CN103597687A - 用于hvdc断路器的快速断路器故障检测 - Google Patents

用于hvdc断路器的快速断路器故障检测 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于直流(DC)电路断路器(200)的断路器故障检测装置。所述断路器包括并联连接的断路元件(204)和非线性电阻，例如，电涌放电器(205)。所述断路器故障检测装置包括用于测量从断路元件(204)换向的电流的电流传感器(212，213，214，215)，以及断路器故障检测单元(211)。断路器故障检测单元(211)被配置用于比较所测量电流与期望值，以及当所测量电流偏离期望值时判定断路器(200)的内部换向过程没有按照期望进行。本发明运用如下认识：改进的断路器故障检测可通过监测断路器的内部换向过程实现。此外，提供了一种断路器故障检测的方法。

Description

用于HVDC断路器的快速断路器故障检测
技术领域
一般而言，本发明涉及高压直流(HVDC)电力传输，更具体的说，涉及用于直流(DC)断路器的断路器故障检测。
背景技术
由于对大功率传递和互联电力传输与分配系统的需求不断上升，高压直流电力传输变得越来越重要。
高压直流电网通常包括多个交流(AC)/DC转换器端子，其通过传输线路(即，地下线缆和/或架空线路)互联。在电网内，端子可以连接到多个端子，从而产生不同类型的拓扑。这样的多端子电网能够实现有效的拥塞管理而且针对干扰具有改进的稳定性。
直流断路器通常用于在高压直流电网中隔离故障组件，诸如传输线路。由于相比于交流系统直流传输线路的电感低，所以高压直流系统遭受故障引发电流的高速上升。因此，直流断路器必须在断路器的中断能力被超过之前迅速中断电流。特别是，在断路器故障的情况下，即当断路器无法中断电流时，备用断路器必须在上升的电流超过备用断路器的中断能力之前切断。因此，除非有非常大的电感用于限制故障引发电流的增大速率，否则直流断路器故障的快速检测是所期望的。
已知的断路器故障检测技术基于测量通过直流断路器的总电流以及检查在接收到切断信号后开始的给定时间间隔内该总电流是否减小到零。然而，电流的衰变是由非线性电阻(例如电涌放电器)支配的，其通常用于消减电流，导致相当长的时间间隔。此外，由于电流衰变取决于各种外部参数，诸如故障前的负荷、故障的位置以及所涉及的电路的总电感，所以必须考虑安全裕度，这导致甚至更长的时间间隔。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种对上述技术和现有技术更有效的替代。
更具体地说，本发明的一个目的是提供用于直流断路器、特别是用于高压直流断路器的改进断路器故障检测。
本发明的这些目的和其他目的借助具有独立权利要求1中限定的特征的断路器故障检测装置以及借助独立权利要求9中限定的断路器故障检测方法实现。本发明的实施例由从属权利要求表征。
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于直流断路器的断路器故障检测装置。该直流断路器包括断路元件和非线性电阻。该断路元件设置用于在接收到切断信号时中断直流电路。断路元件可以例如基于机械断路器或固态断路器。断路元件还可以是包括不同类型的断路器的混合断路元件。非线性电阻与断路元件并联连接。断路器故障检测装置包括至少一个电流传感器和断路器故障检测单元。电流传感器设置用于测量从断路元件换向的电流。可选地，断路器故障检测装置可以包括多个电流传感器，以及断路器故障检测单元可以设置用于在直流断路器内的不同位置测量从断路元件换向的电流。断路器故障检测单元设置用于比较所测量电流与期望值。断路器故障检测单元进一步设置用于当所测量电流偏离期望值时判定断路器的内部换向过程未按期望进行。
根据本发明的第二方面，提供了—种用于直流断路器的断路器故障检测的方法。直流断路器包括断路元件和非线性电阻。断路元件设置用于在接收到切断信号时中断直流电路。非线性电阻与断路元件并联连接。该方法包括：测量从断路元件换向的电流以及比较该所测量电流和期望值。可选地，可以在直流断路器内的不同位置测量从断路元件换向的电流。该方法进一步包括：当所测量电流偏离期望值时判定断路器的内部换向过程未按期望进行。
本发明运用了如下认识：直流断路器中一种改进的断路器故障检测可以通过监测断路器的内部换向过程来实现。当断路元件开始中断通过断路器的直流电路的电流时，内部换向过程开始。通常情况下，中断过程响应于从开关场的外部控制单元或其中设置有断路器的配电系统接收到切断信号而开始。切断信号也可以来源于监测与断路器连接的传输线路的故障保护装置。
