CN106501572A - 高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测装置及方法。其特点是：包括至少一个无线电流传感录波装置，该所有无线电流传感录波装置均通过无线方式与数据采集单元连接，从而将采集到的测量点的瞬时电流数据波形无线传送至数据采集单元，该数据采集单元通过无线或有线方式与计算分析平台连接，从而由计算分析平台对前述瞬时电流数据波形进行分析处理并且在发现异常时给出提示。采用本发明的装置和方法后，可以通过采集、分析各支路电容器的电流参数，分析判断流过各支并联电容器的不平衡电流差值是否接近异常范围，可以尽早发现运行工况异常的电容器，并及时进行检修更换处理，有效提高高压直流输电装置的运行可靠性。

Description

高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测装置及方法。

背景技术

在高压直流装置运行过程中，断路器开断转换电流的能力对高压直流装置的正常运行具有决定性作用。以常规±500kV高压直流装置为例，双极直流共包含8台直流断路器，由于例行检修等原因，每年都会对各台直流断路器进行分合闸操作若干次，如果出现分合闸操作失败情况，将没有旁路断路器可以替换运行，此时对直流断路器进行检修处理，会直流导致相应直流装置的持续停止运行，造成直流输送功率的中断。因此，提高直流断路器的运行可靠性，对提高高压直流装置的能量可用率具有重要意义。由于高压直流断路器的开断电流没有自身过零点，因此开断直流电流必须强迫过零。现有直流工程中运行的高压直流断路器采用并联叠加电流法进行电流强迫过零。叠加电流法通过在直流断路器上并联电容和电感，形成电流过零的振荡回路，并采用并联避雷器进行能量吸收。

高压直流断路器的并联回路电流振荡过零方式是：利用电弧电压随电流增大而下降的非线性负电阻效应，在与电弧间隙并联的电容、电感(LC)回路中产生自激振荡，使电弧电流叠加上增幅振荡电流，从而实现总电流过零时进行遮断。由于这种方式是根据断弧间隙电弧的不稳定性，利用电弧电压波动使LC回路与电弧之间存在一个充放电过程，电弧的负阻特性使得在开断装置QB断口之间产生一个幅值不断增加的高频谐波电流当自波电流幅值达到要转换的直流电流值时，产生电流过零点，电弧熄灭，实现总电流强迫过零。但是，由于是依赖于间隙电弧的不稳定性和电弧的负阻特性而产生电流过零的，要求断路器与LC回路的参数配合要具备良好的契合。且采用这种方式的断路器即使在开断过程中电流过零后电弧又重燃，也不会对随后的电流过零点的形成造成影响。

为达到振荡过零目的，直流断路器并联电容器通常采用多支分组并联方式，常规高压直流断路器采用4串8并方式。在近年来发生的直流断路器故障事故中，曾多次发生电容器本体爆炸、引线烧毁、电缆头击穿等恶性事故，对电网的安全稳定运行构成了极大的威胁，并严重的影响到了直流负荷的持续输送，对人员的人身安全也构成了极大的威胁。这些事故的产生，究其原因是由于并联电容器组在断路器的投切过程产生了严重的过电压。现场运行表明，由于直流装置发生的异常故障，如直流线路过电压、阀短路、交直流碰线等，会导致直流保护动作，自动进行直流断路器的分合操作，此时直流断路器并联电容器的运行特性会发生异常，分支电容器两端会承受严重的过电压，从而对电容器设备内部产生一定程度的损耗。如果电容器由于设备自身材料缺陷或受热、受潮等异常运行工况等原因，导致电容器承受的损耗超过自身耐受水平，不能持续完成对应断路器的振荡过零过程。

直流断路器并联电容器如果出现严重的内部故障，可能会出现电容器外壳鼓肚变形、渗漏油、温度过高等现象，运维人员可以及时发现并进行处理。但在本发明提出之前，缺乏有效的手段提前检测出运行工况趋向异常的并联电容器。如果在电容器劣化早期进行发现处理，例如利用直流装置的年度例行检修进行集中检查处理，可以有效避免由于直流断路器并联电容器工作异常导致的直流装置停运事故。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测装置，能够对采集到的流过每支电容器的电流进行对比分析，从而及时发现出现异常不平衡电流的电容器，提前将故障电容器进行检修更换处理；

本发明的目的之二是提供一种高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测监测方法，能够尽早发现运行工况异常的电容器。

一种高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测装置，其特别之处在于：包括至少一个无线电流传感录波装置，该所有无线电流传感录波装置均通过无线方式与数据采集单元连接，从而将采集到的测量点的瞬时电流数据波形无线传送至数据采集单元，该数据采集单元通过无线或有线方式与计算分析平台连接，从而由计算分析平台对前述瞬时电流数据波形进行分析处理并且在发现异常时给出提示。

