CN104698312A - 一种直流换流站直流避雷器带电检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流换流站直流避雷器带电检测系统，其包括：高压直流母线、直流避雷器、母线电压互感器、电流采样模块、电压采样模块和处理模块，处理模块接收电流采样模块、电压采样模块分别通过直流避雷器、母线电压互感器提取的电流数据序列和电压数据序列并对二者进行计算，以判定直流避雷器的可靠性。本发明还公开了一种采用上述带电检测系统进行可靠性检测的方法。本发明减少了老化受潮等因素对直流避雷器的不利影响，提高了直流系统运行的安全性。

Description

一种直流换流站直流避雷器带电检测系统及方法

技术领域

本发明涉及直流系统检修技术领域，具体涉及一种直流换流站直流避雷器的在线检测系统以及采用该系统进行可靠性检测的方法。

背景技术

随着中国社会经济的腾飞和科技的不断进步，整个社会对电能的需求越来越大，因此电网规模不断的扩大。然而中国能源分布和经济发展存在严重不对称的问题，东部和南部经济发达能源少，西部能源丰富但经济较落后，因此将西部能源有效的输送到东部和南部，有助于国家经济的可持续发展。高电压直流输电技术因其在远距离大容量输送中优势明显，在中国的大地上已有多交超特高压直流输电系统投入运行。

直流避雷器是高电压直流输电技术中主要的一次电力设备，避雷器主要用于限制有线路传来的雷电过电压或有操作引起的内部过电压，是保证电力系统安全运行的重要保护设备之一，它的正常运行对保证系统的安全供电起着重要的作用。目前普遍使用的是氧化锌避雷器MOA，由于MOA在电网运行过程中经常出现内部受潮和阀片老化等缺陷，MOA的性能会在长期运行中发生变化，原来MOA的阻抗阀值不能满足电网安全运行的要求，从而严重影响了电力供给的安全运行。因此开发一种直流避雷器在线检测系统，能够实时控制并确定直流避雷器的阻抗阀值，对直流电力系统的安全稳定运行有着重要的意义，对电力供给保障有着重要的技术支持，同时带来重大的经济效益。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述换流变阀侧避雷器事故特点，提供一种稳定性好、可靠性高的直流避雷器在线检测系统以及采用该系统进行可靠性检测的方法。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：

一种直流换流站直流避雷器带电检测系统，其包括：

高压直流母线，用于产生直流电压信号；

直流避雷器，所述直流避雷器的一次侧与高压直流母线电性连接，所述直流电压信号在流经直流避雷器后，在直流避雷器的接地侧产生一直流电流信号；

母线电压互感器，所述母线电压互感器的一次侧与高压直流母线电性连接，用于变换所述直流电压信号，在母线电压互感器的二次侧产生一变换后的直流电压输出信号；

电流采样模块，所述电流采样模块的输入端与直流避雷器的接地回路电性连接，用于对所述直流电流信号进行多次采样，获取采样的电流数据序列；

电压采样模块，所述电压采样模块的输入端与母线电压互感器的二次侧电性连接，用于对所述直流电压输出信号进行多次采样，获取采样的电压数据序列，所述电流数据序列和电压数据序列的数量相等；

处理模块，用于接收所述电流数据序列和电压数据序列并对二者进行计算，以判定直流避雷器的可靠性。

所述电流采样模块包括电流传感器、第一AD转换装置、第一中央处理器和第一无线收发器终端，所述电流传感器的取样探头串接在直流避雷器的接地回路中，所述电流传感器的输出端通过第一AD转换装置与第一中央处理器的输入端相连，用于将电流传感器对所述直流电流信号进行多次采样获取的电流数据序列经模数转换后传送至第一中央处理器，所述第一中央处理器的输出端与第一无线收发器终端的输入端电性连接，用于将获取的模数转换后的电流数据序列通过第一无线收发器终端传送至处理模块。

所述电压采样模块包括电压传感器、第二AD转换装置、第二中央处理器和第二无线收发器终端，所述电压传感器的取样探头串接在母线电压互感器二次侧中，所述电压传感器的输出端通过第二AD转换装置与第二中央处理器的输入端相连，用于将电压传感器对所述直流电压输出信号进行多次采样获取的电压数据序列经模数转换后传送至第二中央处理器，所述第二中央处理器的输出端与和第二无线收发器终端的输入端电性连接，用于将获取的模数转换后的电压数据序列通过第二无线收发器终端传送至处理模块。

