1、2010年10 月第25卷第10期 電 工 技 術 學 報 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Vol.25 No. 10 Oct. 2010基于反向晶閘管并聯保護的變壓器中性點直流電流抑制裝置王 升1,2 陸繼明1 毛承雄1 王 丹1 梅桂華3（1. 華中科技大學電氣與電子工程學院 武漢 430074 2. 重慶市電力公司楊家坪供電局 重慶 400080 3. 廣東電網公司電力科學研究院 廣州 510600）摘要 針對直流輸電單極大地回路運行方式下造成的接地變壓器直流偏磁的問題，提出并研制了一種基于并聯晶閘管保護的變壓器中性點電容器隔

2、直裝置，分析了其拓撲結構和工作原理，由于不需要額外的整流回路和晶閘管關斷回路，主回路的拓撲結構得以大量簡化，降低了裝置的成本，同時該裝置采用了純硬件的集成電路保護和微機保護的完全雙重化冗余結構，提高了系統的可靠性和智能性。仿真結果、大電流試驗情況和初步現場運行表明，該裝置能有效解決由直流輸電單極大地回路運行方式下造成的接地變壓器直流偏磁的問題，具有很好的工程應用效果。關鍵詞：直流偏磁 高壓直流輸電 隔直裝置 中性點 變壓器中圖分類號：TM85A Neutral DC Current Blocking Device for Grounding Transformer Based on Inver

3、se Parallel Thyristors ProtectionWang Sheng1,2 Lu Jiming1 Mao Chengxiong1 Wang Dan1 Mei Guihua3（1. Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China2. Chongqing Electric Power Company Chongqing 400080 China3. Guangdong Electric Power Research Institute Guangzhou 510600 China）Abstract

4、When HVDC power system operates in ground return mode, the AC groundingtransformers around the electrodes always suffer from DC biases due to the DC currents through their neutral points. In this paper, a novel transformer neutral DC current blocking device (NCBD) based on inverse parallel thyristor

5、s protection is proposed and developed to solve such problem. Based on the analysis of the topology and operating principles of NCBD, the main circuit is simplified by removing the front-end rectifier circuit and the turn-off circuit of thyristor. Thus, the cost of the device can be cut down alot. M

6、oreover, the reliability and intelligence of NCBD are improved by its dual redundant structure, whichis made up of a set of hardware integrated circuit and a set of microcomputer measure-controlling system. Simulation results, high current tests and field operation results confirm that the NCBD can

7、resolve the demand of DC bias restraint effectively, and provide a practical based engineering solution.Keywords：DC bias, HVDC, neutral DC current blocking device, neutral point, transformer愈來愈多地應用，由于其輸送容量大、輸送距離遠、調節迅速、運行靈活，HVDC在遠距離大容量輸電、區域電力系統互連中起到了十分積極的作用，但同時也帶來了一些新問題1-3。實際運行發現，當直流輸電系統采用大地回路運行方式時，從

8、大地中流過的巨大直流電流會對附近的交流系統產生影響，特1 引言 隨著高壓直流輸電（HVDC）技術在國內電網 國家自然科學基金資助項目（50977035）。 收稿日期 2009-04-01 改稿日期 2009-10-04184電 工 技 術 學 報 2010年10月別是會對接地極附近中性點直接接地變壓器產生比較嚴重的直流偏磁4-6，這不僅增加了變壓器的無功消耗，影響變壓器的正常運行，引起繼電保護誤動，而且引起的諧波大幅升高也會對其他電氣設備產生較大影響，從而直接影響到變電站、發電廠的安全運行。隨著我國高壓直流輸電工程的日益增多，直流輸電工程單極投運時間和每年直流輸電線路的檢修造成的單極大地運行總

9、時間也越來越長，而且直流輸電系統大地回線運行方式作為故障應急方式，基本上不可避免，因此，變壓器中性點隔直裝置（NCBD）的研發在近幾年越來越受到重視。最初的變壓器中性點直流電流抑制裝置是為了抑制由于地磁風暴引起的直流電流（GIC）對接地變壓器的侵入，由加拿大的J.G.Kappenman7于20世紀90年代提出的一種由電容器和放電間隙組成的旁路系統，雖然GIC能夠得到抑制，但是電容器的容抗值達到了43（60Hz），過大的阻抗值造成了變壓器中性點不能有效地接地，而且在電容器兩端還并聯了許多個放電間隙用來防止電容器電壓過高而損壞。之后在加拿大Radisson-Sandy Pond直流輸電系統單極大地

