CN103344911B - 一种高压直流开关开断全过程状态辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压直流开关开断全过程状态辨识方法，其采用霍尔传感器非接触获取高压直流开关断开时振荡回路的电流波形并使用德国BECKHOFF？PAC采集后，通过对振荡回路电流波形在时间轴分段并用傅立叶变换和小波理论等对各段波形详细分析，根据电流的频率变化和波形中的突变点，来判断在高压直流开关开断全过程中，详细的电流转移过程和振荡回路，断路器，吸能回路的工作情况。本发明灵敏度高、精确度高，可以实现在线分析功能。

Description

一种高压直流开关开断全过程状态辨识方法

技术领域

本发明属于高压直流输电系统中高压直流开关的断路器电弧分析技术领域，特别涉及一种高压直流开关开断全过程状态辨识方法。

背景技术

从80年代末以来，我国直流输电技术的研究突飞猛进，目前国内已投运的500kV直流输电工程有十余条。我国计划在2020年前投运的直流工程将超过30条；同时为了实现“西电东送”战略国家正大力推进包括400kV、660kV、800kV和1000kV等高压及特高压直流输电工程的建设，未来直流输电将成为我国电网的重要组成部分。

直流开关是直流输电工程中换流站的关键设备之一，其主要作用是改变直流系统的运行方式和及时清楚线路中出现的故障。当前国内各大换流站装设的直流开关主要有金属回路转换开关（MetallicReturnTransferBreaker,MRTB）、大地回路转换开关（GroundReturnTransferSwitch,GRTS）、中性母线开关（NeutralBusSwitch,NBS）和中性母线接地开关（NeutralBusGroundSwitch,NBGS）等。

直流开关与交流开关相比，直流开关所通过的电流为直流电流，没有可直接熄灭电弧的电流过零点。因此，现有的直流开关系统大多是在交流开关上加装包括电抗器和电容器所组成的振荡回路，通过振荡回路产生的高频振荡电流实现开关断口电流过零，从而使电弧熄灭，最终成功实现直流开关的开断。

正常情况下，高压直流开关的开断全过程分为三个阶段：（1）强迫电弧电流过零阶段；（2）断路器断口介质恢复阶段；（3）避雷器组动作吸能阶段，但在实际应用中由于其工作条件的变化，存在着振荡回路、SF6开关与避雷器组等部件不能够有效配合以至于开断失败的问题，对直流系统造成极大经济损失。由于缺乏可靠的技术手段，目前无法掌握高压直流开关在线运行时的真实开关状态信息，为高压直流输变电工程的安全稳定运行留下了隐患。

湖北省电力试验研究院提出了一种振荡回路参数的测量方法，通过对振荡回路参数的测量判断振荡回路的工作情况，并已广泛应用到直流开关的现场试验中。这种方法必须是在离线的方式下对振荡回路的参数进行检测，不能在线获取高压直流开关状态和开断全过程的信息。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的无法直接测量断路器支路电流问题；提供了一种间接对高压直流开关状态分析方法，即通过对高压直流开关振荡回路中电流波形频率的变化和突变时刻进行分析来判断高压直流开关开断全过程动态信息，进而推断高压直流开关各个回路工作状态。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种高压直流开关开断全过程状态辨识方法，包括以下步骤：

步骤1，采集振荡回路电流波形；

步骤2，观察振荡回路电流是否出现高频电流信号，若是，则说明振荡回路连接到断路器回路；若否，则振荡回路连接到断路器回路；并且使用傅立叶变换对波形进行频谱分析，计算出振荡回路电阻、电感和电容参数是否正常；

步骤3，若步骤2出现高频电流信号，用小波理论分析振荡回路电流是否发生突变，若发生突变，则说明断路器触头拉开并产生电弧；若否，则说明断路器未正常工作；

步骤4，观察振荡回路电流出现高频电流信号是否变平缓，并且呈现为缓慢下降的趋势，若是，则说明电弧已经熄灭，并且直流电流已转移到振荡回路；若否，说明电弧未熄灭，。

步骤5，观察电流波形在经过步骤4中平缓波形后是否进入一个陡降的过程，若是，则说明避雷器组动作吸能，电流转移到吸能回路；若否，则说明避雷器组未正常工作。

所述步骤3中，利用MATLAB中的小波工具，截取振荡回路电流起振点前后两到三个周期波形进行小波分解，经过db5小波5层分解后，再判断最后一层是否得到一个高频分量，高频分量的出现即表明发生了突变。

所述步骤1中，采集振荡回路电流波形的过程为：先使用霍尔电流传感器将电流信号转变成电压信号，然后使用德国BECKHOFFPAC采集装置采集电压信号。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明避免了对断路器支路电流进行分析，而巧妙的通过对振荡回路电流的变化进行捕捉，进而反映高压直流开关全过程的动态信息；

