采用超導(dǎo)泄流電抗器泄除交流電系統(tǒng)中直流電流的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種采用超導(dǎo)泄流電抗器泄除交流電系統(tǒng)中直流電流的方法，涉及 到電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電或配電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 劇烈的太陽(yáng)活動(dòng)與地磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的地磁暴，會(huì)在地球表面感應(yīng)出地面電 勢(shì)（ESP)，由于電力變壓器的中性點(diǎn)接地，ESP在東西向長(zhǎng)距離的輸電線路中會(huì)產(chǎn)生地磁感 應(yīng)電流（Geomagnetically Induced Current，GIC)。與交流電網(wǎng)通過換流連接的直流輸電 線路，如軌道交通供電系統(tǒng)、超高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC)等，大多采用在單極大地回線方 式下運(yùn)行，這樣也會(huì)在交流電網(wǎng)中形成直流電流。流經(jīng)繞組的直流電流成為變壓器勵(lì)磁電 流的一部分，會(huì)使變壓器鐵芯偏磁，改變了變壓器的工作點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為直流偏磁。
[0003] 直流偏磁導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁電流急劇增加和高度畸變，產(chǎn)生大量諧波，變壓器無(wú)功 消耗增大，系統(tǒng)電壓降低；同時(shí)引起變壓器出現(xiàn)局部過熱、振動(dòng)加劇、噪聲增大等現(xiàn)象，引發(fā) 變壓器結(jié)構(gòu)松動(dòng)、繞組斷線、提前老化等問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起變壓器鐵芯飽和以及高頻振 動(dòng)，導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作，威脅到變壓器乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。如何避免和消除變壓器 的直流偏磁是現(xiàn)代電網(wǎng)，尤其是交直流混合輸電網(wǎng)、軌道交通供電網(wǎng)迫切需要解決的問題。
[0004] 目前，電力系統(tǒng)中還沒有泄放和消除交流電網(wǎng)中的直流偏磁電流的方法，而主要 采用阻斷直流偏磁電流的措施，即在出現(xiàn)直流偏磁電流的變壓器的中性接地線上安裝一臺(tái) 能夠隔斷或抑制直流電流的設(shè)備，以消除變壓器直流偏磁或減輕其帶來(lái)的不良影響。
[0005] 變壓器直流偏磁阻斷設(shè)備一般采用以下幾種方式之一：
[0006] 1)變壓器中性點(diǎn)接入隔直電容器法
[0007] 2)變壓器中性點(diǎn)反向電流補(bǔ)償法
[0008] 3)變壓器中性點(diǎn)接入電阻限流法
[0009] 4)變壓器中性點(diǎn)直流電位補(bǔ)償法
[0010] 上述方法均能抑制或阻斷流過變壓器中性點(diǎn)的直流電流，而其中又以第一種方法 為最優(yōu)，實(shí)際的安裝應(yīng)用案例也最多，但這種方法在實(shí)際應(yīng)用中，若不能限制故障過程中主 變中性點(diǎn)即電容器兩端的暫態(tài)電壓，則需要容量很大的電容器才能承受故障電流，這將導(dǎo) 致價(jià)格昂貴且要求很大的安裝空間，因此，通常需要在中性點(diǎn)電容器上并聯(lián)電流旁路保護(hù) 裝置。
[0011] 這些方法共同特點(diǎn)是采用"堵"或"阻"的方式，即在每臺(tái)出現(xiàn)直流偏磁的變壓器 上增加相應(yīng)的設(shè)備以抑制或阻斷流過該主變中性點(diǎn)的直流電流，這種阻斷方法只能一臺(tái)一 臺(tái)解決變壓器的直流偏磁，而當(dāng)今的交流電網(wǎng)是一張分布在廣大地域上的巨型網(wǎng)絡(luò)，其中 包含的變壓器數(shù)量十分龐大，堵住了這一臺(tái)，直流電流又會(huì)通過其它沒有安裝阻斷設(shè)備的 變壓器流入大地，可以說是"堵不勝堵"，現(xiàn)實(shí)中的電網(wǎng)情況也確實(shí)如此，如圖1，變壓器在中 性點(diǎn)增加了隔直電容和其它抑制器件后，形成了直流水桶的"高板"，直流電流會(huì)經(jīng)母線流 出到其它未經(jīng)隔直或阻抑的變壓器回流到直流系統(tǒng)。