹溪变主变注入200A的稳态直流电流, 在变压器直流偏磁作用下, 于4.0s时在变压器高压侧设置A相接地故障, 故障电阻为600Ω, 仿真结果如图3所示。故障前差流中的2次谐波含量为85%;故障后, A相差动电流已满足动作条件, 但2次谐波含量为16.2%, 超过了定值 (15%) , 差动保护被闭锁。这表明, 变压器在高直流偏磁情况下发生内部高阻接地故障, 保护有拒动的风险。
3.2.2 直流偏磁对变压器距离保护的影响
在仿真系统中对丹溪变变压器加入200A的直流电流, 模拟变压器高压侧距离保护区内故障时的动作情况。丹溪变主变高压侧的距离保护II段定值为X1=61.4Ω, 保护范围伸出主变中压侧, 仿真结果见表3、表4。
对比表3、表4变压器直流偏磁前后高压侧距离保护的测量阻抗可知, 正常运行和直流偏磁下距离保护均可靠动作;正常运行和直流偏磁下距离保护的测量阻抗有轻微的变化, 但不影响丹溪变主变高压侧距离保护的动作。
3.3 小结分析
通过仿真模拟变压器保护区内、区外发生接地故障, 变压器中性点流过200A直流偏磁电流时, 对变压器保护动作情况进行分析, 得出以下结论。
(1) 在金属性接地故障时, 直流偏磁引起变压器内部2次谐波的增加。变压器区外故障时, 变压器2次谐波含量可以达到差动电流的80%;区内金属故障时, 2次谐波的含量小于1%, 变压器的差动保护未出现不正确动作情况。
(2) 经过渡电阻接地故障时, 若过渡电阻值过大, 则可能出现2次谐波含量大于制动定值, 导致在区内故障时误闭锁差动保护, 保护有拒动风险。
(3) 在金属性接地故障时, 变压器距离保护测量阻抗与系统无直流偏磁电流时的数值相比未有明显变化, 无不正确动作行为。
4 直流偏磁抑制措施
针对溪浙特高压直流工程对浙江电网的影响, 开展了对溪浙直流单极大地回路运行工况时的偏磁检测与仿真工作, 选定金华换流站周边受影响较大的6座500kV变电站的变压器中性点串联电容型隔直装置以消除直流对变压器的影响。
电容型隔直装置是利用电容器隔直流通交流的特性, 从而达到抑制变压器中性点直流电流的目的。该装置利用与电容器并联的状态转换开关实现隔直装置直接接地运行状态和电容接地运行状态的转换, 如图4所示。当变压器中性点检测到越限的直流电流时, 断开状态转换开关;当变压器中性点直流电流消失时, 延时闭合状态转换开关。
5 结束语
特高压直流输电的技术特点和经济效益, 以及中国能源分布与用电负荷分布不均匀的基本国情, 决定其在电网发展中有着重要的地位。随着浙江电网特高压直流输电工程规模的扩大, 特高压直流输电产生的直流偏磁现象必将对浙江电网内的交流变压器造成一定的影响。本文通过研究溪浙特高压直流输电系统采用单极大地回流方式运行时直流偏磁产生的原因及其对换流站周边变压器的影响, 可为今后浙江电网特高压直流输电对交流变压器影响的分析研究奠定基础。
参考文献
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[4]蒯狄正, 万达, 邹云.直流偏磁对变压器的影响[J].中国电力, 2004, 37 (8) :41~43
直流变压 篇8
关键词：接地点过直流电流,直流输电系统,交流变压器
0引言
由于我国经济的不断发展,供电需求日益增加,所以,对电流系统的供电提出了更高的要求。直流输电系统因为其固有的优点受到广泛应用。当前,广东省的直流输电系统主要有 :±500k V高肇直流±500k V天广直流、±500k V江城直流等随着直流输电网的建设,交流和直流输电系统的相互影响问题也日益受到关注,本文主要分析了直流输电系统对交流变压器的影响。
1变压器接地点过直流电流的产生
直流输电系统处于平衡运行状态时,构成大地和双极之间的输电回路,其运行示意图如图1所示。此时,由于Id1≈Id2,并且其方向相反,因此,接地极的电流基本为零。
如果其中一极停运,双极平衡系统电流不平衡,形成单极和大地系统,其单级运行示意图如图2所示。构成的直流系统输电回路如下所述 :直流电流经整流器高压端流出至逆变器,经逆变器高压端到接地极,再经大地流回至整流器的接地极,此时,接地极的直流电流则为Ie=Id1或者Ie=Id2。