当电流断路元件开始中断电流时，电流被换向到与断路元件并联的非线性电阻。非线性电阻(其可以例如是电涌放电器)提供逐步升高的用于消减电流和消除电路中存储的磁能的反电压。可选地，如果谐振电路与断路元件并联连接，则电流最初被换向至谐振电路，特别是谐振电路中包括的电容器，从而在电流消减时导致断路元件上合理的瞬态恢复电压。更具体地说，电容器首先通过直流电流充电。随后，当电容器上的电压达到非线性电阻的保护电平时，电流换向至非线性电阻。
为此，电流从电流断路元件到非线性电阻的内部换向以及，可选地，通过作为中间步的谐振电路的内部换向被监测，以便评估断路器是否成功中断电流。换句话说，换向电流被测量以便验证内部换向过程按期望进行，即，根据断路器的设计进行。这是通过比较所测量电流或在采用多个电流传感器情况下的多个所测量电流与期望值来实现的，期望值代表在正常运行时断路器中的成功换向过程，即断路器故障没有发生。这样的期望值可以例如从换向过程的仿真中推断或通过实验推断。
由于通过断路元件的电流消减得比通过断路器的总电流快得多，其中后者的衰变是由非线性电阻的逐渐升高的反电压支配的，所以断路器故障可以在比本领域已知的时间更短的时间内检测到。此外，由于通过断路元件的电流的衰变时间(即，通过断路元件的电流减小到零所花的时间)不取决于外部电感，因此不需要安全裕度。
本发明的一个实施例在如下方面是有利的：一旦检测到内部换向过程未按预期进行就可以马上采取保护措施。因此，本发明的一个实施例促进比已知故障检测技术更快的断路器故障检测，已知故障检测技术基于测量通过断路器的总直流电流以及在预定的时间间隔已经经过后检测到非零电流的情况下判定断路器已故障，该时间间隔从接收到切断信号开始并且足够长以容许断路器完成其断路动作，其中包括由非线性电阻消减电路中存储的磁能。
断路器故障的检测可以通过如下方式得以改进：在直流断路器的电路内的多个位置处测量从断路元件换向的电流，以及当评估断路器故障是否已发生时考虑不同的测量结果。通过这种方式，可以实现一种更可靠的断路器故障检测。为了这个目的，断路器故障检测单元可以包含多个电流传感器。
根据本发明的一个实施例，该断路器故障检测单元进一步设置用于在所测量电流偏离期望值的条件下，判定断路元件中断直流电路失败。基于对断路器的内部换向过程的监测来确定断路元件中断直流电路失败在如下方面是有利的：可以比本领域已知的更早地采取保护措施。
根据本发明的一个实施例，断路器故障检测单元进一步设置用于响应于判定内部换向过程未按照期望进行而使一个或多个备用断路器切断。当内部转换过程未按期望进行时作为保护措施使备用断路器及早切断是有利的，这是因为备用断路器可以尝试在迅速升高的故障引发电流超过备用断路器的中断能力之前使电流断路。备用断路器可以是相邻的在电路方面的断路器，或当直流断路器包括被设置以便提供冗余的多个断路器部分情况下可以是冗余断路器部分。
根据本发明的一个实施例，断路器故障检测单元进一步设置用于响应于判定内部换向过程未按期望进行而重新闭合断路元件。这在如下方面是有利的：损坏断路器的部件、诸如断路元件的风险降低。特别是，可避免跨机械断路器的开路触点的电弧过长时间占上风。
根据本发明的一个实施例，断路器故障检测单元进一步设置用于估计由非线性电阻耗散的能量的数量、将所估计能量与预定值比较以及如果所估计能量超过预定值则判定非线性电阻过负载。能量的数量的估计基于所测量电流和非线性电阻的反电压。为此，要由非线性电阻耗散的能量通过热模型来估计并与门限值做比较，其中该能量折合从断路元件换向至非线性电阻的电流。用来比较的门限值可以例如是等于或接近于非线性电阻的额定值的值。估计要由非线性电阻耗散的能量的数量在如下方面是有利的：当换向至非线性电阻的电流的数量似乎超过非线性电阻的能量耗散能力时，可以采取保护措施，以减少损坏非线性电阻的风险。该估计可以在换向过程完成前执行，特别是在非线性电阻过负载之前。
根据本发明的一个实施例，断路器故障检测单元进一步设置用于响应于判定非线性电阻过负载而重新闭合断路元件。这在如下方面是有利的：减少非线性电阻上的应力，并且因此减少损坏非线性电阻的风险。此外，除了重新闭合断路元件之外，还可以使备用断路器切断。