這非常像有不斷的來(lái)水流入一個(gè)堰塞 湖，這種現(xiàn)象也因此被稱為直流偏磁的"堰塞湖"現(xiàn)象，這種情況下，想要通過圍堵而不出現(xiàn) 危情，其代價(jià)和難度可想而知，而且并不能從根本上解決問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明專利提出了一種采用超導(dǎo)泄流電抗器的方法泄放和消除交流電網(wǎng)中直流 電流的方法，這種方法不僅可以在不改變和調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行方式和繼電保護(hù)的配置和定值 的條件下解決變壓器的直流偏磁問題，并且，由于這種方法采用的電氣結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成直流 電流回流所需的最短電氣距離，因此可以極大地簡(jiǎn)化電網(wǎng)改造工作，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn) 行有著非常積極重大的意義。
[0013] 采用泄流的方法消除地磁感應(yīng)電流（GIC)，或直流系統(tǒng)在單極大地回線方式下形 成直流電流，是本
【發(fā)明內(nèi)容】
中解決這一問題的基本方法，完全有別于當(dāng)前為了解決變壓器 直流偏磁問題而采用的安裝阻斷設(shè)備的方法。
[0014] 由于電網(wǎng)中的變壓器繞組線圈的直流內(nèi)阻都非常小（一般小于500πιΩ)，采用常 規(guī)導(dǎo)線材料制作的電抗器繞組很難做到更小的電阻，無(wú)法達(dá)到泄流的目的，因此，本發(fā)明提 出，采用超導(dǎo)材料作為繞組導(dǎo)線材料，制成一種泄流電抗器，用于安裝在交流電網(wǎng)中，用于 泄除直流電流，從而有效避免變壓器的直流偏磁現(xiàn)象。
[0015] 超導(dǎo)是指某些物質(zhì)在一定溫度條件下（一般為較低溫度）電阻降為零的性質(zhì)，低 于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體，使超導(dǎo)體從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)（電阻為0) 的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度。目前，超導(dǎo)材料的應(yīng)用越來(lái)越多，采用超導(dǎo)材料制作的電纜、變 壓器、電機(jī)等超導(dǎo)設(shè)備也已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。
[0016] 零電阻是超導(dǎo)體的重要特性，采用超導(dǎo)材料制作電抗器繞組，當(dāng)電抗器工作在臨 界溫度以下時(shí)，繞組變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)，其交流阻抗相當(dāng)高，而直流電阻接近為〇-一只要控制 值小于或等于被泄流的交流線路、母線、變壓器、并聯(lián)電抗器等的直流電阻的二十分之一， 就可以達(dá)到泄流的目的一一因此這種超導(dǎo)電抗器非常適合用于泄除交流電網(wǎng)中的直流電 流。由于沒有交流電的儲(chǔ)能和交換，超導(dǎo)泄流電抗器可以長(zhǎng)期安全穩(wěn)定地在額定交流電壓 情況下連續(xù)運(yùn)行。
[0017] 如果沒有安裝超導(dǎo)泄流電抗器，如圖1，則流經(jīng)變壓器的直流電流值在一臺(tái)變壓器 的情況下：
[0018] ltd。= I dc ⑴
[0019] 如果是多臺(tái)變壓器并聯(lián)方式運(yùn)行，則流經(jīng)每臺(tái)變壓器的直流電流為Id。乘以多臺(tái) 變壓器直流電阻的分流比
[0020] 在一臺(tái)變壓器的情況下（如圖1)，采用超導(dǎo)泄流電抗器后，流經(jīng)變壓器的直流電 流值有如下關(guān)系：
[0022] 可見，Rs。。的電阻值越小，與Rt的比值就越小，則流經(jīng)變壓器的電流I td。就越小，泄 流的效果就越好。一般要求R_/Rt< 1/20,才能確保三相匯流后流經(jīng)變壓器中心點(diǎn)的電流 值小于5安培，而超導(dǎo)泄流電抗器的Rs0,因此I td0。
[0023] 由此可見，安裝超導(dǎo)泄流電抗器后，由于其直流電阻非常小，形成了直流水桶的 "短板"，系統(tǒng)中的直流電流由此"短板"匯流到直流系統(tǒng)，而流經(jīng)變壓器的直流電流大幅度 減少，既達(dá)到了將將交流系統(tǒng)中的直流電流泄放回直流系統(tǒng)，又消除了變壓器的直流偏磁 現(xiàn)象。由于是采用泄流的方法，形成了最短的直流電氣距離，直流電流已經(jīng)回流到直流系統(tǒng) 中，不會(huì)溢流到其它變壓器中，即不會(huì)在其它相鄰的變壓器上再形成直流偏磁，從而解決了 現(xiàn)有阻斷方式會(huì)形成直流偏磁的"堰塞湖"現(xiàn)象問題。
【附圖說明】
[0024] 圖1為阻斷法抑制直流偏磁示意圖。
[0025] 圖2為超導(dǎo)泄流電抗器泄除直流電流和直流偏磁示意圖。
