变压器中性点保护装置、系统和断路器

技术领域

本申请涉及电气设备技术领域，特别是涉及一种变压器中性点保护装置、系统和断路器。

背景技术

交流变压器(Transformer)是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)，一般应用于变电站等环境中用于对变电站的输入电压和输出电压进行电压变换。交流变压器的中性点在使用时需要保持接地，但是土壤中由于附近高压直流输电系统或者其他非线性系统等的存在会产生直流电、谐波等外电流，当外电流等随接地装置流入交流变压器的中性点会严重影响交流变压器的工作稳定性。目前针对外电流主要采用无源滤波器等来实现对于外电流的过滤，但是目前的无源滤波器只能去除外电流中的直流电，但无法消除外电流中的谐波，从而导致目前流入交流变压器中性点的谐波无法被消除。

发明内容

基于此，有必要针对目前流入交流变压器中性点的谐波无法被消除的问题，提供一种变压器中性点保护装置、系统和断路器。

一种变压器中性点保护装置，包括：

隔直电容器，包括相对的第一极板与第二极板，所述第一极板用于连接变压器中性点，所述第二极板接地；

电流检测器，所述电流检测器的输入端与所述第二极板电连接，所述电流检测器用于检测流入所述第二极板的第一谐波电流；

三电平逆变器，所述三电平逆变器的输入端用于连接电源设备，所述三电平逆变器的输出端与所述第二极板电连接；

控制器，所述控制器的输入端与所述电流检测器的输出端电连接，所述控制器的输出端与所述三电平逆变器的控制端电连接，所述控制器用于根据所述第一谐波电流控制所述三电平逆变器输出第二谐波电流，所述第二谐波电流与所述第一谐波电流大小相等，且互为反向电流。

在其中一个实施例中，所述三电平逆变器包括：

第一钳位回路，所述第一钳位回路的第一端用于连接所述电源设备的正极，所述第一钳位回路的第二端用于连接所述电源设备的负极，所述第一钳位回路的第三端与所述第二极板电连接；

第二钳位回路，所述第二钳位回路的第一端与所述第一钳位回路的第一端电连接，所述第二钳位回路的第二端与所述第一钳位回路的第二端电连接，所述第二钳位回路的第三端与所述电流检测器的输入端电连接，所述第二钳位回路的第四端与所述第一钳位回路的第四端电连接；

所述第一钳位回路与所述第二钳位回路的控制端均与所述控制器的输出端电连接；

电容组件，所述电容组件的第一端与所述第二钳位回路的第一端电连接，所述电容组件的第二端与所述第二钳位回路的第二端电连接，所述电容组件的第三端与所述第二钳位回路的第四端电连接。

在其中一个实施例中，所述第一钳位回路包括：

第一IGBT管，所述第一IGBT管的发射极用于连接所述电源设备的正极；

第二IGBT管，所述第二IGBT管的发射极与所述第一IGBT管的集电极电连接；

第三IGBT管，所述第三IGBT管的发射极分别与所述第二IGBT管的集电极和所述第二极板电连接；

第四IGBT管，所述第四IGBT管的发射极与所述第三IGBT管的集电极电连接，所述第四IGBT管的集电极用于连接所述电源设备的负极；

所述第一IGBT管、所述第二IGBT管、所述第三IGBT管和所述第四IGBT管的门极均与所述控制器的输出端电连接；

第一二极管，所述第一二极管的负极与所述第一IGBT管的集电极电连接；

第二二极管，所述第二二极管的负极分别与所述第一二极管的正极和所述所述第二钳位回路的第四端电连接，所述第二二极管的正极与所述第三IGBT管的集电极电连接。

在其中一个实施例中，所述第二钳位回路包括：

第五IGBT管，所述第五IGBT管的发射极分别与所述第一IGBT管的发射极和所述电容组件的第一端电连接；

第六IGBT管，所述第六IGBT管的发射极与所述第五IGBT管的集电极电连接；

第七IGBT管，所述第七IGBT管的发射极分别与所述第六IGBT管的集电极和所述电流检测器的输入端电连接；

第八IGBT管，所述第八IGBT管的发射极与所述第七IGBT管的集电极电连接，所述第八IGBT管的集电极分别与所述第四IGBT管的集电极与所述电容组件的第二端电连接；