根据本发明的一个实施例，提供了一种直流断路器。该断路器包括断路元件、非线性电阻以及断路器故障检测装置。该断路元件设置用于在接收到切断信号时中断直流电路。非线性电阻与断路元件并联连接。提供具有根据本发明的一个实施例的断路器故障检测装置的直流断路器在如下方面是有利的：在断路器处发生的断路器故障可以被快速检测出，并且一旦断路器故障检测单元已经揭示该故障，就可以采取本文之前描述的保护措施。
根据本发明的一个实施例，断路器进一步包括与断路元件并联连接的谐振电路。谐振电路通常包括串联的电容器和电感器。然而，如果断路元件是基于固态的断路元件，即，基于半导体的断路元件，则不需要谐振电路。
虽然本发明实施例及其优点在某些情况下参考了根据本发明的第一个方面的断路器故障检测装置来描述，然而对应的推理也适用于根据本发明的第二方面的方法的实施例。
本发明的进一步的目标、特征和优点在研究以下详细公开、附图和所附权利要求时将变得显而易见。本领域技术人员明白本发明的不同特征可以组合以产生除了下文所描述的实施例之外的实施例。
附图说明
参考附图，通过以下本发明实施例的说明性的和非限制性的描述将更好地理解本发明的以上目的以及附加的目的、特征以及优点，其中：
图1示出了具有已知的断路器故障检测功能性的直流断路器。
图2示出了根据本发明的一个实施例的直流断路器。
所有的附图都是示意生的，未必按照比例，并且为了阐明本发明一般只显示必要的部分，其他部分可能被省略或仅仅暗示。
具体实施方式
在图1中，示出了具有根据本领域已知的直流断路器故障检测功能性的直流断路器。断路器100包括用于在端子102和103之间携载直流电流的直流电路101、用于使电路101所携载的直流电流断路的断路元件104、与断路元件104并联连接且具有合适特性的非线性电阻105以及与断路元件104和非线性电阻105并联连接的谐振电路106。非线性电阻105可以例如是电涌放电器。断路元件104(也被称为中断器)可以例如是机械中断器或基于半导体器件的固态中断器。谐振电路106通常包括电容器107和，可选地，电感108，其可以是物理电抗器或固有电路电感。如果断路元件104是基于固态的，则谐振电路106通常被省略。
在正常运行期间，中断器104是闭合的。当接收到例如来自断路器100被结合到其中的高压直流电力传输系统的保护单元或外部控制单元的切断信号109时，中断器104尝试中断由直流电路101携载的电流。作为中断器104实现其断路动作的结果，直流电流通过谐振电路106换向至电涌放电器105。更具体地说，电容器107将开始充电并且跨电容107的电压将升高。一旦该电压已达到电涌放电器105的反电压，也被称为箝位电压时，后者将变为导通状态。因此，直流电流将开始减少并且直流电路(包括任何连接到断路器100的传输线路)中存储的能量将被电涌放电器105耗散。
直流断路器100进一步包括：电流传感器110，其用于测量由直流电路101携载的直流电流；和断路器故障检测单元111，其用于检测断路器100的断路器故障。断路器故障检测单元111设置用于验证通过断路器(即通过直流电路101)的电流在预定的时间间隔已经经过后已下降到零，该时间间隔响应于接收到命令断路器中断电流的切断信号109而开始。考虑可能的故障位置和可能的电路配置，时间间隔的选择使得在没有断路器故障发生的情况下直流断路器100设法消减该电流。
本文之前描述的断路器故障检测的已知方法具有如下弊端：是否已发生断路器故障的评估只能在预定时间间隔已经经过后做出。由于通过断路器100的电流首先在电涌放电器105已削减该电流之后减小到零，所以该时间间隔相当长。因而，存在如下风险：防护措施(诸如使备用断路器切断)采取得太晚，以及故障引发电流已经上升至超出备用断路器的断路能力的值。
参考图2，描述了本发明的一个实施例。如图2所示的直流断路器200类似于参考图1所描述的直流断路器100，但具有改进的断路器故障检测功能性。更具体的，断路器200包括用于在端子202和203之间携载直流电流的直流电路201、用于使通过电路201携载的直流电流断路的断路元件204、与断路元件204并联连接且具有合适的特性的非线性电阻205以及与断路元件204和非线性电阻205并联连接的谐振电路206。非线性电阻205可以例如是电涌放电器。断路元件204可以例如是机械中断器或基于半导体器件的固态中断器。谐振电路206通常包括电容器207和，可选地，电感208，其可以是物理电抗器或固有电路电感。如果断路元件204是基于固态的，则谐振电路206可以被省略。