[0026] 圖3為超導(dǎo)泄流電抗器泄除直流電流和多臺(tái)變壓器直流偏磁示意圖。
[0027] Id。表示直流電流值
[0028] Itd。表示流經(jīng)變壓器的偏磁電流值
[0029] Is。。表示超導(dǎo)泄流電抗器的泄放直流電流值
[0030] Rs。。表示超導(dǎo)泄流電抗器的直流電阻值
[0031] Rt表示變壓器的直流電阻值
[0032] 圖1、圖2、圖3中的直流電流方向均可以取反。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 超導(dǎo)泄流電抗器由超導(dǎo)繞組導(dǎo)線和鐵芯構(gòu)成，超導(dǎo)繞組導(dǎo)線由超導(dǎo)線芯、低溫容 器、終端、冷卻系統(tǒng)四個(gè)部分組成。
[0034] 超導(dǎo)泄流電抗器按照交流三相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，A、B、C三相高壓電氣結(jié)構(gòu)獨(dú)立，可以安裝 在直流電流電氣距離最短的線路、母線、變壓器上，采用并聯(lián)連接的方式，即一端接在線路、 母線或變壓器的進(jìn)出線側(cè)，另一端接入大地；對(duì)于變壓器，無(wú)論是降壓型還是升壓型，均應(yīng) 該并聯(lián)安裝在直流電流源端的進(jìn)出線側(cè)和大地之間。
[0035] 超導(dǎo)泄流電抗器可以根據(jù)交直流系統(tǒng)的直流結(jié)構(gòu)特性和實(shí)際情況，安裝在以下不 同的位置：
[0036] 1)與直流系統(tǒng)電氣距離最近的線路或母線上；
[0037] 2)指定的線路和母線上；
[0038] 3)變壓器進(jìn)線或出線側(cè)。
[0039] 對(duì)于變電站，一般在每一段母線上安裝一套就可以了，不需要每一臺(tái)變壓器安裝 一套。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種采用超導(dǎo)泄流電抗器泄除交流電網(wǎng)中直流電流的方法，其特征是，采用超導(dǎo)電 抗器作為泄流裝置，使交流電網(wǎng)中的直流電流通過超導(dǎo)泄流電抗器回流到直流系統(tǒng)。2. 按照權(quán)利要求1所述的采用超導(dǎo)泄流電抗器泄除交流電網(wǎng)中直流電流的方法，其特 征在于，超導(dǎo)泄流電抗器可以安裝在直流電流電氣距離最短的線路、母線、變壓器上，采用 并聯(lián)連接的方式，即一端并接在線路、母線或變壓器的進(jìn)出線側(cè)，另一端接入大地；對(duì)于變 壓器，無(wú)論是降壓型還是升壓型，均并聯(lián)安裝在直流電流源端的進(jìn)出線側(cè)和大地之間。3. 按照權(quán)利要求1和2所述的采用超導(dǎo)泄流電抗器泄除交流電網(wǎng)中直流電流的方法， 其特征在于，一臺(tái)超導(dǎo)泄流電抗器可以與一臺(tái)或多臺(tái)變壓器并聯(lián)，從而為一臺(tái)或多臺(tái)變壓 器泄放直流電流，消除變壓器的直流偏磁。4. 權(quán)利要求1所涉及到的超導(dǎo)泄流電抗器，其特征在于，采用超導(dǎo)材料作為電抗器繞 組，按照交流三相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，A、B、C三相高壓電氣結(jié)構(gòu)獨(dú)立。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用超導(dǎo)泄流電抗器的方法泄放和消除交流電網(wǎng)中直流電流的方法，采用超導(dǎo)材料制作繞組的電抗器，其直流電阻接近于0，而交流阻抗非常高，將這種超導(dǎo)電抗器與交流電網(wǎng)中的變壓器并聯(lián)(如圖)，可以使交流電網(wǎng)中的直流電流通過其匯流到直流系統(tǒng)中，從而避免直流電流流經(jīng)變壓器，引起直流偏磁。這種方法不僅可以在不改變和調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行方式和繼電保護(hù)的配置和定值的條件下解決變壓器的直流偏磁問題，并且，由于這種方法采用的電氣結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成直流電流回流所需的最短電氣距離，因此可以極大地簡(jiǎn)化電網(wǎng)改造工作，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行有著非常積極重大的意義。
【IPC分類】H01F36/00, H02H9/02
【公開號(hào)】CN105226624
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510766945
【發(fā)明人】湯玉峰
【申請(qǐng)人】廣州普瑞電力控制系統(tǒng)設(shè)備有限公司
【公開日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年11月11日