基于串联电容法的变压器中性点直流电流抑制装置
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2）装置旁路系统的在线可靠性试验。 为提高装置旁路系统的可靠性，装置设有自动 试验回路，且试验回路不在电容器、快速开关等装 置主要器件回路中串入任何元件，既保证了试验回 路的辅助功能，又不会对装置的可靠性产生任何影 响。当装置完成一次故障电流旁路过程后或当装置 由中性点直接接地方式切换到电容接地方式时，装 置启动试验回路对晶闸管驱动快速开关闭合机制、 整流桥导通性、电容器充放电进行试验。进入电容 接地运行方式可靠性试验流程如图 5 所示。 3）WEB 数据浏览数据库。
关键词：串联电容法；变压器中性点直流电流抑制装置；旁
路系统；单极大地运行方式
0 引言
消除直流输电单级大地运行方式下地中电流 对运行变压器影响的方法，主要有中性点串联电阻 法、中性点串联电容法和中性点反向电流注入法。 目前的研究认为，在变压器中性点串联小电阻的方 法只能减弱流入变压器中性点的直流电流，且存在 当电网结构发生变化时，阻值需要重新调整的问题； 电流注入法利用从变压器中性点之外新设“第二接 地点”注入反向电流的方法消除直流电流对变压器 的影响，但应用这种方法注入电流只有 20%左右能 够流入待治理的变压器中性点，其它 80%电流去向 不明，且新设“第二接地点”需要重新征地，工程 投资大；和其它方法相比，串联电容法具有原理简 单、隔直效果明显、不需要重新调整继电保护装置 定值等优点，具有较好的经济性和工程实用性[1-16]。
文献[17]开发了一种采用电容器隔离变压器中 性点直流的装置，主要解决北美地区地磁暴导致变 压器中性点直流偏磁问题，应用于 120 kV 系统，当 地磁暴来临时投入隔直装置，采用电力电子器件旁 路保护中性点。该装置的主要缺点是可承受的短路 容量较小、且不能完成电容隔直功能的自动投退。
潖江 220 kV 变电站位于广东省清远市佛冈县 境内，距贵广 II 回接地极约 20 km。站内有 180 MVA 变压器 2 台，变压器中性点采用部分接地运行方式。 为抑制直流单极大地运行方式下潖江变 1 号主变中 性点直流电流，变电站 1 号主变中性点安装了一套 基于中性点串联电容原理的变压器中性点直流电 流抑制装置(neutral DC current blocking device，
电容接地状态
直接接地状态
故障？
是
否
否 电压低于 低电压门槛？
是 是
2 NCBD 监控单元
在现场应用中，由于直流系统运行方式具有不 确定性，需要一种智能化设备，在直流系统正常运 行时，切除电容器，变压器中性点直接接地运行； 在中性点直流较大，影响变压器稳定运行时，投入 电容器，变压器中性点通过电容器接地运行；在电 力系统故障时，旁路系统动作，使变压器中性点直 接接地，以保证中性点及电容器的安全。NCBD 设 备也必须随着直流电流的变化进行自动投切，这样 既能保证变压器的安全运行，又减轻了现场运行人 员的工作量。为满足上述要求，潖江 1 号主变 NCBD 装置在一次系统的基础上，增加了监控单元，监控 单元包括装置侧控制器及控制室监控后台 2 个部 分。NCBD 现场应用系统结构如图 4 所示。监控单 元完成的主要功能如下：
在电容接地运行状态下，当交流系统发生三相 不平衡故障时，有可能在电容器两端产生高电压， 此时装置采用 3 级接力式旁路方案：第 1 级是晶闸 管，电网故障情况下的故障电流将导致中性点电压 升高，晶闸管导通使中性点快速进入直接接地状 态；第 2 级是由晶闸管电流驱动的快速开关旁路， 由于晶闸管续流能力的限制，短路发生 20 ms 以内 快速开关必须闭合，形成中性点的金属性直接接地； 第 3 级是金属氧化物避雷器(metal oxide varistor， MOV)等组成的后备旁路保护。
张金平，张辉，熊敏，张丽坤，程春和
（中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192）
Application of a Series Capacitor Based Transformer Neutral DC Current Blocking Device
ZHANG Jin-ping，ZHANG Hui，XIONG Min，ZHANG Li-kun，CHENG Chun-he
(a) 装设 NCBD 前中性点状态 (b) 装设 NCBD 后中性点状态
图 1 NCBD 安装前后 1 号主变中性点状态 Fig. 1 Comparison of No.1 transformer neutral status
before and after inserting NCBD
1 NCBD 的工作原理及运行方式
电网wk.baidu.com术
149
变压器
主控制室光字牌信号 装置失电 监视越限 就地检修 装置故障 装置动作 电容接地
抑制变压器中性点 直流电流装置
监控 一次 单元 设备
主控制室远程监控终端机
光纤通信
图 4 NCBD 应用系统 Fig. 4 Application system of NCBD
信号闪烁)，提醒运行人员手动将装置切换到中性点 电容接地运行方式。在中性点电容接地运行方式 下，当隔直电容器两端电压低于设定门限时，如果 装置处于自动控制模式，监控系统发出快速开关闭 合信号使装置进入中性点直接接地运行方式，并向 主控制室终端发出装置自动接地提示信号；如果装 置处于手动控制模式，只向主控制室终端发送低压 告警信号(中央告警信号闪烁)，提醒运行人员可手 动将装置切换到中性点直接接地运行方式。
ABC
ABC
N 隔直电容器
快速开关
N 隔直电容器
快速开关
(a) 中性点电容接地运行方式 (b) 中性点直接接地运行方式
图 3 装置运行方式 Fig. 3 Run mode of the device
图 3 中：当快速开关断开时，装置为中性点电 容接地运行方式；当快速开关闭合时，装置为中性 点直接接地运行方式。 1.3 旁路系统