断路器200进一步包括电流传感器212和断路器故障检测单元211。相比参考图1所描述的断路器100，电流传感器212设置用于在断路器200的电路内的位置测量由直流电路201携载的电流，特别是在断路元件204内，从而使得如下成为可能：不仅测量经由直流电路201通过断路器的直流电流，如对于断路器100的电流传感器110的情况，而且测量从断路元件204内部换向至电涌放电器205以及换向至谐振电路206(如果存在的话)的电流。因此，通过测量断路器200的电路内位置处的电流，内部电流换向可以被监测。该监测通过被设置用于从电流传感器212读取电流测量结果并将所测量值与期望值进行比较的断路器故障检测单元211来实现。断路器故障检测单元211进一步设置用于评估是否已经发生断路器故障。为此，不成功的内部换向被解释为断路器故障的指示。响应于判定内部换向过程已经失败，断路器故障检测单元211进一步设置用于采取保护措施，例如使备用断路器切断和/或重新闭合断路元件204。
断路器故障检测单元211可以进一步设置用于基于所测量电流根据时间的行为来评估内部换向故障的原因，即，确定断路器200的故障部分。例如，没有电流从电流断路元件204换向可以表明电路断路元件204已故障。另一方面，未按预期随时间减少的换向电流可以指示故障的电涌放电器205。这可以例如是电涌放电器205未能设置反电压时的情况。
进一步参考图2，描述了用于测量从断路元件204换向的电流的替换位置。例如替代利用来自电流传感器212的电流测量，根据本发明的一个实施例的断路器故障检测可以基于由电流传感器213、214或215执行的电流测量来执行。
为了改进断路器故障的检测，多于一个电流传感器可用于测量断路器200内不同位置处的电流，如上面所描述的那样。此外，也可以利用电流传感器210。在这种情况下，故障检测单元211可以设置用于基于从多个电流传感器获得的的电流测量结果来评估是否已发生断路器故障。这在如下方面是有利的：可以实现对断路器故障的更可靠检测。此外，内部换向过程的所检测故障的根本原因可以被更可靠地推断。此外，电流传感器214和215可以用来分开确定分别换向至电涌放电器205和谐振电路206的电流的量。用这种方式，可以基于例如热模型来检测电涌放电器205或谐振电路206的即将发生的过负载，并且可以采取保护措施。
例如，本发明的一个实施例(诸如参考图2所描述的直流断路器200)可以设置用于估计要由电涌放电器205耗散的热能的数量。这可以例如通过计算与换向至电涌放电器205的电流关联的电能来实现。更具体地说，由于电能Eel可以被计算为Eel＝∫V(t)I(t)dt，要由电涌放电器205耗散的能量的估计可以根据Eel＝V0∫I(t)dt获得，其中V0是电涌放电器205的反电压并且I(t)是本文之前描述的由电流传感器214测量的时间相关电流。使用电流的时间相关性的模型，能量的估计可以通过对时间相关电流进行外插并且将它在整个换向过程上求积分来在换向过程已经开始之后但在换向过程完成之前获得。要耗散能量的估计也可以是基于从除电流传感器214之外的任意其他电流传感器获得的电流测量结果。然后将所估计能量与预定值进行比较，基于该比较可以判定非线性电阻205是否很可能过负载。也就是说，如果要由非线性电阻205耗散的所估计能量超过预定值，则非线性电阻205过负载。
还将认识到，可以利用允许推导出断路器200内没有执行测量的位置处的电流的电流传感器的某些组合。例如，如果利用电流传感器210和213，则位置212处的电流可以从分别在210和213处测量的电流的差值推断出，并且在215处的电流等于在213处测量的电流。此外，如果使用电流传感器210、214以及215，那么212处的电流可从210处所测量电流减去214处所测量电流减去215处所测量电流计算得出。
根据电流传感器的相应位置，可以利用不同类型的电流传感器。优选地，电流传感器210和212是绝对电流传感器，即，它们设置用于测量绝对电流，而如果采用电流传感器213、214或215，则它足以测量电流瞬变。例如，罗果夫斯基线圈可用于测量电流瞬变。
本领域技术人员也将认识到电流测量可以连续地、偶然地或以规则时间间隔执行。为了根据本发明的一个实施例来检测断路器故障的目的，它足以当预计要发生内部换向过程时执行电流测量。换句话说，电流测量可以在接收到切断信号后开始并且可以在内部换向成功完成时或断路器故障检测装置已经发现断路器故障时停止。然而，电流测量也可以在任何时间执行。
参考图2所描述的断路器故障检测单元的实施例(诸如单元211)可以基于运行适当软件的处理部件、基于电子电路或两者的组合。也可以来设想本发明的如下实施例，其基于运行实施按照本发明的第二方面的方法的软件的可容易得到的计算机或高压直流系统的现有控制单元，诸如故障保护单元。
