变压器电容隔直装置关键技术及应用分析

变压器电容隔直装置关键技术及应用分析

刘煦力

广东电网有限责任公司东莞供电局 523000

　　摘 要 ：为保证变压器安全稳定运行，需要利用变压器直流偏磁抑制装置控制流过变压器中性点的直流。介绍了变压器电容隔直装置的基本原理、装置组成和不同类型隔直装置的对比，阐述了正常运行状态和系统故障时电容的投切控制逻辑与运行模式，结合实际采集数据分析了电容投切后的电气量变化，解释了电容充电回路的振荡过程，并对隔直电容应用对电网保护的影响进行了研究。

　　关键词 ：变压器 ；直流偏磁 ；电容隔直 ；控制逻辑

　　随着经济的发展，大地中的直流电流污染源数量呈递增趋势，其导致的变压器直流偏磁现象日趋严重。由于大地中直流电流总是选择阻抗最小的回路流通，电网输电线路自然成为其良好通路，直流电流从一站变压器中性点流入，通过输电线路从另一站的变压器中性点流出。直流电流的注入使得变压器铁芯饱和、励磁电流畸变，出现变压器直流偏磁现象，导致变压器铁芯振动、夹具发热，长期运行导致变压器部件松动、绝缘老化甚至产生放电击穿等现象。目前直流电流污染源主要为换流站接地极和轨道交通两种。

　　1) 直流换流站因故障或检修单极运行时，将以大地作为回流通道，接地极将向大地注入上千安培的直流电流。其特点为直流电流大、电流稳定、持续时间短。

　　2) 对于使用直流电驱动的轨道交通，如果回流钢轨绝缘降低，将向大地注入上百安培的直流杂散电流，其特点是直流电流小 ( 相对换流站而言 )、电流周期波动、持续时间长。

　　目前变压器直流偏磁抑制装置主要分为电容隔直型、电阻限流型和反向电流注入型。电容隔直型装置的优点是能完全隔绝直流电流、具有较低的阻抗，一般不需重新校验继保定值，缺点是需要电容保护电路，装置复杂、故障率高、维护成本高，一般用于偏磁水平较高的地区 ；电阻限流型装置优点是装置结构简单、维护成本低，缺点是不能隔绝直流，只能起到限制直流作用，同时电阻一般取 3 ～5Ω，需要重新整定继保定值，一般用于偏磁水平较低、土壤电阻率较小、分布均匀的地区 ；反向电流注入型故障率较大和维护成本较高，应用较少。本文主要介绍了电容隔直装置的基本原理和装置组成，系统阐述了隔直电容投切控制逻辑与运行模式，结合实际采集数据分析了电容投切前后的电气量变化，并对隔直电容应用对电网保护的影响进行了研究。

　　1 基本原理与装置组成

　　1.1 基本原理

　　变压器中性点电容隔直装置在检测到变压器中性点直流偏磁电流超过限值并达到时限时，会自动打开旁路机械开关，将电容器串入变压器中性点与地网之间，利用电容“隔直 ( 流 ) 通交 ( 流 )”的特点，有效隔断流过变压器中性线的直流电流。

　　选取工频阻抗足够小的电容器，可以保证交流系统的有效接地及交流零序电流的正常流通。装置在电容器支路上并联了一个旁路电子开关 ( 一般为晶闸管 ) 及一个旁路机械开关支路作为电容器的旁路保护系统。当交流系统发生不对称短路故障，零序短路电流会流过串接在变压器中性线的电容器，当检测到交流电流或电容器端电压超过预设定值时，装置会立即触发旁路电子开关导通，并同时发出旁路机械开关的合闸信号。由于机械开关合闸动作比晶闸管导通要慢，所以故障电流会先通过晶闸管旁路流向大地，达到快速保护电容器的目的。当旁路机械开关合上后，故障电流将由晶闸管旁路转移到旁路机械开关流向大地，同时晶闸管开始由导通转向关断。由于晶闸管的动作时间很短 ( 在数十微秒级 )，在机械开关合闸之前会释放掉电容器的部分能量 ( 或减少对电容器的充电储能 )，避免电容器在大电流冲击作用下损坏，减少了电容器放电电流对机械开关支路的冲击，延长机械开关的使用寿命。旁路电子开关与旁路机械开关构成了双旁路保护，对电容器会起到更可靠的保护作用。

