一种变压器直流偏磁就地抑制装置及方法与流程

1.本发明涉及到变压器直流偏磁抑制措施，更具体来说，涉及一种基于碳化硅pin二极管的变压器直流偏磁抑制装置及方法。


背景技术：

2.随着城市化建设和经济发展的不断提速，缓解城市交通压力已成为民生热点问题。地铁因其安全环保、便捷成为居民的重要出行工具。然而，地铁在实际运行时会对沿线城市电网产生不利的影响。目前，地铁供电普遍采用直流供电系统，电压制式为dc750v或dc1500v，在牵引变电所正极母线、接触网、走行轨、负极母线之间形成回路，由于走行轨对地不可能完全绝缘，因此会有部分牵引电流泄露注入大地形成地铁杂散电流。杂散电流在大地中传播，会导致地铁沿线不同位置的变电站之间产生电位偏移，使得直流电注入变电站中性点接地主变，从而引发变压器直流偏磁。变压器发生直流偏磁时，其绕组电流产生直流分量，在交流磁通和直流磁通的共同作用下，铁芯将提前进入饱和状态导致其磁滞伸缩加剧，变压器振动因此也会加剧，使得变压器产生噪声、温升等问题，甚至引发变压器起火事故，导致城市电网局部停电。
3.目前，针对变压器直流偏磁的抑制措施主要有：中性点串接电容器、中性点串联小电阻、反向电流注入法以及电位补偿法。反向电流注入法和电位补偿法因为工程造价、运行维护费用较高，且可能导致过补偿加剧直流偏磁现象，在实际工程中较多采用中性点串接电容器、小电阻来抑制直流偏磁。在变压器中性点和大地之间串联电阻后，地上支路总电阻增大，起到分流的作用，大部分直流电流入大地土壤支路，注入中性点的偏磁直流减少，变压器直流偏磁得到抑制。在实际工况中，一次系统发生故障时，串联电阻值过大，容易导致变压器中性点零电位漂移严重，保护需要重新整定，影响电力系统安全稳定运行。串联电阻值过小，分流效果减弱，偏磁直流无法被限定在阈值以下，因此该方法存在一定局限性。在变压器中性点串接电容器后，中性点有直流电经过时，利用电容器隔直特性，起到偏磁抑制效果，但是为了避免一次系统故障下抑制装置损坏，且为了确保故障电流的导通，还需并联由晶闸管控制回路等电力电子装置构成的旁路保护系统，设备结构复杂且维护费用较高。


