一种自调电阻型直流偏磁抑制装置

技术领域

本发明涉及变压器直流偏磁抑制领域，特别是涉及一种自调电阻型直流偏磁抑制装置。

背景技术

由于高压直流输电在远距离、大容量输电及电网互联方面具有独特的优势，自1989年建成首条超高压±500kV葛洲坝—南桥直流输电工程以来，目前我国投运的超/特高压直流输电线路已超过20条。

直流工程在一极故障或因检修退出时，另一极往往采用单极大地回线方式运行。此时直流电流经由一端的接地极入地，利用大地土壤回流，返回另一端的接地极。直流电流注入大地的同时，会在接地极周边土壤中形成电位差，当不同电位的变电站之间有交流输电线路相连时，将会使得直流电流进入变压器中性点，从而使变压器产生诸如励磁电流畸变、振动加强、噪声增大、损耗增加等直流偏磁问题。

目前主流的直流偏磁抑制装置有电容型装置和电阻型装置。其中电容型装置利用电容隔直通交的特性，完全阻止直流电流进入变压器中性点，其优点是效果稳定，缺点是可能导致周边未治理的变电站的直流偏磁加重。电阻装置通过增加中性点阻抗的方式抑制进入变压器的直流电流，其优点是本身可以消耗一定的直流电流，缺点是随着电网结构的改变，变压器直流电流有可能再次超标。目前工程上往往采用电容和电阻相结合的方式治理区域电网的直流偏磁问题。

目前的电阻型装置通常是固定阻抗值（也有设置了可调触头的电阻装置，但只能在退出运行时手动调整，因此现场一般很少使用），其阻值一般是3～5欧姆，其核心部件是由一定电阻率的钢材料制成。当变压器中性点装设电阻型装置时，将会增大了直流回路的电阻，从而减小进入变压器的直流偏磁电流。但当电网结构发生改变时，如变电站出线改变、周围新增变电站等情况，将会导致原有变电站的直流偏磁电流发生变化，甚至再次超标。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种变压器直流偏磁抑制系统及抑制方法”，其公告号CN108400005B，其中直流偏磁抑制系统中，变压器一次侧三相绕组为三相星形联结；还包括三相直流偏磁抑制绕组、整流电路、交流电源、检测模块和控制系统，三相直流偏磁抑制绕组的各相绕组分别与一次侧三相绕组的各相绕组对应共铁心且缠绕方向相反，三相直流偏磁抑制绕组的各相绕组匝数均相等，三相直流偏磁抑制绕组首尾相接形成接到整流电路的直流端的开口三角形；整流电路的交流端与交流电源电连接；控制系统控制三相直流偏磁抑制绕组所产生的直流磁动势与一次侧三相绕组的直流磁动势大小相等、方向相反。该发明结构简单、控制容易，对变压器中性点接地和保护装置不会造成任何影响，性价比高，实用性强。然而在电网结构发生变化时，导致直流偏磁发生显著的变化，然而固有电阻无法适应偏磁造成的中位点偏移，因此无法有效适应的网格变化后造成的直流偏磁，同时若需要手动替换电阻大小，则仍然需要耗费大量的人力物力。

发明内容

本发明主要针对现有技术下随着电网结构的改变，采用普通电阻型装置，变压器直流电流有可能再次超标的问题；提供了一种自调电阻型直流偏磁抑制装置；该装置基于正温度系数材料的电阻PTCR；当装置通过较大电流的时候，由于电阻体温度上升，导致电阻阻值增加，从而将电流限制在较小的范围内，抑制变压器的直流偏磁，能够逆向自动调节电流的功能，可以完美地解决电阻型直流偏磁装置治理效果不稳定的缺陷。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种自调电阻型直流偏磁抑制装置，设置在变压器底部，包括热敏电阻PTCR、保护间隙T1、快速开关K1和电流互感器CT；所述变压器接地端连接电流互感器CT的第一端，电流互感器CT的第二端连接热敏电阻PTCR的第一端，热敏电阻PTCR的第二端接地；电流互感器CT的第二端连接快速开关K1的第一端，快速开关K1的第二端接地；电流互感器CT连接并控制快速开关K1。。该装置基于正温度系数材料的电阻PTCR；当装置通过较大电流的时候，由于电阻体温度上升，导致电阻阻值增加，从而将电流限制在较小的范围内，抑制变压器的直流偏磁，能够逆向自动调节电流的功能，可以完美地解决电阻型直流偏磁装置治理效果不稳定的缺陷。同时设置快速开关K1作为旁路PTCR，主要受CT控制；当变压器遭受近区短路等故障时，变压器将产生很大的零序电流，当CT检测到大电流时，将动作信号传递给快速开关，快速开关K1闭合，旁路PTCR。在免受PTCR损坏的同时消除额外的零序电阻，以便于电力系统的零序保护准确动作。