KEY WORDS: conductor connected in series；transformer neutral DC current blocking device ； bypass system ； monopole-ground operation mode
摘要：潖江变 1 号变压器中性点直流电流抑制装置采用在变 压器中性点串联电容器阻断直流电流的方案，且电容器并联 了由快速开关、整流桥、大功率晶闸管、过电压触发单元、 快速脱扣回路等组成的快速旁路系统。文章介绍了该装置的 工作原理，叙述了贵广 II 回直流试验期间该装置的动作情 况，并讨论了主变中性点安装隔直装置对相邻变压器中性点 的影响，试验及运行数据表明，装置能有效抑制变压器中性 点直流电流。
1）运行方式的转换。 在中性点直接接地运行方式下，当中性点电流 超过设定门限时，如果装置处于自动控制模式，监 控单元会发出快速开关跳开信号使装置进入中性 点电容接地运行方式，并向主控制室终端发出装置 自动投入提示信号；如果装置处于手动控制模式， 只向主控制室终端发送过电流告警信号(中央告警
第 33 卷 第 20 期
ABC
N
快速开关 电容器
整流桥
过电压 晶闸管 触发单元
快速脱扣回路
图 2 装置原理图
Fig. 2 Principal skeleton map of the device
1.2 运行方式
本装置有 2 种运行方式，即中性点直接接地运
行和中性点电容接地运行，等效电路图如图 3 所示。
1 号主变
1 号主变
148
张金平等：基于串联电容法的变压器中性点直流电流抑制装置
Vol. 33 No. 20
NCBD)如图 1 所示，图 1(a)、(b)分别表示 1 号主变
中性点装设 NCBD 前后的状态。本文主要介绍该装
置的原理及性能。
1 号主变
1 号主变
ABC
ABC
N 检修刀闸
N 隔直刀闸 隔直装置
检修刀闸
旁路系统
第 33 卷 第 20 期 2009 年 12 月
文章编号：1000-3673（2009）20-0147-05
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM772 文献标志码：A
Vol. 33 No. 20 Dec. 2009
学科代码：470·4054
基于串联电容法的 变压器中性点直流电流抑制装置
1.1 NCBD 的工作原理 装置采用在变压器中性点接入电容器的方法
抑制直流电流，利用与电容器并联的快速开关实现 直接接地运行状态和电容接地运行状态的转换。装 置由隔直电容器和过电压快速旁路系统构成，过电 压快速旁路回路由快速开关、整流桥、晶闸管、过 电压触发单元、快速脱扣回路等 5 部分组成，装置 原理如图 2 所示[5,18]。装置可承受最大短路容量为 20 kA、1 s，工频交流容抗 < 1.2 Ω，旁路动作时间 < 20 μs[19]。
如果只串联电容器在变压器中性点以隔离直 流，考虑到电网故障情况下中性点不会过电压，电 容的容抗值必须选择得很小，而耐压值又必须很 高，在目前电力电容器制造水平下，必须采用多组 电容器串并联，这样增大了设备的体积，提高了设 备的成本，因此，只串联电容不具有工程可行性， 必须采用电容器加旁路系统的设计方案。
（China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100192，China）
ABSTRACT: The scheme of adopting the capacitor connected in series with transformer neutral to block DC current is used to the transformer neutral DC current blocking device for No.1 power transformer of Pajiang substation, while the capacitor is connected in parallel with fast by-pass system consisting of fast switch, rectifier bridge, high-power thyristors, overvoltage-triggering unit and fast-tripping circuit. This device can withstand fault current of 20 kA with duration of 1 second, and its standard impedance is less than 1.2 W, the trigger time of the by-pass system is shorter than 20ms, meanwhile, the monitoring and control unit make the operation of the device visible, controllable and operable. The action of this device during the testing period of the No.2 circuit of HVDC power transmission project from Guizhou to Guangdong is described in detail, and impacts of configuring DC current blocking device in the neutral of No.1 power transformer of Pajiang substation on neutrals of adjacent power transformers are analyzed. Both test results and operation data show that this device works normally and can effectively block DC current in transformer neutral.