　　因此变压器电容隔直装置的核心元件为旁路电子开关，其关键技术为提供较大的通流能力和较快的合闸速度，以起到快速保护电容的目的。

　　1.2 装置组成

　　现有隔直装置可概括分为五部分 ：隔直电容、旁路机械开关、旁路电子开关、电流电压检测和控制保护。

　　各部分主要作用与要求如下所述。

　　1) 隔直电容 ：利用电容通交流隔直流特性，阻隔流入变压器中性点的直流电流，要求工频容抗足够小以减小对继保的影响，具备一定的耐冲击电流能力。

　　2) 旁路机械开关 ：根据运行需求投切隔直电容，要求具有金属性接触，当开关闭合后，变压器中性点可靠接地，同时要求具备一定导通电流能力( 大于系统接地故障零序电流 )。

　　3) 旁路电子开关 ：常规旁路机械开关动作时间较长 (30 ms 以上 )，当系统发生区外故障时，旁路电子开关可以快速闭合 ( 微秒级别 ) 以保护隔直电容，避免隔直电容电压升高和大电流冲击，要求动作速度快，瞬时导通电流能力强。

　　4) 电流电压检测 ：通常检测中性点直流电流、中性点交流电流、隔直电容直流电压、隔直电容交流电压，将测量信号传递至控制保护系统。

　　5) 控制与保护 ：根据预设逻辑，控制隔直装置正确投切，并传递设备状态至控制室。

　　旁路机械开关有真空断路器和真空接触器两种，旁路电子开关有反并联晶闸管、整流桥串晶闸管、石墨球隙和避雷器四种，电流电压检测通过交直流 PT/CT 检测，控制与保护通常由控制器完成。

　　不同厂家装置的区别主要在旁路电子开关类型及对应的闭合方式，其他方面基本类似。

　　真空断路器具有体积小、质量小、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，应用较为普及，可靠性较强。真空接触器采用线圈通电即吸合，断电即断开的原理，具有高可靠性，合闸时间短 (30 ～50 ms)，克服了采用储能式机构的其他类型旁路机械开关（如真空断路器），在高海拔、高严寒地带容易出现卡涩、储能机构拒动等问题。

　　1.3 不同类型隔直装置对比

　　不同类型隔直装置的差异主要体现在旁路电子开关，以下分别对旁路电子开关为反并联晶闸管、整流桥串晶闸管、石墨球隙和避雷器的装置进行介绍。

　　1) 反并联晶闸管

　　旁路电子开关采用反并联晶闸管，在受到大电流冲击时利用两个方向晶闸管实现双向导通。晶闸管串联电抗主要用于保护晶闸管，缓解大电流冲击时晶闸管承受电流上升速度。为确保可控硅支路快速、准确动作，触发信号瞬时电流监测单元和数字控制器提供。瞬时电流监测单元满足触发信号的快速性 ( 硬件触发 )，数字控制器满足触发信号的准确性。同时可控硅也可通过其上的压敏电阻实现硬件触发导通。

　　2) 整流桥串晶闸管

　　旁路电子开关采用整流桥串接晶闸管的方式，中性点受到大电流冲击时，整流桥将交流电流整流成直流电流，以硬件或软件方式触发晶闸管。

　　3) 石墨球隙

　　旁路电子开关采用石墨球隙，中性点承受大电流冲击时，依靠与电容串联的升压电阻，实现石墨球隙端部电压的快速抬升并击穿，实现旁路电子开关的快速、可靠动作。与前述两种电路不同，石墨球隙击穿仅仅通过硬件触发，不需要软件触发。

　　4) 避雷器

　　旁路电子开关采用避雷器，正常情况下避雷器呈现高阻状态，当中性点承受大电流冲击时，避雷器端部电压抬升，避雷器呈现低阻导通状态，快速泄放大电流，起到保护电容器的作用。但目前降低避雷器保护电压比较困难，难以达到快速保护的效果。

　　2 隔直电容投切控制逻辑与运行模式

　　2.1 正常运行时投切隔直电容

　　正常运行时，旁路电子开关 S2处于断开状态，依靠旁路机械开关 S1的开闭实现隔直电容的投切。

　　1) 投入电容 ：IDC＞Iset(5 A/10 s)，其中IDC为中性点直流电流，Iset为电流超限阈值，括号中数值为示例值。若初始状态为电容退出状态，中性点直流电流超过某个阈值并维持一段时延后，说明变压器直流偏磁现象严重，打开机械开关，投入隔直电容。