技术实现要素：

4.针对城市地铁运行产生杂散电流导致的变压器直流偏磁现象，本发明提供一种基于碳化硅pin二极管的变压器直流偏磁抑制装置及方法，可以实现直流偏磁时的就地抑制以及一次系统故障时的瞬时接地效果，在抑制变压器直流偏磁现象的同时，保护抑制装置不受损坏。
5.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于碳化硅pin二极管的变压器直流偏磁抑制装置，串接于变压器中性点与大地之间，包括旁路开关、接地电阻r、过流动作线圈l0、过流动作线圈l1、隔直单元和电流监测控制单元；旁路开关、线圈l0和接地电阻r依次串联于变压器中性点与大地之间；所述隔
直单元并联于旁路开关的两端，包括两条反向并联的二极管支路，每条二极管支路由若干个碳化硅pin二极管串联构成，设二极管阴极连接于变压器中性点的二级管支路为二极管支路a，另一条为二极管支路b；线圈l1串联在二极管支路b上；所述电流监测控制单元用于检测流经两个过流动作线圈的电流，并根据电流控制旁路开关的闭合状态。
7.进一步地，线圈l1在二极管支路b上的串联位置为：其一端与变压器中性点电连接，另一端与二极管支路b上的第一个碳化硅pin二极管的阳极端电连接。
8.进一步地，所述电流监测控制单元：若监测线圈l1的电流超过故障电流阈值，即检测到故障电流时，判定变压器一次系统发生单相接地故障，控制旁路开关闭合，使变压器中性点经过旁路开关和隔直单元两条通路实现有效接地；若监测线圈l1的电流未超过故障电流阈值，即未检测到故障电流时，判定变压器一次系统正常运行，进一步根据流经线圈l0的电流i0控制旁路开关的闭合状态：若电流i0＝0，则控制旁路开关闭合，使变压器中性点有效接地，否则控制旁路开关断开，隔直单元不导通，使得变压器产生的偏磁电流就地抑制。
9.进一步地，应用于抑制城市地铁运行产生杂散电流导致的变压器直流偏磁。
10.一种基于碳化硅pin二极管的变压器直流偏磁抑制方法，基于上述任一项技术方案所述的变压器直流偏磁抑制装置，包括：
11.电流监测控制单元实时监测流经线圈l1和线圈l0的电流；
12.若监测流经线圈l1的电流超过故障电流阈值，相当于监测到故障电流时，判定变压器一次系统发生单相接地故障，控制旁路开关闭合，使变压器中性点经过旁路开关和隔直单元两条通路实现变压器中性点有效接地；
13.若监测流经线圈l1的电流未超过故障电流阈值，相当于未检测到故障电流时，判定变压器一次系统正常运行，进一步根据流经线圈l0的电流i0控制旁路开关的闭合状态：若流经线圈l0的电流i0＝0，则控制旁路开关闭合，使变压器中性点有效接地；否则控制旁路开关断开，隔直单元作用实现变压器产生的偏磁电流就地抑制。
14.有益效果
15.本发明通过在变压器中性点串接由碳化硅pin二极管构成的隔直部分，并由电流监测控制单元控制隔直部分并联的旁路开关，无需并联复杂的旁路保护支路，利用大功率二极管良好的正向电流导通能力及单向导电特性，可以实现直流偏磁时的就地抑制以及一次系统故障时的瞬时接地效果，在抑制变压器直流偏磁现象的同时，保护抑制装置不受损坏。
16.而且，本发明采用碳化硅pin二极管因其内部电导调制作用，使得其比导通电阻降低、漏电流较小，具有良好的正向导通特性，适用于故障电流的瞬时导通，由于大功率二极管短时承受大电流工作特性的优点，偏磁抑制装置可长期运行。
附图说明
17.图1为本发明中地铁杂散电流导致变压器直流偏磁原理图
18.图2为本发明中偏磁抑制装置结构图
19.图3为本发明中抑制装置等效电路图
20.图4为本发明中变压器铁芯磁滞回线变化示意图
21.图5为本发明中一次系统故障时中性点电流变化示意图
22.图6为本技术实施例所述装置的工作流程。
具体实施方式
23.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
24.城市地铁在实际运行时，由于走行轨对地不可能完全绝缘，因此会有部分牵引电流泄露注入大地形成地铁杂散电流。杂散电流在大地中传播，会导致地铁沿线不同位置的变电站之间产生电位偏移，使得直流电注入变电站中性点接地主变，从而引发变压器直流偏磁，图1为地铁杂散电流导致变压器直流偏磁原理图。
25.本发明提供一种变压器直流偏磁抑制装置及方法，通过在变压器中性点串接基于碳化硅pin二极管的直流偏磁抑制装置，实现偏磁直流的就地抑制及一次系统故障时的瞬时接地效果。其中就地抑制的原理为：一次系统正常运行时，中性点电压为零或接近于零，二极管未导通，同时配合其单向导电特性实现隔直效果。其中一次系统故障时的瞬时接地效果的原理为：一次系统发生故障时，故障电流急剧增加，变压器中性点电压升高导致隔直单元碳化硅pin二极管瞬时导通，使得中性点有效接地；过流动作线圈监测到故障电流控制旁路开关闭合，使得中性点有效接地，双重手段保障故障电流的导通。