本领域技术人员认识到，本发明绝不局限于上述的实施例。相反，许多修改和变型在所附的权利要求的范围内是可能的。例如，虽然本发明已经按照包括电流传感器和断路器故障检测单元的直流断路器来描述，但是可以设想本发明的设计为现有直流断路器的升级的实施例。例如，可以设想包括至少一个电流传感器和断路器故障检测单元的断路器故障检测装置被设计以适应现有直流断路器。此外，也可以设想本发明的除了实施本发明的第二方面的实施例的软件之外还包括电流传感器的实施例，该软件适用于升级现有故障保护单元。
总之，提供了一种用于直流断路器的断路器故障检测装置。该断路器包括并联连接的断路元件和非线性电阻，例如，电涌放电器。该断路器故障检测装置包括用于测量从断路元件换向的电流的电流传感器，以及断路器故障检测单元。该断路器故障检测单元设置用于比较所测量电流与期望值，以及当所测量电流偏离期望值时判定断路器的内部换向过程未按期望进行。本发明运用如下认识：对断路器故障的改进检测可通过监测断路器的内部换向过程来实现。此外，提供了断路器故障检测的方法。

Claims (14)

1.一种用于直流(DC)断路器(200)的断路器故障检测装置，所述直流断路器包括：
设置用于在接收到切断信号(209)时中断直流电路(201)的断路元件(204)，以及
与断路元件(204)并联连接的非线性电阻(205)，
其中所述断路器故障检测装置包括：
至少一个被设置用于测量从断路元件(204)换向的电流的电流传感器(212，213，214，215)，以及
断路器故障检测单元(211)设置用于：
比较所测量电流与期望值，以及
在所测量电流偏离期望值的条件下，判定断路器(200)的内部换向过程未按期望进行。
2.根据权利要求1的断路器故障检测装置，其中断路器故障检测单元(211)进一步设置用于在所测量电流偏离期望值的条件下判定断路器单元(204)中断直流电路失败。
3.根据权利要求1的断路器故障检测装置，其中断路器故障检测单元(211)进一步设置用于响应于判定内部换向过程未按期望进行而使备用断路器切断。
4.根据权利要求1的断路器故障检测装置，其中断路器故障检测单元(211)进一步设置用于响应于判定内部换向过程未按期望进行而重新闭合断路元件(204)。
5.根据权利要求1的断路器故障检测装置，其中断路器故障检测单元(211)进一步设置用于：
基于所测量电流和非线性电阻(205)的反电压，估计要由非线性电阻(205)耗散的能量的数量，
比较所估计能量与预定值，和
在所估计能量超过预定值的条件下判定非线性电阻(205)过负载。
6.根据权利要求5的断路器故障检测装置，其中断路器故障检测单元(211)进一步设置用于响应于判定该非线性电阻过负载而重新闭合断路元件(204)。
7.—种直流(DC)断路器(200)，包括：
断路元件(204)，设置用于在接收到切断信号(209)时中断直流电路(201)，
与断路元件(204)并联连接的非线性电阻(205)，和
根据权利要求1-6中任一项的断路器故障检测装置。
8.根据权利要求7的断路器，其中断路器(200)进一步包括与断路元件(204)并联连接的谐振电路(206)。
9.—种用于直流(DC)断路器(200)的断路故障检测的方法，直流断路器包括：
断路元件(204)，设置用于在接收到切断信号(209)时中断直流电路(201)，和
与断路元件(204)并联连接的非线性电阻(205)，
其中该方法包括：
测量从断路元件(204)换向的电流，
比较所测量电流和期望值，和
在所测量电流偏离期望值的条件下，判定断路器(200)的内部换向过程未按期望进行。
10.根据权利要求9的方法，进一步包括：在内部换向过程未按期望进行的条件下，判定断路元件(204)已经故障。
11.根据权利要求9的方法，进一步包括：响应于判定内部换向过程未按期望进行，使备用断路器切断。
12.根据权利要求9的方法，进一步包括：响应于判定内部换向过程未按期望进行，重新闭合断路元件(204)。
13.根据权利要求9的方法，进一步包括：
基于所测量电流和非线性电阻(205)的反电压，估计要由非线性电阻(205)耗散的能量的数量，
比较所估计能量与预定值，和
在所估计能量超过预定值的条件下，判定非线性电阻(205)过负载。
14.根据权利要求13的方法，进一步包括：响应于判定非线性电阻(205)过负载，重新闭合断路元件(204)。
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