10、運行方式下，Radisson接地極附近變電站的接地變壓器中性點發現了有直流電流流過。為此加拿大魁北克電力局的L.Bolduc8提出了一種電容器直流電流抑制裝置，將電容器的容抗值減小到了1左右（60Hz），并且將由整流橋和晶閘管構成的電子開關代替放電間隙引入到了裝置的主回路中。由于高壓直流輸電在國內起步較晚，由直流輸電引起的直流電流對交流接地變壓器入侵的現象在21世紀初在天廣直流輸電的廣東側和三峽-華東直流輸電系統的華東側先后被發現，目前國內有一些部門和機構針對這一情況進行了相關的研究9-14，并提出了一些解決方案。本文設計了一種新型NCBD，和一般的電容器隔直裝置相比，由于不需要額外的整流回路

11、和晶閘管關斷回路，主回路的拓撲結構得以大量簡化，降低了裝置的成本，同時該NCBD采用純硬件的集成電路保護和微機保護的完全雙重化冗余結構，提高了系統的可靠性和智能性。通過分析其拓撲結構和工作原理，討論了裝置的電容器保護和直流電流抑制能力。大電流試驗和仿真結果相吻合，表明該NCBD能有效解決由直流輸電單極大地回路運行方式下造成的接地變壓器直流偏磁的問題。2 NCBD的結構原理介紹由于電容有隔直通交的作用，主變中性點裝設電容后，可以有效地消除流過變壓器中性點的直流電流，而且不影響交流電流流過中性點。在一些非正常的情況下，比如交流故障、雷擊等，主變中性點會流過很大的電流，并產生幅值很高的暫態電壓，這樣

12、有可能會損壞電容器，如果在電容器兩端并聯一個電流旁路裝置，當電容器兩端電壓超過規定值后，電流通過旁路保護裝置流過，從而將電容旁路，限制了中性點電容器的暫態電壓幅值，這樣則不需要安裝容量很大的電容器來承受故障電流，節省了安裝空間，縮減了成本，確保了變壓器安全可靠地運行。此外，設計還要考慮到在變壓器中性點安裝裝置后不能對現有繼電保護產生影響；裝置本身的各項整定值可以調整，以便適應不同的接地變壓器。總之，變壓器中性點直流電流抑制裝置要具有原理簡單、經濟可靠、適應性強、高智能性的特點。NCBD接入到變壓器中性點后，為了盡可能小地影響或者不影響系統，在系統正常的狀態下，裝置的電容器將被旁路，變壓器中性點

13、直接接地，這是運行人員最希望看到的。如果變壓器中性點出現直流電流，電容器將會自動投入；如果在電容器投入運行的過程中變壓器中性點同時出現較大的短路故障電流，電容器會被旁路，中性點直接接地，從而避免中性點產生過電壓。NCBD的主回路結構如圖1所示，Q1為變壓器中性點接地開關。裝置部分包括：裝置投切刀開關Q2，電容器組C，反向并聯的晶閘管THY1、THY2及其觸發電路，電抗器L，旁路機械開關圖1 變壓器中性點電容器隔直裝置主回路原理圖 Fig.1 Major electrical components of NCBD第25卷第10期王 升等 基于反向晶閘管并聯保護的變壓器中性點直流電流抑制裝置 18

14、5Q3，電流/電壓轉換裝置TAV和互感器TA1、TA2、TA3等。 2.1 硬件組成電容器C起“隔直通交”的作用，選取的標準是：額定電壓要滿足接地變壓器中性點的最大直流電壓與最大短路故障電流引起的電壓升高的和。電容容抗值要不影響繼電保護的整定以及保證變壓器中性點的有效接地。裝置的電容器組由3個額定電壓1200V DC，11 000F的電容器（電容器內不含放電電阻和熱熔絲）并聯組成，工頻阻抗標稱值為0.1；每個電容器通過端到端測試電壓為直流額定電壓的1.5倍并可維持10s的耐受試驗，符合IEC61881和GB/T 177021999的標準。并聯在電容器兩端的一對或幾對反向并聯晶閘管用于在電容器過