第三二极管，所述第三二极管的负极与所述第五IGBT管的集电极电连接，所述第三二极管的正极分别与所述第一二极管的正极和所述电容组件的第三端电连接；

第四二极管，所述第四二极管的负极与所述第三二极管的正极电连接，所述第四二极管的正极与所述第七IGBT管的集电极电连接。

在其中一个实施例中，所述电容组件包括：

第一电容，所述第一电容的第一端与所述第五IGBT管的发射极电连接，所述第一电容的第二端与所述第三二极管的正极电连接；

第二电容，所述第二电容的第一端与所述第一电容的第二端电连接，所述第二电容的第二端与所述第八IGBT管的集电极电连接。

在其中一个实施例中，还包括：

无源滤波器，所述无源滤波器的输入端与所述三电平逆变器的输出端电连接。

在其中一个实施例中，还包括：

隔离变压器，所述隔离变压器的输入绕组与所述无源滤波器电连接，所述隔离变压器的输出绕组的一端与所述第二极板电连接，另一端与所述电流检测器的输入端电连接。

在其中一个实施例中，还包括：

交流滤波组件，所述交流滤波组件的第一端接地，所述交流滤波组件的第二端与所述电流检测器的输入端电连接。

一种变压器中性点保护系统，包括：

如上所述的变压器中性点保护装置；

电源设备，与所述三电平逆变器的输入端电连接。

一种断路器，包括如上所述的变压器中性点保护装置。

本申请实施例提供了一种变压器中性点保护装置，包括：隔直电容器、电流检测器、三电平逆变器和控制器。本通过设置有隔直电容器可以有效阻隔土壤中的直流电，同时通过设置所述电流检测器检测从土壤中流入所述隔直电容器的第一谐波电流，然后通过控制器控制所述三电平逆变器产生与所述第一谐波电流大小相同，方向相反的第二谐波电流，使得流入变压器中性点的第一谐波电流与所述第二谐波电流相互叠加以抵消，从而解决了现有技术中存在的目前流入交流变压器中性点的谐波无法被消除的技术问题，达到了消除流入交流变压器中性点的谐波的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例提供的变压器中性点保护装置及应用环境结构示意图；

图2为本申请一个实施例提供的变压器中性点保护装置三电平逆变器电路图；

图3为本申请一个实施例提供的变压器中性点保护装置第一钳位回路示意图；

图4为本申请一个实施例提供的变压器中性点保护装置第二钳位回路示意图；

图5为本申请一个实施例提供的变压器中性点保护装置三电平逆变器电路图；

图6为本申请一个实施例提供的变压器中性点保护装置及应用环境结构示意图；

图7为本申请一个实施例提供的变压器中性点保护系统结构示意图；

图8为本申请一个实施例提供的变压器中性点保护系统电源设备结构示意图；

图9为本申请一个实施例提供的断路器结构示意图。

附图标记说明：

10、变压器中性点保护装置；100、隔直电容器；110、第一极板；120、第二极板；200、电流检测器；300、三电平逆变器；310、第一钳位回路；311、第一IGBT管；312、第二IGBT管；313、第三IGBT管；314、第四IGBT管；315、第一二极管；316、第二二极管；320、第二钳位回路；321、第五IGBT管；322、第六IGBT管；323、第七IGBT管；324、第八IGBT管；325、第三二极管；326、第四二极管；330、电容组件；331、第一电容；332、第二电容；400、控制器；500、无源滤波器；600、隔离变压器；700、交流滤波组件；20、变压器中性点保护系统；21、电源设备；21a、交流电源；21b、整流组件；30、断路器；40、变压器。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的变压器中性点保护装置、系统和断路器进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请实施例提供了一种变压器中性点保护装置10可以应用于变压器40，用于阻隔流入所述变压器40中性点的直流电与谐波电流，从而达到保护所述变压器40中性点的目的，需要指出的是，本实施例中的变压器40是指交流变压器。