所述处理模块包括：

无线收发器总站，所述无线收发器总站的输入端分别与第一无线收发器终端和第二无线收发器终端的输出端通过无线网络连接，所述无线收发器总站的输出端与服务器相连，用于建立电流采样模块与服务器之间以及电压采样模块与服务器之间的通讯；

服务器，用于接收来自无线收发器总站的电流数据序列和电压数据序列并对二者进行计算，以判定直流避雷器的可靠性。

所述无线收发器总站、第一无线收发器终端、第二无线收发器终端均为无线路由器。

一种直流换流站直流避雷器带电检测方法，其包括以下步骤：

步骤1、将电流传感器的采样探头从直流避雷器的接地回路采取直流电流信号，经过模数转换后，形成电流数据序列I(k)；将电压传感器的采样探头从母线电压互感器二次侧采取直流电压输出信号，经过模数转换后，形成电压数据序列U(k)；电流传感器的采样探头以及电压传感器的采样探头的采样频率均为2500Hz，二者的采样点数均为2500，其中，k的取值为0,1,2…2499；

步骤2、对所述电流数据序列I(k)和电压数据序列U(k)分别整理，形成新的电流数据序列I₁(k)和电压数据序列U₁(k)：

$I_1\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{2499}{\mathrm{\Σ}}}I\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\πk}}{2500}}---\left(1\right)$

$U_1\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{2499}{\mathrm{\Σ}}}U\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\πk}}{2500}}---\left(2\right)$

步骤3、提取直流避雷器的直流电阻值R(相当于直流避雷器的0Hz的阻抗值)和直流电流值I：

$\begin{array}{c}R=\frac{U_1\left(0\right)}{I_1\left(0\right)}\\ I=\frac{I_1\left(0\right)}{2500}\end{array}---\left(3\right)$

步骤4、提取直流避雷器的300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值：

$Z_l=\frac{{({\left(\mathrm{Re}\left(U_1\left(l\right)\right)\right)}^2+{\left(\mathrm{Im}\left(U_1\left(l\right)\right)\right)}^2)}^{\frac{1}{2}}*e^{j\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left(U_1\left(l\right)\right)}{\mathrm{Re}\left(U_1\left(l\right)\right)}\right)}}{{({\left(\mathrm{Re}\left(I_1\left(l\right)\right)\right)}^2+{\left(\mathrm{Im}\left(I_1\left(l\right)\right)\right)}^2)}^{\frac{1}{2}}*e^{j\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left(I_1\left(l\right)\right)}{\mathrm{Re}\left(I_1\left(l\right)\right)}\right)}}---\left(4\right)$

l＝300,600,900,1200,1500,1800,2100,2400

(4)式中Re和Im分别为对复数U(l)和I(l)进行取实部和虚部运算，arctan为反正切的三角函数；

步骤5、判定直流避雷器的可靠性，判定的方法：

当满足下列条件之一时，停电更换所述直流避雷器：

直流避雷器的直流电阻值R小于2.5GΩ；

直流电流值I大于50微安；

相邻两次带电检测间直流避雷器的300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值的变化率均大于70％(即当某次带电检测时获得的直流避雷器的300Hz的阻抗值与在该次带电检测前一次(二者间隔一个带电检测周期)获得的直流避雷器的300Hz的阻抗值之间的变化率大于70％，同时，其他600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值的相应的变化率也均大于70％)；

当满足下列条件时，缩减直流避雷器相邻二次带电检测的周期(例如，将该周期缩减到至少半年)以加强监测：

直流避雷器的直流电阻值R和直流电流值I相邻两次带电检测间的变化率大于30％。

如果直流避雷器的直流电阻值R、直流电流值I及直流避雷器的300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值为首次进行测量时，只根据直流电阻值R以及直流电流值I进行可靠性判定。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明以氧化锌避雷器为试验对象，以高压直流母线、母线电压互感器、电流传感器、电压传感器、AD转换装置、中央处理器、无线收发器终端、无线收发器总站和服务器为硬件条件，通过电流采样装置采取避雷器接地回路的电流序列信号和电压采样装置采取母线电压序列信号，处理后通过无线通讯送到服务器进行直流避雷器的直流电阻值R、直流电流I及300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值，判定直流避雷器的运行状态。从而保证直流避雷器的有效保护作用，具有直观、快速、安全等先进的特点，减少了老化受潮等因素对直流避雷器的不利影响。