作为优选，所述电流互感器CT的第二端连接保护间隙T1的第一端，保护间隙T1的第二端接地；用于所述装置的过电压保护。当电力系统遭受雷击或操作时，变压器中性点可能产生较高的雷电过电压和操作过电压，损坏直流偏磁装置。当中性点有较高的过电压时，保护间隙自动导通。为了减小间隙放电分散性，一般可采用平板间隙，或将棒间隙密封在固定的气室内。

作为优选，所述热敏电阻PTCR常温耐压不低于1000V，热平衡电流小于10A的PTCR电阻。根据标准要求，变压器直流偏磁电流一般要求控制在10A以下，因此通常情况下可选用常温电阻3欧姆，耐压不低于1000V，热平衡电流小于10A的PTCR电阻。

作为优选，所述自调电阻型直流偏磁抑制装置底部设置有中位点监测系统，包括接地电阻检测模块，接地电阻检测模块通过无线模块连通控制中心。该系统主要为了为后续的电网改变提供可参考的数据信息，通过该装置检测变化时的电信号，得知电网结构变化后造成的接地电阻的变化从而得到电网变化造成的偏磁影响，为后续电网结构变化或其他情况提供可靠的数据变化支撑，辅助后续的电网改造。

作为优选，中位点监测装置按照如下步骤运行：

S1，通过的接地电阻检测模块实时检测流经地面时的电阻数值、电流数据；若电流数据出现大幅度抖动，则记录此时的电阻数值和电流数据并传递至控制中心；

S2，控制中心接收到信号后，从后台信息中获取当地电网变化情况、地貌特征和气温数据，将不同批次获取到的数据信号做不同的标记，区别不同次、不同地貌特征、不同气温数据下的接地电阻数据；

S3，综合相同地貌特征下、相似电网变化情况下的电流，根据温度变化数据和电流变化数据通过聚类拟合为I-T曲线，根据I-T曲线可以更加准确的预测不同的电网改造状态下的接地电阻数据，从而预测偏磁状态，同时根据此数据能够为后续的电网改造提供基础的偏磁预测，并可以在改造开始前将偏磁数据纳入考量范围内。

根据电流和温度曲线可以获得在相似的电网变化下，不同地貌特征下的电阻变化情况，当后续进行电路改造时可直接根据标签所标定的曲线进行数据对照，预测基本改造后的电网偏磁信息能够辅助改造，甚至可以根据需要，按照当地的水文状况和区域线路拓扑图，使电路改造的影响降至最低。

作为优选，获取I-T曲线后，按照如下步骤对不同节点进行改造：

1，建立目标区域的土壤电场分布仿真模型及交流系统的仿真模型；

2，将所述直流影响因素等效为直流电压源，接入交流系统中并获取变压器中性点；

3，调节变压器中性点接地方式，求取不同运行方式下各个变压器的中性点直流电流、直流平均值及交流电流的有效值；

4，建立抑制直流偏磁装置的等效电路模型；

5，在各个直流电流超标点设置并完善各个直流偏磁抑制电路方案；根据线路拓扑结构的关联关系，在各个直流电流超标点设置各个所述直流偏磁抑制电路方案并完善当前所述接入等效直流偏磁抑制电路方案；

6，比对全部的直流偏磁抑制电路方案，将其中设备安装数量最少的方案确定为最终的抑制直流偏磁设备的优化配置方案。

通过建立土壤电场分布及交流系统仿真模型；直流影响因素接入变压器中性点；调节变压器中性点接地方式并求值；建立抑制直流偏磁装置的等效电路模型；设置并完善各个直流偏磁抑制电路方案；确定设备安装数量最少为最终方案。本发明提出的方法有效且可靠地实现了对直流输电系统中抑制直流偏磁设备的全面优化配置，在不增加额外费用及工作量的基础上，能够针对多种运行方式提出最优的设备配置方案。

作为优选，所述步骤5中的所述初选的接入等效直流偏磁抑制电路方案的选取原则包括，在有关联关系的电路节点中，首选直流电流的流入点安装设备；在与多个节点有关联关系的电路节点中，选取关联节点多的节点安装设备；

步骤5包括：

步骤51、根据不同的直流偏磁抑制选取方案，在整个系统仿真电路中添加等效直流偏磁抑制电路；

步骤52、重新仿真，求接入等效直流偏磁抑制电路后，不同运行方式下各个变压器的最大直流偏置及最大直流偏置点；

步骤53、判断直流电流是否超标，若存在则重新进入步骤51，直至所有直流超标点都已接入抑制偏磁电路；

步骤S54、建立当前方案接入抑制偏磁电路的直流偏磁超标点集合，同时建立当前直流超标点在不同工况下的直流电流值集合。

有效且可靠地实现了对直流输电系统中抑制直流偏磁设备的全面优化配置，在不增加额外费用及工作量的基础上，能够针对多种运行方式提出最优的设备配置方案，为直流输电系统中抑制直流偏磁设备配置工作提供了全面且有效的依据。

本发明的有益效果是：

1. 采用一种自调电阻型直流偏磁抑制装置，其核心部件由PTCR热敏电阻构成。在正常情况下，其阻值相对稳定。当直流偏磁电流较大时，自身快速发热，进一步导致电阻值迅速变大，从而减小电流，达到直流偏磁电流的自动抑制；