由于大地存在电阻,因此,2个换流站接地极电位不同,存在电位差,地中直流电流总是从高电位流向低电位,在两端电场作用下,直流电流由逆变侧接地极至整流侧接地极。在接地极附近,直流接地极电流产生压降,压降逐渐向四周扩散,并且受土壤电阻率的影响,电阻率越高,电压降越快。接地极压降圈内并联运行的中性点接地变压器的接地点也会存在压降,接地极的部分入地电流将从变压器中性点(地电位较高)三相绕组,经交流线路,流入中性点的变压器三相绕组(地电位较低),然后由这些变压器的中性点入地,形成直流回路。
2直流电流对交流变压器的影响系统
直流在变压器中流过时,由于直流电流的存在会影响变压器铁芯磁滞曲线,使其发生偏移,进而出现直流偏磁,使变压器不能正常运行。变压器的磁滞曲线变化如图3所示。对变压器的影响主要包括以下几方面。
(1)噪声和振动幅度增大。对于变压器来说,只有铁芯和冷却装置才是噪声产生的根源,磁致伸缩是铁芯噪声的主要根源。现代变压器铁芯的材质多为冷轧硅钢片,其磁通密度1.5~1.7T,导磁率较高。在额定电压下,大容量变压器(220k V及以上)的励磁电流大小仅为额定电流的0.1%。但是励磁电流的大小是变化的,它和外施电压的大小成正比,随着电压增大而增大。通常情况下,对于优质冷轧硅钢片来说,当外施电压增加5% 时,励磁电流增大约50% ;电压增加15% 时,励磁电流则增大约8倍。变压器发生直流偏磁时,变压器绕组流过相同的交流电流,出现磁致伸缩,加大铁芯的振动和伸缩幅度,增大变压器噪声。同时,由于磁致伸缩产生的振动属于非正弦,导致波形也发生变化,由正弦波变成了尖顶波,其噪声频率包含多种谐波分量,如果某一分量和变压器构件出现共振现象,噪声将显著提高,并十分有可能对变压器造成损害,导致其内部零部件松动、绝缘受损。(2)增加了铁损和铜损。因为铁芯发生直流偏磁,导致漏磁通增加,该组件将产生涡流,增加铁损 ;同时,由于直流偏磁,增大变压器的励磁电流,从而增加变压器铜损。由于铁损和铜损增加,引起绕组、铁芯、部件等发热严重,缩短这些零部件的使用寿命。(3)电压波形发生畸变。由于变压器铁芯出现直流偏磁,甚至有可能出现铁芯在饱和区工作的情况,由此增加了变压器的漏磁通,这样,使电压波形失真,发生畸变。在广东电网兴安直流调试期间就出现过此种情况,尤其是单极调试期间,电压发生畸变。(4) 影响继电保护的。继电保护的影响主要是直流系统不对称运行时,增大零序电压和电流量突变,出现母差失灵复合电压动作、线路保护起动。
3直流对交流变压器影响实例分析
某电力局220k V变电站1号主变压器,型号SFS10-180000/220。变电站值班人员发现主变压器运行异常,噪音显著增加,噪声类型和以往显著不同,其油温偏高,比另一台并列运行的主变压器约高3℃,停役后测试系统数据。电气测试和油化试验试验数据如下表1所示,结果表明各个项目运行正常。
由表1可知,变压器的运行数据正常,因此可判定变压器无故障。这可说明,系统运行异常和变压器不相关,应考虑外界因素。故障发生时,变压器的噪声显著提高,根据经验判断出铁芯异常,因此,对铁芯进行检查,经检查铁芯无损,说明铁芯质量无问题。因此,考虑剩磁和磁路饱和。由于铁芯完好无损,所以不是剩磁原因,因此可能是磁路饱和。对变压器进行进一步检查,发现一号主变中性点的连接方式为接地,二号主变中性点的连接方式也是接地,二者的中性点连接方式不同,因此可判定是因为外部电流流入变压器,导致变压器中心点出现异常情况。改变二号主变中性点的连接方式,使其变成不接地方式,设置成功以后,变压器的噪声消失,解决了变压器噪声异常问题。然后,再将二号主变中性点的连接方式换成接地方式,又开始出现噪声。因此可判定,中性点的连接方式导致的噪声出现。
测定两台主变并列运行时,流经中性点的交直流分量和噪声分贝数,测定结果如表2所示 :
由上文的分析可知,中性点接地时直流输电会对变压器产生影响,是由直流输电时单极运行造成的。直流输电在单极运行时会和地面形成回路,直流电流流经地下的管网设施,产生短路或者分流,对变压器的正常运行产生影响。如果电流过大会导致变压器出现故障,从而影响整个电网系统。
因此我们需要控制直流电流的合适电压,就目前来讲,国家已经对此有了一定的规定,具体要求是让变压器在百分之一百零五的额定电压下平稳运行,在这个状态下的励磁电流会在变压器的掌控之中,不会对正常运行造成影响。因此我们在使用直流电流时需要它控制在这个限制之内,保障变压器的安全稳定运行 .