本申请实施例提供了一种变压器中性点保护装置10，包括：隔直电容器100、电流检测器200、三电平逆变器300和控制器400。

所述隔直电容器100包括相对的第一极板110与第二极板120，所述第一极板110用于连接变压器40的中性点，所述第二极板120接地。所述隔直电容器100用于隔离流入所述变压器40的直流电，所述隔直电容器100可以包括多个电容器，所述多个电容器之间可以并联，也可以串联，所述隔直电容器100可以为普通电容器，也可以为可调电容器，方便阻隔不同强度的直流电。所述隔直电容器器可以对流入所述变压器40的直流电进行阻隔，同时还具有信号传输功能，所述隔直电容器的电容越大，信号损失越小，容量越大，越有利于低频信号的传输，阻隔性能更优。本实施例对于所述隔直电容器100不作具体限定，可根据实际情况具体选择，只需要满足可以实现阻隔流入所述变压器40中性点的直流电的功能即可。

所述电流检测器200的输入端与所述第二极板120电连接，所述电流检测器200用于检测流入所述第二极板120的第一谐波电流。所述第一谐波是指由土壤流入所述变压器40的谐波，所述第一谐波电流可以为零序谐波、正序谐波中的任一种或者多种组合。所述电流检测器200可以为电流表，成本较低，易于获取，可以有效降低本实施例所述变压器中性点保护装置10的成本。所述电流检测器200还可以为电流互感器，电流互感器不需要与所述第二极板120直接接触，只需要套设于所述第二极板120接地端的引线，利用电磁感应即可检测到所述第一谐波电流，灵活性高。所述电流检测器200还可以为其他任意带有电流检测功能的电子器件，本实施例对于所述电流检测器200不作任何限定，可根据实际情况具体选择，只需要满足可以实现检测所述第一谐波电流的功能即可。

所述三电平逆变器300的输入端用于连接电源设备21，所述三电平逆变器300的输出端与所述第二极板120电连接。所述三电平逆变器300用于产生第二谐波电流，所述第二谐波电流与所述第一谐波电流互为反向电流。所述反向电流是指所述第二谐波电流与所述第一谐波电流为互补电流，大小相同，方向相反，所述第一谐波电流与所述第二谐波电流的矢量和为零，所述第一谐波电流与所述第二谐波电流叠加即可互相消除。所述三电平逆变器300可以产生除正弦波以外的多种波形的电压电流。本实施例对于所述三电平逆变器300的具体类型、型号等均不作任何限定，可根据实际情况具体选择或者设定，只需要满足可以实现产生所述第二谐波电流的功能即可。所述三电平逆变器300的主电路采用二极管钳位三电平电路，通过一对中性点相位二极管分别与上下桥臂串联的二极管相连，各开关器件互相串联，每个开关器件所承受的电压值相当于输入电压的一半，而且输出状态的种类多，尤其是采用交流三相电源时，可以产生27种输出状态，同时，可以使得内部的开关器件承受的电压及开关损耗减半，从而使得输出的所述第二谐波电流的波形也更加稳定。本实施例对于所述三电平逆变器300的种类、具体型号等均不作任何限定，可根据实际情况具体选择。

所述控制器400的输入端与所述电流检测器200的输出端电连接，所述控制器400的输出端与所述三电平逆变器300的控制端电连接，所述控制器400用于根据所述第一谐波电流控制所述三电平逆变器300输出第二谐波电流，所述第二谐波电流与所述第一谐波电流大小相等，且互为反向电流。所述控制器400不仅用于控制所述三电平逆变器300的工作状态，例如所述三电平逆变器300的启动或者关闭，所述控制器400还用于控制所述三电平逆变器300输出的所述第二谐波电流的类型和强度。所述控制器400与所述电流检测器200和所述三电平逆变器300之间可以为有线连接，信号传输稳定性高，也可以为无线连接，无需现场布线，灵活性高。所述控制器400可以为微处理器、控制芯片等均可，本实施对此不作任何限定，可根据实际情况具体选择或者设定。

本申请实施例提供的所述变压器中性点保护装置10的工作原理如下：

本申请实施例提供的所述变压器中性点保护装置10包括：隔直电容器100、电流检测器200、三电平逆变器300和控制器400。

所述变压器40中性点接地，土壤中的直流电经过所述隔直电容器100时被阻隔，当土壤中有谐波电流也就是所述第一谐波电流流入所述变压器40中性点时，所述电流检测器200将采集到的所述第一谐波电流信号传输至所述控制器400。所述控制器400根据所述第一谐波电流的类型和强度控制所述三电平逆变器300输出与所述第一谐波电流互为反向电流的第二谐波电流，所述第一谐波电流和所述第二谐波电流共同流入所述隔直电容器100的所述第二极板120。所述第一谐波电流与所述第二谐波电流在所述隔直电容器100的第二极板120相互叠加，相互抵消，从而使得通过所述隔直电容器100流入所述变压器40中性点的电流不包含谐波电流与直流电，从而达到保护所述变压器40中性点的目的。