附图说明

图1是本发明一种直流换流站直流避雷器带电检测系统的结构原理图。

其中：1、高压直流母线；2、直流避雷器；3、母线电压互感器；4、电流采样模块；41、电流传感器；42、AD转换装置；43、无线收发器终端；44、中央处理器；5、电压采样模块；51、电压传感器；52、AD转换装置；53、无线收发器终端；54、中央处理器；6、无线收发器总站；7、服务器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

请参照图1所示：一种直流换流站直流避雷器带电(在线)检测系统，适用于换流变阀侧直流避雷器的性能测试并计算直流避雷器的阀值，以防止其在使用中出现故障。该检测系统包括：用于提供直流电压信号以做分析的高压直流母线1、用于提供流经避雷器的直流电流信号以做分析的直流避雷器2、用于变换直流电压以便电压传感器51采取数据的母线电压互感器3、用于采取直流避雷器2接地侧的电流信号并进行AD转换处理的电流采样模块4、用于采取电压互感器二次侧的直流电压信号并进行AD转换处理等的电压采样模块5、一端分别与电流采样模块4、电压采样模块5相连，另一端与服务器7相连，用于实现电流采样模块4与服务器7之间以及电压采样模块5与服务器7之间的通讯的无线收发器总站6、用于从无线收发器总站接收过来的电压、电流数据序列并进行相应计算处理的服务器7。

电流采样模块4包括电流传感器41、AD转换装置42、无线收发器终端43和中央处理器44，其中电流传感器41的取样探头串接在直流避雷器2接地回路以采取电流信号，AD转换装置42分别与电流传感器41和无线收发器终端43连接，中央处理器44则与其余部分相连实现整个模块的控制。

电压采样模块5包括电压传感器51、AD转换装置52、无线收发器终端43和中央处理器54，其中电压传感器51的取样探头串接在母线电压互感器3的二次侧(即二次绕组侧，同理，一次侧指代一次绕组侧)以采取电压信号，AD转换装置52分别与电压传感器51和无线收发器终端53连接，中央处理器54则与其余部分相连实现整个模块的控制。

无线收发器总站6一端与服务器7相连，另一端则通过无线网络与电流采样模块4、电压采样模块5中的无线收发器终端43、53相连实现通讯。

实施例中，高压直流母线1可采用扬州天宝集团公司的单极H型铝滑触线HXPnR-H，直流避雷器2可采用广东安迅防雷科技股份有限公司的AM型直流电源防雷器，母线电压互感器3可采用耀华德昌电子有限公司的TAK型，电流传感器41可采用深圳信瑞达公司的B1直流漏电流传感器LF-MI11-35B1-1.0/0～±10mA型号，电压传感器51用北京新创四方电子有限公司的HV系列电压传感器，AD转换装置42、52可采用深圳市微雪电子有限公司的AD876型号，中央处理器44、54可采用深圳市亿威盛世科技有限公司的单片机，无线收发器终端43、53和无线收发器总站6均可采用B-Link的SOHO无线路由器，服务器7用戴尔PowerEdge R410。

工作原理：本实施例以直流避雷器的直流电阻值R、直流电流值I及直流避雷器的300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值为首次进行测量为例，对本发明的保护范围进行解释和说明，在每隔一定带电检测周期的多次带电检测的方法与之类似，不过多次带电检测后，可以根据直流电阻值R、直流电流值I及直流避雷器的300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值的变化率进行判定。

电流传感器41的采样探头从直流避雷器3的接地回路采取直流电流信号，采样装置的采样频率均为2500Hz，采样点数为2500，形成电流数据序列I(k)＝[23.14*10^10^-6,22.98*10^10^-6,…,1.1*10^10^-6]，经过AD转换装置42转换成数字信号后，送到无线收发器终端43传输；电压传感器51的采样探头从母线电压互感器3二次侧采取直流电压信号，经过AD转换装置52转换成数字信号后，采样装置的采样频率均为2500Hz，采样点数为2500，形成电压数据序列U(k)＝[499.87,499.47,…,3.5]，送到无线收发器终端53传输。