2.本发明小波理论提取电流的高频分量，比常规的信号处理方法更加灵敏；

3.本发明运用霍尔电流传感器和PAC进行采集，比常规的采集装置更加精确；

4.本发明可以实现在线分析功能。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为有源式高压直流开关结构图；

图3为离线式振荡回路参数测量方法原理图；

图4为振荡回路电流仿真波形图；

图5为起弧点小波分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1，使用霍尔传感器和PAC采集振荡回路电流波形后，首先通过分析振荡回路电流是否起振判断振荡回路动作情况；然后用小波理论分析振荡电流衰减系数是否发生突变来判断是否产生电路；此后再分析电流波形是否变平缓并且呈现为缓慢下降的趋势以判断电弧是否熄灭并且直流电流是否转移到振荡回路；最后分析电流是否陡降以判断避雷器组是否动作吸能并且电流是否转移到吸能回路。

如图2，振荡回路由高压交流SF6断路器CB、电容器组C、电抗器L、电阻R和振荡回路开关S1组成。充电回路开关S2控制充电回路给电容器C充电，C的大小决定了恢复电压的上升率，其参数选择应确保开关的介质恢复速度大于恢复电压的上升速度，同时使得断路器断口两端电压变化要低于断路器所能耐受的值。L的取值与电容C的值有关，较低的L值会降低开关的最大可开断电流，而过大的L又可能会延长开断时间，给直流电流开断带来不利影响。氧化锌避雷器组MOV用于限制断路器两端过电压大小，并作为主要吸能元件吸收开断过程中释放的能量，其伏安特性曲线拐点决定直流开关的转换电压，转换电流和转换回路阻抗决定了氧化锌避雷器组的额定容量。

如图3，E为直流充电电压，它是交流调压器输出电压经整流后获得，为氧化锌避雷器组,C和L分别为振荡回路电容和电抗，S1为振荡回路开关，S2为直流断路器开断元件，R1为低阻无感的电阻分流计，SW1为充电回路开关，SBQ为数字存储示波器。

现场试验时先将电容器两端电压充到300V左右,接着断开充电回路开关SW1，并逐步闭合振荡回路开关S1和开断元件S2，此时电容C通过振荡回路放电，通过电阻分流计和示波器完成对振荡回路电流的记录。上述方法的不足之处主要体现在以下几个方面：

（1）根据试验电流波形计算电感L和电阻R的前提是必须知道电容器组的容抗值，工作量大，测得的参数值准确性不够高。

（2）仅能通过测量结果判断振荡回路工作状态，而无法对高压直流开关其他回路状态进行判断。

如图4，当高压直流开关正常动作时，电流从0迅速开始起振，说明振荡回路动作；然后如图5分析可知电流波形发生突变，说明振荡衰减系数发生变化，电弧产生；在振荡后期，电流进入一个平缓的阶段，这是给电容充电的过程，说明电弧已经熄灭，直流电流转移到振荡回路；在平缓的阶段之后电流在到达零之前陡降，说明电容电压已达到避雷器组动作电压，避雷器组动作导通，电流转移到吸能回路。

如图5，取对应于0.1998s-0.2100s之间的20100个数据段进行小波分析。经过db5小波分解后的波形在第300个数据点处出现了高频分量，说明突变在此处产生。

Claims (1)

1.一种高压直流开关开断全过程状态辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，采集振荡回路电流波形；

步骤2，观察振荡回路电流是否出现高频电流信号，若是，则说明振荡回路连接到断路器回路；若否，则振荡回路未连接到断路器回路；并且使用傅立叶变换对波形进行频谱分析；

步骤3，若步骤2出现高频电流信号，用小波理论分析振荡回路电流是否发生突变，若发生突变，则说明断路器触头拉开并产生电弧；若否，则说明断路器未正常工作；

步骤4，观察振荡回路电流出现高频电流信号是否变平缓，并且呈现为缓慢下降的趋势，若是，则说明电弧已经熄灭，并且直流电流已转移到振荡回路；若否，说明电弧未熄灭；

步骤5，观察电流波形在经过步骤4中平缓波形后是否进入一个陡降的过程，若是，则说明避雷器组动作吸能，电流转移到吸能回路；若否，则说明避雷器组未正常工作；

所述步骤3中，利用MATLAB中的小波工具，截取振荡回路电流起振点前后两至三个周期波形进行小波分解，经过db5小波5层分解后，再判断最后一层是否得到一个高频分量，高频分量的出现即表明发生了突变；

所述步骤1中，采集振荡回路电流波形的过程为：先使用霍尔电流传感器将电流信号转变成电压信号，然后使用德国BECKHOFFPAC采集装置采集电压信号。