15、電流或過電壓時為電容器C提供快速電流旁路支路；由于導通時間不長，故不需考慮散熱。晶閘管的選擇要能承受0.15s（機械開關Q3操作閉合的最長時間）短路電流和電容器放電電流之和。機械開關Q3支路由于自身的操作閉合時間在100ms左右（遠大于晶閘管微秒級別的導通時間），它和晶閘管支路配合構成了電容器旁路支路，能在發生短路故障時使變壓器中性點可靠有效的接地。同時在Q3關合后，晶閘管兩極電位相同，晶閘管維持電流減為零后自然關斷，所以Q3兼作雙向晶閘管固態開關的關斷控制。電抗器L的額定電感為0.1mH，可耐受22kA/1s（50Hz）的沖擊電流，用于限制電容器通過雙向晶閘管固態開關放電時的放電電流變化率，

16、同時可用于有多個并聯雙向晶閘管固態開關支路時的均流。選擇電抗器時，還應該使電容器組C和電抗器L的諧振頻率遠離工頻50Hz，以防止兩者發生諧振。TAV是一個電流/電壓變換裝置，其輸出接到Q3合閘回路，它的作用是當通過電容器的交流電流超過整定值時，可以直接控制機械開關Q3合閘，大大提高了Q3合閘的可靠性。 2.2 控制邏輯裝置投入運行后，有兩種工作狀態： （1）保護工作狀態，即旁路開關Q3閉合，電容器被旁路，變壓器中性點直接接地。（2）隔直工作狀態，即旁路開關Q3打開，變壓器中性點經電容器接地，NCBD起到抑制直流電流的作用。裝置在交直流輸電系統均正常運行時，處于保護工作方式：旁路開關Q3閉合，變

17、壓器直接接地；當交流系統發生不對稱故障時，無論直流系統是否對稱運行，裝置維持保護工作狀態不變；當交流系統正常，直流系統不對稱運行，接地直流電流大于整定動作值時，裝置轉入隔直工作狀態以保護變壓器，此時旁路開關Q3打開，變壓器中性點經電容器接地；當裝置處于隔直工作狀態時，如果交流系統發生不對稱故障時，裝置迅速轉入保護工作狀態以保護電容器。裝置在這兩種工作狀態之間進行轉換的邏輯是：（1）由保護工作狀態進入隔直工作狀態的條件：旁路開關Q3支路的交流電流分量較小（例如小于200A），且直流電流較大（例如大于4A）持續一段時間（例如5s）。（2）由隔直工作狀態進入保護工作狀態的條件：電容器（交流）電流較大

18、（例如大于700A），或電容器電壓瞬時值較大（例如大于50V），或電容器直流電壓分量較小（例如小于12V）且持續一定時間（例如5s）。（注：具體電壓、電流和時間定值需根據實際確定。）機械開關Q3分合閘控制邏輯如圖2所示。（a）開關Q3分閘邏輯控制圖186電 工 技 術 學 報 2010年10月（b）開關Q3合閘邏輯控制圖圖2 裝置旁路開關Q3分、合閘邏輯控制圖 Fig.2 Flow process chart of turning on and off Q32.3 可靠性設計NCBD含有一套純硬件控制器和一套微機控制器以及可以直接利用短路電流觸發機械開關Q3合閘的TAV，如圖3所示。冗余化設計

19、具有很高的運行可靠性：（1）測量環節雙重化。對于一些重要的被測 量，如電容器電流、電壓等，均采用了雙重檢測。（2）動作邏輯判別雙重化。裝置采用一套全 集成電路型式的硬件電路和一套微機測控系統分別實現動作邏輯判別，外加人工手動控制邏輯（主要用作調試和試驗），再將上述三方面的動作信號構成“或”邏輯，任一動作信號有效，均可觸發旁路裝置。（3）觸發驅動雙重化。對任意一個晶閘管器 件，均采用兩個脈沖驅動電路并聯驅動。（4）旁路開關Q3合閘控制回路雙重化。旁路開關的合閘，設計為微機自動控制和電容器支路的TAV直接控制（不需外部電源供電），可靠快速；旁路開關的分閘控制，設計為由微機測控系統按分閘邏輯自動控制