采用式(1)和式(2)得到新的电流序列I₁(k)和电压序列U₁(k)，如式(5)和式(6)所示：

I₁(k)＝[0.0509，2.3*10^-13，...,5.6*10^-14]   (5)

U₁(k)＝[1.2*10⁹，5.7*10^-13，...,4.2*10^-14]   (6)

采用式(3)提取直流避雷器的直流电阻值R和直流电流值I，如式(7)所示：

$\begin{array}{c}R=\frac{U_1\left(0\right)}{I_1\left(0\right)}=\frac{1.2*{10}^9}{0.0509}=23.58*{10}^9\\ I=\frac{I_1\left(0\right)}{2500}=\frac{0.0509}{2500}=20.3*{10}^{-6}\end{array}---\left(7\right)$

采用式(4)提取直流避雷器的300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值。

Z_l＝[12.3e^60.3，54.3e^23.6，...，426.7e^67.6]

                                                (8)

l＝300,600,900,1200,1500,1800,2100,2400

基于式(3)和式(4)的计算方法，提取了直流避雷器的直流电阻值R、直流电流I及300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值，如式(7)和式(8)所示，对该直流避雷器的可靠性进行判定，判定方法如下：

当直流避雷器的直流电阻值R为23.58*10⁹大于2.5GΩ，直流电流值I为20.3微安小于50微安，判定该避雷器处于健康水平，可继续运行。而式(8)的结果用于与下一次带电检测获得的直流避雷器的300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值进行比对。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种直流换流站直流避雷器带电检测系统，其特征在于，其包括：

高压直流母线(1)，用于产生直流电压信号；

直流避雷器(2)，所述直流避雷器(2)的一次侧与高压直流母线(1)电性连接，所述直流电压信号在流经直流避雷器(2)后，在直流避雷器(2)的接地侧产生一直流电流信号；

母线电压互感器(3)，所述母线电压互感器(3)的一次侧与高压直流母线(1)电性连接，用于变换所述直流电压信号，在母线电压互感器(3)的二次侧产生一变换后的直流电压输出信号；

电流采样模块(4)，所述电流采样模块(4)的输入端与直流避雷器(2)的接地回路电性连接，用于对所述直流电流信号进行多次采样，获取采样的电流数据序列；

电压采样模块(5)，所述电压采样模块(5)的输入端与母线电压互感器(3)的二次侧电性连接，用于对所述直流电压输出信号进行多次采样，获取采样的电压数据序列，所述电流数据序列和电压数据序列的数量相等；

处理模块，用于接收所述电流数据序列和电压数据序列并对二者进行计算，以判定直流避雷器的可靠性。

2.根据权利要求1所述的直流换流站直流避雷器带电检测系统，其特征在于，所述电流采样模块(4)包括电流传感器(41)、第一AD转换装置(42)、第一中央处理器(44)和第一无线收发器终端(43)，所述电流传感器(41)的取样探头串接在直流避雷器(2)的接地回路中，所述电流传感器(41)的输出端通过第一AD转换装置(42)与第一中央处理器(44)的输入端相连，用于将电流传感器(41)对所述直流电流信号进行多次采样获取的电流数据序列经模数转换后传送至第一中央处理器(44)，所述第一中央处理器(44)的输出端与第一无线收发器终端(43)的输入端电性连接，用于将获取的模数转换后的电流数据序列通过第一无线收发器终端(43)传送至处理模块。

3.根据权利要求2所述的直流换流站直流避雷器带电检测系统，其特征在于，所述电压采样模块(5)包括电压传感器(51)、第二AD转换装置(52)、第二中央处理器(54)和第二无线收发器终端(53)，所述电压传感器(51)的取样探头串接在母线电压互感器二次侧中，所述电压传感器(51)的输出端通过第二AD转换装置(52)与第二中央处理器(54)的输入端相连，用于将电压传感器(51)对所述直流电压输出信号进行多次采样获取的电压数据序列经模数转换后传送至第二中央处理器(54)，所述第二中央处理器(54)的输出端与第二无线收发器终端(53)的输入端电性连接，用于将获取的模数转换后的电压数据序列通过第二无线收发器终端(53)传送至处理模块。