关键词：串联电容法；变压器中性点直流电流抑制装置；旁
路系统；单极大地运行方式
0 引言
消除直流输电单级大地运行方式下地中电流 对运行变压器影响的方法，主要有中性点串联电阻 法、中性点串联电容法和中性点反向电流注入法。 目前的研究认为，在变压器中性点串联小电阻的方 法只能减弱流入变压器中性点的直流电流，且存在 当电网结构发生变化时，阻值需要重新调整的问题； 电流注入法利用从变压器中性点之外新设“第二接 地点”注入反向电流的方法消除直流电流对变压器 的影响，但应用这种方法注入电流只有 20%左右能 够流入待治理的变压器中性点，其它 80%电流去向 不明，且新设“第二接地点”需要重新征地，工程 投资大；和其它方法相比，串联电容法具有原理简 单、隔直效果明显、不需要重新调整继电保护装置 定值等优点，具有较好的经济性和工程实用性[1-16]。
文献[17]开发了一种采用电容器隔离变压器中 性点直流的装置，主要解决北美地区地磁暴导致变 压器中性点直流偏磁问题，应用于 120 kV 系统，当 地磁暴来临时投入隔直装置，采用电力电子器件旁 路保护中性点。该装置的主要缺点是可承受的短路 容量较小、且不能完成电容隔直功能的自动投退。
潖江 220 kV 变电站位于广东省清远市佛冈县 境内，距贵广 II 回接地极约 20 km。站内有 180 MVA 变压器 2 台，变压器中性点采用部分接地运行方式。 为抑制直流单极大地运行方式下潖江变 1 号主变中 性点直流电流，变电站 1 号主变中性点安装了一套 基于中性点串联电容原理的变压器中性点直流电 流抑制装置(neutral DC current blocking device，
电容接地状态
直接接地状态
故障？
是
否
否 电压低于 低电压门槛？
是 是
2 NCBD 监控单元
在现场应用中，由于直流系统运行方式具有不 确定性，需要一种智能化设备，在直流系统正常运 行时，切除电容器，变压器中性点直接接地运行； 在中性点直流较大，影响变压器稳定运行时，投入 电容器，变压器中性点通过电容器接地运行；在电 力系统故障时，旁路系统动作，使变压器中性点直 接接地，以保证中性点及电容器的安全。NCBD 设 备也必须随着直流电流的变化进行自动投切，这样 既能保证变压器的安全运行，又减轻了现场运行人 员的工作量。为满足上述要求，潖江 1 号主变 NCBD 装置在一次系统的基础上，增加了监控单元，监控 单元包括装置侧控制器及控制室监控后台 2 个部 分。NCBD 现场应用系统结构如图 4 所示。监控单 元完成的主要功能如下：
在电容接地运行状态下，当交流系统发生三相 不平衡故障时，有可能在电容器两端产生高电压， 此时装置采用 3 级接力式旁路方案：第 1 级是晶闸 管，电网故障情况下的故障电流将导致中性点电压 升高，晶闸管导通使中性点快速进入直接接地状 态；第 2 级是由晶闸管电流驱动的快速开关旁路， 由于晶闸管续流能力的限制，短路发生 20 ms 以内 快速开关必须闭合，形成中性点的金属性直接接地； 第 3 级是金属氧化物避雷器(metal oxide varistor， MOV)等组成的后备旁路保护。
张金平，张辉，熊敏，张丽坤，程春和
（中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192）
Application of a Series Capacitor Based Transformer Neutral DC Current Blocking Device
ZHANG Jin-ping，ZHANG Hui，XIONG Min，ZHANG Li-kun，CHENG Chun-he
(a) 装设 NCBD 前中性点状态 (b) 装设 NCBD 后中性点状态
图 1 NCBD 安装前后 1 号主变中性点状态 Fig. 1 Comparison of No.1 transformer neutral status
before and after inserting NCBD
1 NCBD 的工作原理及运行方式
电网wk.baidu.com术
149
变压器
主控制室光字牌信号 装置失电 监视越限 就地检修 装置故障 装置动作 电容接地
抑制变压器中性点 直流电流装置
监控 一次 单元 设备
主控制室远程监控终端机
光纤通信
图 4 NCBD 应用系统 Fig. 4 Application system of NCBD
信号闪烁)，提醒运行人员手动将装置切换到中性点 电容接地运行方式。在中性点电容接地运行方式 下，当隔直电容器两端电压低于设定门限时，如果 装置处于自动控制模式，监控系统发出快速开关闭 合信号使装置进入中性点直接接地运行方式，并向 主控制室终端发出装置自动接地提示信号；如果装 置处于手动控制模式，只向主控制室终端发送低压 告警信号(中央告警信号闪烁)，提醒运行人员可手 动将装置切换到中性点直接接地运行方式。
ABC
ABC
N 隔直电容器
快速开关
N 隔直电容器
快速开关
(a) 中性点电容接地运行方式 (b) 中性点直接接地运行方式
图 3 装置运行方式 Fig. 3 Run mode of the device
图 3 中：当快速开关断开时，装置为中性点电 容接地运行方式；当快速开关闭合时，装置为中性 点直接接地运行方式。 1.3 旁路系统
KEY WORDS: conductor connected in series；transformer neutral DC current blocking device ； bypass system ； monopole-ground operation mode