　　2) 切除电容 ：UDC＜Uset(5 V/10 min)，其中UDC为电容两端直流电压，Uset为电压越限阈值，括号中数值为示例值。若初始状态为电容投入状态，电容两端电压小于某个阈值并维持一段时延后，说明变压器直流偏磁现象减弱，闭合机械开关，退出隔直电容。

　　隔直电容的投切模式可分为长投模式、自动模式和分时模式。

　　长投模式是指电容始终处于投入状态，该模式适合直流偏磁长时间存在的情况，比如地铁引起的直流偏磁现象，优点是能始终保持流过变压器直流电流为 0，避免开关频繁投切 ；缺点是电容长时间处于工作状态，寿命降低，同时电容的投入影响系统暂态过电压的衰减和继电保护定值。

　　自动模式是指电容的投切安全按照上述阈值超限的模式。如果时延设置较短，可能造成开关频繁投切，缩短开关寿命；如果切除电容时延设置较长，则相当于长投模式，通过调控时延长短进行优化，一般在受地铁影响的变电站使用。

　　分时模式是指部分时段采用长投模式，部分时段采用自动模式。如果变压器受地铁影响，可以设置地铁运行时段为长投模式，地铁停运时段为自动模式。如果变压器受换流站影响，可以设置单极运行期间为长投模式，其余时段为自动模式。

　　2.2 系统故障时紧急切除隔直电容过程

　　当变压器附近发生接地短路故障尤其是近区接地短路故障时，变压器中性点将流过上万安培的故障电流，由于电容器的热容量有限，如果没有切除隔直电容的保护机制，电容在故障电流的冲击下可能发生爆炸损坏。因此需要通过闭合旁路机械开关以保护电容器，但其动作时间一般为几十毫秒，仍然可能导致电容器损坏。因此需要设置动作时间更短 ( 小于 200μs) 的旁路电子开关，快速可靠地对电容形成旁路。以反并联晶闸管形式旁路电子开关说明隔直电容切除过程如下。

　　1) 闭合旁路电子开关 ( 三重保护 )旁路电子开关触发条件分为硬件、电流和电压触发三种，三种触发方式为“或”的关系，最快者触发电子开关导通，同时互为备用方式，即可实现电子开关快速、可靠动作，触发条件如下所示 ：(1) 硬件触发，UK＞Ut( 无延时 ) ；(2) 电流触发，IAC＞Iset( 无延时，4 000 A) ；(3) 电压触发，UK＞Uset( 无延时，400 V)。

　　其中UK为晶闸管端电压，Ut为晶闸管硬件触发电压，IAC为中性点交流电流。

　　2) 闭合旁路机械开关 ( 小于 50 ms)旁路机械开关触发条件IAC＞Iset( 无延时，4 000 A)。

　　3 结语

　　本文系统性表述了隔直装置原理及结构组成、现场实际控制逻辑及隔直电容投切前后中性点直流电压、电流变化并给出了理论分析及依据。同时结合电网模型和零序保护相关原理，简要分析隔直电容接入中性点后对元件、线路保护影响。

　　1) 变压器电容隔直装置主要依靠电容“通交隔直”实现直流电流抑制 ；装置的核心元件为旁路电子开关，关键技术为该开关的通流能力与导通速度。

　　2) 系统正常运行时通过判断回路直流电流与电容两端直流电压投切电容，根据实际情况可采用长投模式、自动模式和分时模式 ；系统故障时通过判断回路全电流、晶闸管端电压或硬件触发旁路电子开关导通。

3) 隔直电容切除时，隔直电容为放电过程，电容两端直流电压与回路直流电流过渡过程平滑 ；隔直电容投入时，隔直电容为充电过程，电容两端直流电压与回路直流电流过渡过程呈现振荡变化。

4) 隔直电容的加入对系统等值网络影响小，对由零序原理组成的保护几乎没有影响，在电网保护定值整定方面可以考虑不进行修改。

　　参考文献

　　[1] 师泯夏，吴邦，靳宇晖，邱爱慈，李军浩 . 直流偏磁对变压器影响研究综述 [J]. 高压电器，2018，54(7) ：20-36.

　　[2] 文习山，郭婷婷，何智强，杨琪，鲁海亮 . 直流偏磁相关问题研究综述 [J]. 高压电器，2016，52(6) ：1-8.

　　[3] 彭平，周卫华，谢耀恒，刘赟，吴晓文，毛文奇 . 关于地铁杂散电流引起的变压器直流偏磁的分析与研究 [J]. 变压器，2017，54(11) ：26-30.