4.根据权利要求3所述的直流换流站直流避雷器带电检测系统，其特征在于，所述处理模块包括：

无线收发器总站(6)，所述无线收发器总站(6)的输入端分别与第一无线收发器终端(43)和第二无线收发器终端(53)的输出端通过无线网络连接，所述无线收发器总站(6)的输出端与服务器(7)相连，用于建立电流采样模块(4)与服务器(7)之间以及电压采样模块(5)与服务器(7)之间的通讯；

服务器(7)，用于接收来自无线收发器总站(6)的电流数据序列和电压数据序列并对二者进行计算，以判定直流避雷器的可靠性。

5.根据权利要求4所述的直流换流站直流避雷器带电检测系统，其特征在于，所述无线收发器总站(6)、第一无线收发器终端(43)、第二无线收发器终端(53)均为无线路由器。

6.根据权利要求1-5任一项所述的直流换流站直流避雷器带电检测系统，其特征在于，所述直流避雷器(2)为氧化锌避雷器。

7.一种直流换流站直流避雷器带电检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1、将电流传感器的采样探头从直流避雷器的接地回路采取直流电流信号，经过模数转换后，形成电流数据序列I(k)；将电压传感器的采样探头从母线电压互感器二次侧采取直流电压输出信号，经过模数转换后，形成电压数据序列U(k)；电流传感器的采样探头以及电压传感器的采样探头的采样频率均为2500Hz，二者的采样点数均为2500，其中，k的取值为0,1,2…2499；

步骤2、对所述电流数据序列I(k)和电压数据序列U(k)分别整理，形成新的电流数据序列I₁(k)和电压数据序列U₁(k)：

$I_1\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{2499}{\mathrm{\Σ}}}I\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\πk}}{2500}}---\left(1\right)$

$U_1\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{2499}{\mathrm{\Σ}}}U\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\πk}}{2500}}---\left(2\right)$

步骤3、提取直流避雷器的直流电阻值R和直流电流值I：

$\begin{array}{c}R=\frac{U_1\left(0\right)}{I_1\left(0\right)}\\ I=\frac{I_1\left(0\right)}{2500}\end{array}---\left(3\right)$

步骤4、提取直流避雷器的300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值：

$Z_l=\frac{{({\left(\mathrm{Re}\left(U_1\left(l\right)\right)\right)}^2+{\left(\mathrm{Im}\left(U_1\left(l\right)\right)\right)}^2)}^{\frac{1}{2}}*e^{j\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left(U_1\left(l\right)\right)}{\mathrm{Re}\left(U_1\left(l\right)\right)}\right)}}{{({\left(\mathrm{Re}\left(I_1\left(l\right)\right)\right)}^2+{\left(\mathrm{Im}\left(I_1\left(l\right)\right)\right)}^2)}^{\frac{1}{2}}{e}^{j\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left(I_1\left(l\right)\right)}{\mathrm{Re}\left(I_1\left(l\right)\right)}\right)}}---\left(4\right)$

l＝300,600,900,1200,1500,1800,2100,2400

(4)式中Re和Im分别为对复数U(l)和I(l)进行取实部和虚部运算，arctan为反正切的三角函数；

步骤5、判定直流避雷器的可靠性，判定的方法：

当满足下列条件之一时，停电更换所述直流避雷器：

直流避雷器的直流电阻值R小于2.5GΩ；

直流电流值I大于50微安；

相邻两次带电检测间直流避雷器的300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值的变化率均大于70％；

当满足下列条件时，缩减直流避雷器相邻二次带电检测的周期以加强监测：

直流避雷器的直流电阻值R和直流电流值I相邻两次带电检测间的变化率均大于30％。

8.根据权利要求7所述的直流换流站直流避雷器带电检测方法，其特征在于，如果直流避雷器的直流电阻值R、直流电流值I及直流避雷器的300Hz，600Hz，900Hz，1200Hz，1500Hz，1800Hz，2100Hz，2400Hz的阻抗值为首次进行测量时，只根据直流电阻值R以及直流电流值I进行可靠性判定。