摘要：潖江变 1 号变压器中性点直流电流抑制装置采用在变 压器中性点串联电容器阻断直流电流的方案，且电容器并联 了由快速开关、整流桥、大功率晶闸管、过电压触发单元、 快速脱扣回路等组成的快速旁路系统。文章介绍了该装置的 工作原理，叙述了贵广 II 回直流试验期间该装置的动作情 况，并讨论了主变中性点安装隔直装置对相邻变压器中性点 的影响，试验及运行数据表明，装置能有效抑制变压器中性 点直流电流。
1）运行方式的转换。 在中性点直接接地运行方式下，当中性点电流 超过设定门限时，如果装置处于自动控制模式，监 控单元会发出快速开关跳开信号使装置进入中性 点电容接地运行方式，并向主控制室终端发出装置 自动投入提示信号；如果装置处于手动控制模式， 只向主控制室终端发送过电流告警信号(中央告警
第 33 卷 第 20 期
ABC
N
快速开关 电容器
整流桥
过电压 晶闸管 触发单元
快速脱扣回路
图 2 装置原理图
Fig. 2 Principal skeleton map of the device
1.2 运行方式
本装置有 2 种运行方式，即中性点直接接地运
行和中性点电容接地运行，等效电路图如图 3 所示。
1 号主变
1 号主变
148
张金平等：基于串联电容法的变压器中性点直流电流抑制装置
Vol. 33 No. 20
NCBD)如图 1 所示，图 1(a)、(b)分别表示 1 号主变
中性点装设 NCBD 前后的状态。本文主要介绍该装
置的原理及性能。
1 号主变
1 号主变
ABC
ABC
N 检修刀闸
N 隔直刀闸 隔直装置
检修刀闸
旁路系统
第 33 卷 第 20 期 2009 年 12 月
文章编号：1000-3673（2009）20-0147-05
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM772 文献标志码：A
Vol. 33 No. 20 Dec. 2009
学科代码：470·4054
基于串联电容法的 变压器中性点直流电流抑制装置
1.1 NCBD 的工作原理 装置采用在变压器中性点接入电容器的方法
抑制直流电流，利用与电容器并联的快速开关实现 直接接地运行状态和电容接地运行状态的转换。装 置由隔直电容器和过电压快速旁路系统构成，过电 压快速旁路回路由快速开关、整流桥、晶闸管、过 电压触发单元、快速脱扣回路等 5 部分组成，装置 原理如图 2 所示[5,18]。装置可承受最大短路容量为 20 kA、1 s，工频交流容抗 < 1.2 Ω，旁路动作时间 < 20 μs[19]。
如果只串联电容器在变压器中性点以隔离直 流，考虑到电网故障情况下中性点不会过电压，电 容的容抗值必须选择得很小，而耐压值又必须很 高，在目前电力电容器制造水平下，必须采用多组 电容器串并联，这样增大了设备的体积，提高了设 备的成本，因此，只串联电容不具有工程可行性， 必须采用电容器加旁路系统的设计方案。
（China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100192，China）
ABSTRACT: The scheme of adopting the capacitor connected in series with transformer neutral to block DC current is used to the transformer neutral DC current blocking device for No.1 power transformer of Pajiang substation, while the capacitor is connected in parallel with fast by-pass system consisting of fast switch, rectifier bridge, high-power thyristors, overvoltage-triggering unit and fast-tripping circuit. This device can withstand fault current of 20 kA with duration of 1 second, and its standard impedance is less than 1.2 W, the trigger time of the by-pass system is shorter than 20ms, meanwhile, the monitoring and control unit make the operation of the device visible, controllable and operable. The action of this device during the testing period of the No.2 circuit of HVDC power transmission project from Guizhou to Guangdong is described in detail, and impacts of configuring DC current blocking device in the neutral of No.1 power transformer of Pajiang substation on neutrals of adjacent power transformers are analyzed. Both test results and operation data show that this device works normally and can effectively block DC current in transformer neutral.