2. 装置间设置保护间隙，保护间隙用于保护热敏电阻，快速开关及电流互感器相配合用于旁路热敏电阻，以保护热敏电阻和确保电力系统继电保护的准确动作。

附图说明

图1为自调电阻型直流偏磁装置结构图；

图2为PTCR电阻R-T曲线；

图3为本装置的电流-时间特性；

图4为节点改造流程图。

具体实施方式

应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）材料是一种对温度极其敏感的 n 型半导体材料，其显著特性就是电阻值随着温度变化，呈非线性正温度系数的关系，即材料的电阻率在一定温度范围内基本不变或仅有很小变化，当温度超过材料的特定温度转变点（居里温度 Tc），材料的电阻率在几度或者几十度的狭窄温度范围内发生跃变，电阻率迅速增加。利用PRT材料制成的热敏电阻被称为 PTCR 热敏电阻。PTC材料的特性如下图2所示。图中T25为常温，对应R25为常温下电阻；Rmin为最小电阻，Tmin为对应温度；TC为居里温度，对应临界电阻为Rc，当温度超过TC后电阻R将迅速增加；Tmax为最大温度，Rmax为最大电阻。

自调电阻型直流偏磁装置结构如图1所示。装置主要由PTCR热敏电阻、保护间隙T1、快速开关K1及电流互感器CT组成。

其中PTCR是核心部件，当电流增大时，温度升高超过TC，电阻迅速增大，从而减小电流，最终使得PTCR处于热平衡状态，将电流限值在较小的范围。其特性如图2所示，图中T25为常温，对应R25为常温下电阻；Rmin为最小电阻，Tmin为对应温度；TC为居里温度，对应临界电阻为Rc，当温度超过TC后电阻R将迅速增加；Tmax为最大温度，Rmax为最大电阻。

快速开关K1主要功能是旁路PTCR，其动作时间不超过20ms。

CT是宽频电流传感器，主要测量流经变压器中性点的交直流电流。当变压器遭受近区短路等故障时，变压器将产生很大的零序电流，当CT检测到大电流时，将动作信号传递给快速开关，快速开关K1闭合，旁路PTCR。在免受PTCR损坏的同时消除额外的零序电阻，以便于电力系统的零序保护准确动作。

T1是直流偏磁装置的保护间隙，当电力系统遭受雷击或操作时，变压器中性点可能产生较高的雷电过电压和操作过电压，损坏直流偏磁装置。当中性点有较高的过电压时，保护间隙自动导通。为了减小间隙放电分散性，一般可采用平板间隙，或将棒间隙密封在固定的气室内。

根据标准要求，变压器直流偏磁电流一般要求控制在10A以下，因此通常情况下可选用常温电阻3欧姆，耐压不低于1000V，热平衡电流小于10A的PTCR电阻。因此当变压器遭受较大直流偏磁时，直流电流经由PTCR热敏电阻入地。此时由于直流电流数值较大（比如20A），PTCR将迅速发热，使温度超过居里温度点，PTCR电阻在数百毫秒内迅速增加，使得直流偏磁回路的电阻增加，从而使直流偏磁电流下降的10A以下，逐步达到热稳定的平衡状态。图3是装置的电流-时间特性。

当一定时间后，若变压器直流偏磁电流消失，PTCR将恢复到正常温度下的小电阻状态。

所述自调电阻型直流偏磁抑制装置底部设置有中位点监测系统，包括接地电阻检测模块，接地电阻检测模块通过无线模块连通控制中心。该系统主要为了为后续的电网改变提供可参考的数据信息，通过该装置检测变化时的电信号，得知电网结构变化后造成的接地电阻的变化从而得到电网变化造成的偏磁影响，为后续电网结构变化或其他情况提供可靠的数据变化支撑，辅助后续的电网改造。

中位点监测装置按照如下步骤运行：

S1，通过的接地电阻检测模块实时检测流经地面时的电阻数值、电流数据；若电流数据出现大幅度抖动，则记录此时的电阻数值和电流数据并传递至控制中心；

S2，控制中心接收到信号后，从后台信息中获取当地电网变化情况、地貌特征和气温数据，将不同批次获取到的数据信号做不同的标记，区别不同次、不同地貌特征、不同气温数据下的接地电阻数据；

S3，综合相同地貌特征下、相似电网变化情况下的电流，根据温度变化数据和电流变化数据通过聚类拟合为I-T曲线，根据I-T曲线可以更加准确的预测不同的电网改造状态下的接地电阻数据，从而预测偏磁状态，同时根据此数据能够为后续的电网改造提供基础的偏磁预测，并可以在改造开始前将偏磁数据纳入考量范围内。

根据电流和温度曲线可以获得在相似的电网变化下，不同地貌特征下的电阻变化情况，当后续进行电路改造时可直接根据标签所标定的曲线进行数据对照，预测基本改造后的电网偏磁信息能够辅助改造，甚至可以根据需要，按照当地的水文状况和区域线路拓扑图，使电路改造的影响降至最低。