26.具体地，本实施例基于碳化硅pin二极管的变压器直流偏磁抑制装置，应用于抑制城市地铁运行产生杂散电流导致的变压器直流偏磁，参考图2所示，串接于变压器中性点与大地之间，包括旁路开关、接地电阻r、过流动作线圈l0、过流动作线圈l1、隔直单元和电流监测控制单元。
27.旁路开关、线圈l0和接地电阻r依次串联于变压器中性点与大地之间；所述隔直单元并联于旁路开关的两端，包括两条反向并联的二极管支路，每条二极管支路由若干个碳化硅pin二极管串联构成，设二极管阴极连接于变压器中性点的二级管支路为二极管支路a，另一条为二极管支路b；线圈l1串联在二极管支路b上，且一端与变压器中性点电连接，另一端与二极管支路b上的第一个碳化硅pin二极管的阳极端电连接；所述电流监测控制单元用于检测流经两个过流动作线圈的电流，并根据电流控制旁路开关的闭合状态。
28.基于上述变压器直流偏磁抑制装置对变压器直流偏磁进行抑制的方法，参考图6所示，首先电流监测控制单元实时监测流经线圈l1和线圈l0的电流，然后根据监测的线圈电流分以下几种情况对旁路开关进行控制：
29.1、若监测流经线圈l1的电流i未超过故障电流阈值，即|i|≤|ik|，相当于未检测到故障电流时，判定变压器一次系统正常运行，进一步根据流经线圈l0的电流i0控制旁路开关的闭合状态：
30.1)若监测到流经线圈l0有电流注入，相当于变压器中性点有直流输入，认为变压器发生直流偏磁。
31.中性点有直流电注入时，变压器铁芯饱和，过流动作线圈l0控制旁路开关断开，投入偏磁抑制装置，图2为偏磁抑制装置结构图。抑制装置隔直部分由两条同向串联若干碳化硅pin二极管支路反向并联而成，一次系统正常运行时，变压器中性点电压为零或接近于零，阳极与中性点串接的碳化硅pin二极管支路并未导通，与其反向并联的支路由于二极管单向导电特性也未能导通，从而形成隔直部分实现变压器偏磁直流的就地抑制。图3为抑制
装置等效电路图，利用可调直流电压源us模拟产生偏磁直流的电位差，考虑二极管的导通电压及动态电阻，根据基尔霍夫电压定律：
[0032][0033]
式中，is为二极管反向饱和电流；r、r0为变压器中性点接地小电阻；ud为二极管两端施加的电压；u
t
为温度电压当量；v
on
为二极管门槛电压；rd为二极管动态电阻。
[0034]
其中的二极管动态电阻方程为：
[0035][0036][0037]
常温下u
t
＝26mv，由于二极管参数v
on
、u
t
为常数，相较于可调直流电压源的数值可忽略不计，将上述方程代入基尔霍夫电压方程后得到：
[0038][0039]
一次系统正常运行时，变压器中性点电压为零或接近于零即ud为0时，阳极与中性点串接的碳化硅pin二极管支路b并未导通，与其反向并联的二极管支路a由于二极管单向导电特性也未能导通，从而形成隔直单元实现变压器偏磁直流的就地抑制。
[0040]
图4为变压器铁芯磁滞回线变化示意图，由图可知，变压器直流偏磁时投入抑制装置，铁芯磁滞回线畸变率降低，沿正负半轴呈近似对称状，抑制效果较好。
[0041]
2)若流经线圈l0的电流i0＝0或在接近于0的可允许范围内，相当于变压器中性点没有偏磁电流而正常运行，电流监测控制单元控制旁路开关闭合，使变压器中性点有效接地。
[0042]
2、若监测流经线圈l1的电流i超过故障电流阈值ik，即|i|＞|ik|，相当于监测到故障电流，电流监测控制单元判定变压器一次系统发生单相接地故障。
[0043]
一次系统发生故障时，故障电流急剧增加，变压器中性点电压升高导致二极管支路b上的碳化硅pin二极管瞬时导通，使得中性点有效接地，图5为一次系统故障时中性点电流变化示意图。过流动作线圈监测到故障电流控制旁路开关闭合，使得中性点有效接地，双重手段保障故障电流的导通，使得故障电流及时导通，防止抑制装置损坏以及变压器绝缘击穿。
[0044]
根据上述抑制装置的工作流程，本发明通过在变压器中性点同向串接若干碳化硅pin二极管，利用其单向导电特性实现偏磁直流就地抑制，一次系统故障时抑制装置瞬时导通保持中性点有效接地，避免变压器绝缘击穿，无需设置复杂的旁路控制保护支路即可同时实现直流偏磁时的就地抑制以及一次系统故障时的瞬时接地效果。
[0045]
针对所搭建的偏磁抑制装置，利用可调直流电压源us模拟直流电位差，设置电位差为20v，投入抑制装置。仿真结果表明，抑制装置投入后，铁芯磁滞回线畸变率降低，沿正
负半轴呈对称状，可以有效抑制变压器直流偏磁；设置一次系统发生单向接地短路故障，抑制装置瞬时导通使得中性点有效接地。
[0046]
以上实施例为本技术的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本技术总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本技术要求保护的范围之内。