20、，也可由人工手動分閘。（5）工作電源雙重化。裝置供電電源來自站 用電交流220V AC和直流220V DC，經供電電源綜合電路并聯后向開關穩壓電源供電；開關穩壓電源也是雙重化冗余，其輸出并聯后向各IC電路和微機供電，保證每個直流電壓等級的負載均有兩路開關穩壓電源同時予以供電。圖3 裝置冗余化設計原理圖Fig.3 Diagram of dual redundant circuit3 仿真結果NCBD工作在隔直工作狀態時，若在變壓器端口附近發生不對稱短路故障，巨大的短路電流將會通過變壓器中性點，NCBD將耐受短時的短路電流沖擊，它的工作模式同時將轉變為保護工作狀態，這是NCBD將會面臨的最嚴重工況

21、，文章針對這種工況，建立了系統和裝置的數學模型,采用Matlab/Simulink仿真工具進行了具體的仿真。模型中變壓器采用容量為180MVA的220kV等級的變壓器。在發生母線單相短路故障時，變壓器中性線的最大暫態電流為7kA。由于裝置的阻抗相對整個交流系統來講可以忽略不計，短路故障電流可以近似認為是一電流源。短路電流經過變壓器中性線、NCBD后，流入接地點。電力系統繼電保護裝置檢測到變壓器中性點故障電流到裝置動作的時間是40ms左右，一般情況下故障清除時間在60140ms（如果主保護拒動，后備保護的時間會更長一些）。所以要求裝置應能滿足電網發生不對稱短路故障，且線路保護拒動而由遠方后備保護

22、切除故障引起的最嚴重的短路電流情況。圖4a是有效值為7000A故障電流，當故障電流產生的瞬間，晶閘管經過幾微秒后立即觸發導通并持續到機械開關Q3閉合；Q3閉合后，電抗器能量釋放完畢后，晶閘管兩極電位相同，晶閘管維持電流減為零后關斷，故障電流全部通過Q3流向接地點，如圖4c和圖4d所示。圖4e則是電容器兩端電第25卷第10期王 升等 基于反向晶閘管并聯保護的變壓器中性點直流電流抑制裝置 187壓即中性點對地電壓，從波形可以看出變壓器中性點電壓在不對稱故障期間始終能保持一個較低的水平。（a）故障電流（b）電容器電流（c）晶閘管電流（d）機械開關Q3上的電流（e）中性點電壓（電容器電壓）圖4 單相接

23、地短路故障下裝置的仿真波形 Fig.4 Analysis of NCBD performance duringthe L-G short circuit fault在機械開關Q3合閘時刻電容器放電會產生很大的電流，最初的設計思路是串聯一個小電阻用來防止過大的涌流損壞裝置，但由于電阻的體積過大，考慮是否能夠省略放電電阻。在仿真中，為了反映出最嚴重的情況，將機械開關Q3合閘的時刻選擇在電容器電壓的波峰或波谷時刻，結果表明省略放電電阻后，依靠電容器本身的電阻和主回路銅排的電阻和雜散電抗，電容器的放電電流還不足以損壞自身和裝置。以上仿真結果表明，對NCBD來講，即使在最嚴重的工況下，也能保證裝置自身元

24、器件的安全可靠。對變壓器來講，即便發生母線單相短路故障，線路保護拒動而由遠方后備保護切除故障引起的最嚴重的短路電流情況下，安裝NCBD也能保證中性點的有效接地。圖5是在發生短路故障時，晶閘管串聯大小不同的電抗器，電容器的電流和電壓的比較結果。從這個對比的分析可以看出：（1）在滿足晶閘管的di/dt的要求后，適當減小空心電抗器能使電容器兩端電壓降低，并且可以減小電容器上的電流（原因是100H電抗器和33 000F電容器并聯后是感性的）。（2）放電時刻電容器的電流的峰值與放電時刻電容器上的電壓有關，選擇合適的開關時間可以有效地減小電容器的放電電流。（a）電容器電流（b）中性點電壓圖5 短路故障時采

25、用不同大小電抗器時電容器電流電壓 Fig.5 Simulated capacitor currents and voltages withdifferent reactors4 大電流耐受試驗結果裝置在國家中低壓輸配電設備質量監督檢驗中心進行了大電流耐受試驗。大電流試驗的電路如圖188電 工 技 術 學 報 2010年10月6所示。通過調整變壓器的抽頭和高低壓側的阻抗，在高壓側突然施加足夠的交流電壓，使低壓側產生很強的電流通過裝置。由于試驗電路供電部分是電壓源，不同于實際故障和前面仿真部分的近似電流源，所以電源供電部分產生的電流和仿真中的故障電流不是完全的一樣，如圖7a所示。其差異是旁路開關Q