因此,需要对直流电压进行控制。当前,国家对直流电压的控制已经明确规定 :要求变压器在105% 的额定电压下运行,此时,产生的励磁电流不会对变压器的运行造成影响。因此,在使用直流电流时要严格按照此标准进行控制,确保变压器安全稳定运行。
4 结语
直流站换流变压器带负荷测试方法 篇9
关键词：高压直流输电,继电保护,电流互感器
江苏地区某500 kV直流站极I、极II换流变和5012CT、5013CT、5031CT、5032CT变比为4000/1, 换流变网侧套管CT变比为2000/1, 阀侧套管CT变比3 000/1。换流变电量保护当前集成在极控制保护PCP中, 保护不经切换逻辑直接动作出口, 存在误动风险。根据国家电网公司调度中心起草的《换流站直流系统保护装置标准化规范》的要求, 每极改造为独立的2套南瑞继保PCS977D装置, 按照完全双重化配置方式, 每套保护均采用“启动+保护”的方式实现。在政平换流站启动调试过程中, 需要对换流变压器带负荷测试以校验换流变压器各CT的极性与变比。由于直流换流变交流侧的谐波给带负荷测试的精度增加了困难, 因此研究直流换流变带负荷测试具有工程实用价值。在该次启动调试过程中先通过直流控制系统传输10%的额定有功, 然后测量各CT二次侧电流的大小与相位, 最后通过比较电流大小与相位的测量值与理论计算值来校验CT的变比与极性的正确性。
1 无功计算方法
在传输10%的额定有功时, 计算各CT二次侧电流之前首先需要计算换流站吸收的无功。无功计算方法如下。六脉动整流器理想空载直流电压[1]为:
式中:U1为换流变压器阀侧绕组空载线电压有效值。由式 (1) 可得:
当整流站交流母线上装设性能完好的滤波器时, 可以认为谐波电流均被滤波器所吸收, 流入交流系统的为基波电流, 此时换流器的功率因数可近似认为是基波电压和基波电流的相位差φ1角所决定的cosφ1, 在忽略整流器损耗的情况下, 整流器交流侧的基波有功功率等于其直流功率, 可用下式表示[2]:
式中:P1为交流侧基波功率;Pd1整流侧的直流功率;Ud1为整流侧的直流电压;Id为整流侧的直流电流。由式 (3) 可得:
当忽略换相过程时, 六脉动整流器阀的导通顺序为 (6, 1) , (1, 2) , (2, 3) , (3, 4) , (4, 5) , (5, 6) , (6, 1) 等, 每组阀的导通角为60°[3,4], 当阀1导通时, 换流变阀侧A相绕组向换流器注入的电流近似为Id;当阀4导通时, 换流变阀侧A相绕组向换流器注入的电流近似为-Id;其余时刻换流变阀侧A相绕组向换流器注入的电流近似为0。一个开关周期内换流变阀侧A相电流波形如图1所示。
采用傅立叶级数展开可得换流变阀侧A相电流基频峰值为:
换流变阀侧A相电流基波电流的有效值为:
由式 (6) 可得:
将式 (2) 、 (7) 代入式 (4) 可得:
由式 (8) 可得:
整流器吸收的无功为:
同理, 对于逆变侧有:
式中:Pd2为逆变侧传输的有功;φ2为逆变器交流侧的基波电压、电流的相角差;Ud2为逆变侧的直流电压;Ud02为逆变器直流侧空载直流电压。
政平换流站为十二脉波换流器, 直流线路电压为515 kV与500 kV, 计算即得Ud01为541.62 kV, Ud1为515 kV, Ud2为500 kV。根据式 (10) 、 (11) , 可以得到当传输有功为300 MW时, 整流站吸收的无功为96.7MV·A, 逆变站吸收的无功为124.7 MV·A, 换流站吸收的总的无功为221.4 MV·A。政平换流站在传输不同有功时无功的测量值与理论计算值如表1所示, 计算误差如图2所示, 由图2可以看出, 最大误差为13%, 最小误差为0.5%, 在工程上满足精度要求。
2 CT二次侧电流计算方法
政平换流站极ⅠCT配置如图3所示, 各CT二次侧电流的计算方法如式 (15) 所示。
式中:P, Q分别为换流站注入交流系统的有功、无功;U为交流母线电压;K为CT变比;政平换流变极Ⅰ各CT二次侧电流的测量值与理论计算值如表2所示。政平换流站CT的配置情况如图3所示。
可见, 各CT二次侧电流的测量值与理论计算值符合较好, 从而验证了CT的极性与变比的正确性。
3 结束语
推导了换流站传输不同有功时无功的计算方法, 通过实测数据验证了该方法的正确性。提出了CT二次侧电流的计算方法, 通过与实测数据的对比验证了政平换流站CT极性与变比的正确性。
参考文献
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