本实施例提供了一种变压器中性点保护装置10，包括：所述隔直电容器100、所述电流检测器200、所述三电平逆变器300和所述控制器400。本通过设置有隔直电容器100可以有效阻隔土壤中的直流电，同时通过设置所述电流检测器200检测从土壤中流入所述隔直电容器100的第一谐波电流，然后通过控制器400控制所述三电平逆变器300产生与所述第一谐波电流大小相同，方向相反的第二谐波电流，使得流入变压器40中性点的第一谐波电流与所述第二谐波电流相互叠加以抵消，从而解决了现有技术中存在的目前流入交流变压器40中性点的谐波无法被消除的技术问题，达到了消除流入交流变压器40中性点的谐波的技术效果。

请参见图2，在一个实施例中，所述三电平逆变器300包括：第一钳位回路310、第二钳位回路320和电容组件330。

所述第一钳位回路310的第一端用于连接所述电源设备21的正极，所述第一钳位回路310的第二端用于连接所述电源设备21的负极，所述第一钳位回路310的第三端与所述第二极板120电连接。所述第二钳位回路320的第一端与所述第一钳位回路310的第一端电连接，所述第二钳位回路320的第二端与所述第一钳位回路310的第二端电连接，所述第二钳位回路320的第三端与所述电流检测器200的输入端电连接，所述第二钳位回路320的第四端与所述第一钳位回路310的第四端电连接。所述第一钳位回路310与所述第二钳位回路320的控制端均与所述控制器400的输出端电连接。

请参见图3，所述第一钳位回路310包括：第一IGBT管311、第二IGBT管312、第三IGBT管313、第四IGBT管314、第一二极管315和第二二极管316。所述第一IGBT管311的发射极用于连接所述电源设备21的正极。所述第二IGBT管312的发射极与所述第一IGBT管311的集电极电连接。所述第三IGBT管313的发射极分别与所述第二IGBT管312的集电极和所述第二极板120电连接。所述第四IGBT管314的发射极与所述第三IGBT管313的集电极电连接，所述第四IGBT管314的集电极用于连接所述电源设备21的负极。所述第一IGBT管311、所述第二IGBT管312、所述第三IGBT管313和所述第四IGBT管314的门极均与所述控制器400的输出端电连接。

所述第一二极管315的负极与所述第一IGBT管311的集电极电连接。所述第二二极管316的负极分别与所述第一二极管315的正极和所述所述第二钳位回路320的第四端电连接，所述第二二极管316的正极与所述第三IGBT管313的集电极电连接。所述电容组件330的第一端与所述第二钳位回路320的第一端电连接，所述电容组件330的第二端与所述第二钳位回路320的第二端电连接，所述电容组件330的第三端与所述第二钳位回路320的第四端电连接。

请参见图4与图5，所述第二钳位回路320包括：第五IGBT管321、第六IGBT管322、第七IGBT管323、第八IGBT管324、第三二极管325和第四二极管326。所述第五IGBT管321的发射极分别与所述第一IGBT管311的发射极和所述电容组件330的第一端电连接，所述第六IGBT管322的发射极与所述第五IGBT管321的集电极电连接，所述第七IGBT管323的发射极分别与所述第六IGBT管322的集电极和所述电流检测器200的输入端电连接，所述第八IGBT管324的发射极与所述第七IGBT管323的集电极电连接，所述第八IGBT管324的集电极分别与所述第四IGBT管314的集电极与所述电容组件330的第二端电连接。

所述第三二极管325的负极与所述第五IGBT管321的集电极电连接，所述第三二极管325的正极分别与所述第一二极管315的正极和所述电容组件330的第三端电连接，所述第四二极管326的负极与所述第三二极管325的正极电连接，所述第四二极管326的正极与所述第七IGBT管323的集电极电连接。所述第一电容331与所述第二电容332分别分担的输入电压的一半，并且通过钳位二极管也就是所述第一二极管315和所述第二二极管316，以及所述第三二极管325和所述第四二极管326的钳位作用，使每个开关器件上承受的电压限制在一个电容电压的一半上，从而大大减小了开关器件，也就是8个IGBT管的电压应力，从而提高所述三电平逆变器300的工作稳定性。