26、3合上后（即130ms后），由于電容器C和電抗器L并聯組成的感性負載被旁路，整個回路的阻抗減小，造成開關Q3閉合后的試驗電流會比開關Q3閉合之前大很多。不過，這使試驗條件反而更加嚴苛，從耐受大電流方面來講，此試驗更能檢驗出裝置的動作特性和可靠性。圖6 大電流耐受試驗電路圖Fig.6 Skeleton drawing of high current withstanding test裝置經過了3000A、4000A、5000A、7000A（有效值）/250ms的大電流沖擊試驗以及4000A（有效值）/4s的耐受性試驗。用瞬態錄波儀記錄電流試驗波形和測量參數，限于篇幅原因，文章只給出了7000A/

27、250ms的測試參數和波形。7000A/250ms的波形如圖7所示，測試具體數據見下表。（a）試驗電流（b）電容器電流（c）晶閘管電流（d）機械開關Q3上的電流（e）中性點電壓 圖7 大電流試驗（7000A/250ms）錄波圖 Fig.7 Experimental results at a fault current with7000A/250ms表1 大電流試驗測試參數（7000A/250ms） Tab.1 High current withstanding test results（7000A/250ms）參 數 數 值 通電時間/ms258 旁路開關Q3閉合前總電流/kA 6.869 旁

28、路開關Q3閉合后總電流/kA23.90 流經晶閘管電流/kA 10.07 晶閘管兩端電壓峰值/V 68.85 電容器兩端電壓/V 322.9 電容器穩態電流/kA 3.788 放電峰值電流/kA 51.72 振蕩周期/ms 1.75 振蕩時間/ms 12.72 開關Q3穩態電流/kA23.85 開關Q3峰值電流/kA 48.85 開關Q3動作時間/ms129.9當施加試驗電流后，流過NCBD中電容器的電流達到預先設定的門檻值，晶閘管觸發導通，之后流過電容器的電流大幅減小，流經晶閘管的電流達到10.07kA。經過140ms后，旁路機械開關Q3閉合，將晶閘管和電容器兩個支路旁路，全部試驗電流經旁路

29、開關Q3。晶閘管電流在小于其維持電流后關斷，同時，電容器C通過Q3回路進行放電，經過15ms的振蕩后電容器電流衰減為0，放電電流峰值達到51.72kA。實際上，如果選擇50mH、25mH或更小的電抗器，電容器的電流和電壓會小些（見仿真部分），但這無疑會增大損壞晶閘管的風險。第25卷第10期王 升等 基于反向晶閘管并聯保護的變壓器中性點直流電流抑制裝置 189在大電流耐受試驗中，為了檢驗裝置雙重冗余結構的有效性，分別將微機控制器和純硬件控制器進行了屏蔽，目的是檢驗在單一控制器的運行可靠性和正確性。結果表明兩種控制器在分別進行單獨控制時，裝置均能可靠正確地動作。在整個試驗過程中，NCBD沒有異常現

30、象，達到了設計要求。裝置外形輪廓圖如圖8所示。圖8 裝置外形輪廓圖（尺寸：2.9m×1.5m×2.2m） Fig.8 Outline drawing of NCBD (The dimensions of the cabinet housing the NCBD are 2.9 m×1.5m×2.2m)5 結論直流輸電運行在單極大地回線方式或者雙極不對稱方式時，入地電流會使接地極附近的中性點直接接地變壓器產生直流偏磁的現象。本文研制的一種變壓器中性點直流電流抑制裝置，通過建立系統和裝置的數學模型，應用Matlab/Simulink仿真工具進行仿真，并且進行

31、了一系列的大電流耐受試驗，仿真結果、大電流試驗情況表明，該裝置能徹底地抑制直流電流對中性點接地變壓器的侵入，并且即便在發生母線單相短路故障，線路保護拒動而由遠方后備保護切除故障引起的最嚴重的短路電流情況下，裝置也能保證變壓器中性點的有效接地，為解決由直流輸電單極大地回路運行方式下造成的接地變壓器直流偏磁問題又提供了一種新的方法。參考文獻1 薛向黨, 郭暉, 鄭云祥, 等. 在地磁感應電流作用時分析和計算電力變壓器特性的一種新方法時域和頻域法J. 電工技術學報, 2000, 15(2): 1-5. Xue Xiangdang, Guo Hui, Zheng Yunxiang, et al. A

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