请参见图5，所述电容组件330包括第一电容331和第二电容332。所述第一电容331的第一端与所述第五IGBT管321的发射极电连接，所述第一电容331的第二端与所述第三二极管325的正极电连接。所述第二电容332的第一端与所述第一电容331的第二端电连接，所述第二电容332的第二端与所述第八IGBT管324的集电极电连接。所述第一电容331与所述第二电容332分别分担的输入电压的一半，并且通过钳位二极管也就是所述第一二极管315和所述第二二极管316，以及所述第三二极管325和所述第四二极管326的钳位作用，使每个开关器件上承受的电压限制在一个电容电压的一半上，从而大大减小了开关器件，也就是8个IGBT管的电压应力，从而提高所述三电平逆变器300的工作稳定性。

请参图6，在一个实施例中，所述的变压器中性点保护装置10还包括：无源滤波器500、隔离变压器600和交流滤波组件700。

所述无源滤波器500的输入端与所述三电平逆变器300的输出端电连接，所述无源滤波器500用于过滤所述三电平逆变器300在工作时产生的谐波电流，以防止所述三电平逆变器300的工作回路中产生谐波而影响所述变压器40接地回路的工作稳定性，通过设置所述无源滤波器500大大提高所述变压器中性点保护装置10的工作稳定性。本实施例对于所述无源滤波器500的数量及类型等均不作限定，可根据实际情况具体选择，只需要满足可以实现过滤所述三电平逆变器300在工作时产生的谐波电流的功能即可。

所述隔离变压器600的输入绕组与所述无源滤波器500电连接，所述隔离变压器600的输出绕组的一端与所述第二极板120电连接，另一端与所述电流检测器200的输入端电连接。所述隔离变压器600用于将所述无源滤波器500与所述变压器40的接地回路隔离开来，以防止所述三电平逆变器300发生故障时过电流击穿所述变压器40接地回路，从而保证所述变压器40接地回路的工作稳定性，提高所述变压器40中性点的安全性。所述隔离变压器600可以为普通隔离变压器、屏蔽隔离变压器、双重屏蔽隔离变压器、三重屏蔽的隔离变压器中的任一种或者任意组合，本实施例对于所述隔离变压器600的类型、型号等均不作任何限定，可根据实际情况具体选择或者设定。

所述交流滤波组件700的第一端接地，所述交流滤波组件700的第二端与所述电流检测器200的输入端电连接。所述交流滤波组件700的数量可以为一个，每个所述交流滤波组件700包括有一个LC振荡电路，例如电抗、电容和电阻等，特定大小的电容与电阻串联，再与电抗并联以构成一级带阻滤波器，滤除与电抗振荡频率相等的交流电流。所述交流滤波组件700也可以为多个，多个所述交流滤波组件700之间串联，每个所述交流滤波组件700的振荡频率不同，构成多级串联的交流滤波组件组，以滤除多种频率的地电流以及励磁电流中的交流量。本实施例对于所述交流滤波组件700的数量、型号等均不作任何限定，可根据实际情况具体选择，只需要满足可以过滤地电流中的交流量的功能即可。

请参见图7，本申请实施例提供了一种变压器中性点保护系统20，包括：变压器中性点保护装置10和电源设备21。

所述变压器中性点保护装置10的有益效果在上述实施例中已详细阐述，在此不再赘述。

请参见图8，所述电源设备21与所述三电平逆变器300的输入端电连接。所述电源设备21可以为直流电源，也可以为交流电源21a，当所述电源设备21为交流电源21a时，所述电源设备21包括：交流电源21a和整流组件21b，所述整流组件21b的输入端与所述交流电源21a电连接，所述整流组件21b的输出端与所述三电平逆变器300的输入端电连接，所述整流组件21b将所述交流电源21a输出的交流电转换为直流电供给所述三电平逆变器300使用。本实施例对于所述电源设备21的类型等均不作任何限定，只需要满足可以为所述三电平逆变器300提供直流电的功能即可。

请参见图9，本申请实施例提供了一种断路器30，包括如上所述的变压器中性点保护装置10。

所述变压器中性点保护装置10的有益效果在上述实施例中已详细阐述，在此不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。