其中无线电流传感录波装置采用带有无线通信功能的故障录波器，计算分析平台采用计算机。

一种高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

(1)当换流站的测控装置接收到直流断路器分闸或合闸的操作指令以后，立即发送启动指令给权利要求1中记载的监测装置的数据采集单元；

(2)当数据采集单元收到启动指令以后立即发送启动指令给所有的无线电流传感录波装置，从而使其进入运行状态；

(3)当任意一个无线电流传感录波装置根据电流的突变检测到并联电容器的动作之后，将发生电流突变时刻的时间标签通过数据采集单元发送给计算分析平台；

(4)当计算分析平台在收到无线电流传感录波装置发来的突变量启动的时间标签以后，会根据该时间标签从所有无线电流传感录波装置调取与该时间同步的电流波形；

(5)计算分析平台根据所有无线电流传感录波装置时间同步的电流波形和并联电容器拓扑结构计算流过每一支电容器的动作电流，并且根据这些电流值计算并联电容器的电流分布不均匀系数β；

该电流分布不均匀系数β具体定义为：β＝nImax/Iarr；式中Iarr为总电流峰值，Imax为通过任意支路电容的最大电流峰值，n为并联电容数；

(6)计算分析平台进行判断，若任意一支并联电容器的电流分布不均匀系数β＞2.5％，则向监控后台发出报警，提示对应支路电容器的运行特性异常。

经过试用证明，采用本发明的装置和方法后，可以通过采集、分析各支路电容器的电流参数，分析判断流过各支并联电容器的不平衡电流差值是否接近异常范围，可以尽早发现运行工况异常的电容器，并及时进行检修更换处理，从而有效提高高压直流输电装置的运行可靠性。

附图说明

附图1为本发明的电路原理示意图。

具体实施方式

如附图1所示，本发明包括三部分：无线传感录波装置，具体可以采用现有常规的带有无线通信功能的故障录波器，然后安装于直流断路器并联电容器的各支路电容器引线处，与直流断路器并联电容器所在设备区的数据采集单元进行无线通讯；数据采集单元与计算分析平台通过光纤连接，负责数据及指令的中转传输；计算分析平台的后台软件可以横向比较流过各支电容器的不平衡电流值，并判断所测量电流值是否偏离安全阈值范围的要求，从而快速准确的诊断出工作异常的电容器。本发明中的无线传感录波器可以安装于每个分支电容器的引线处。

实施例1：

本发明提供了一种高压直流断路器并联电容器电流监测装置，可以实时定位运行特性异常的直流断路器并联电容器。该直流断路器用于高压直流装置极运行与极隔离等运行状态之间的转换，以及用于转换直流大地/金属回路，其中直流断路器应包括：断路器本体、与本体并联的电容器组、电感振荡过零回路，以及用于释放断路器分合过程中生产能量的多支并联避雷器组。

本发明装置中的无线传感录波装置被设置用于在直流断路器大地/金属回线转换操作时，可以自动提前激活测量装置进行各分支电容器的电流量测量，并在操作结束后设定时间内自动进入休眠状态。无线传感录波装置被激活工作时，通过卫星对时装置与直流测控装置进行对时，保证数据传输的及时性和准确性。

本发明可以实现对高压直流断路器并联电容器的运行状态进行有效监测和分析。更具体地说，本发明是提供一种用于高压直流断路器并联电容器的实时故障监测装置，可以称之为高压直流断路器并联电容器在线监测装置。

本发明的高压直流断路器并联电容器的故障检测，可以通过分析在直流断路器分合操作瞬间，流过每一支并联电容器内部的电流特性的差异，查找出运行特性异常的电容器，并进行检查处理。可以在高压直流装置运行时，根据并联电容器每次动作时的电流流通情况，自动获取流过每支电容器的动作电流波形并进行存储，并进行分析处理。本发明提供一种基于基站/卫星对时的直流断路器并联电容器电流测量装置，利用本装置可以在高压直流断路器分合操作时，实现对电容器不平衡电流的实时监测，并对各支电容器的电流值进行横向比较，从而进行电容器故障早期诊断。

本发明装置具备无线数据传输功能，可以将测量信息传至就近的数据中转基站(也可采用户外式集中数据采集柜)，并由基站将数据远传至控制中心的电容器故障分析平台。

为了准确测量各电容器特性的一致性，需要在多支并联电容器同时承受断路器断开瞬间产生的冲击电压时，测量流过各支电容器的最小电流和最大电流，并通过计算其电流差异是否在允许的范围内(±2.5％)，查找出运行工况异常的电容器。因此，需要在高压直流装置进行直流断路器分合操作时，由控制装置自动向电容器电流测量装置(无线传感录波装置)发送激活命令，测量装置开始工作，待断路器分合操作完成后，测量装置自动进入休眠状态，待下一次装置转换操作时继续进行测量。

进一步的，本发明的高压直流断路器并联电容器在线监测装置由无线电流传感录波装置(WCS)、数据采集单元(DCU)和计算分析平台三部分组成。无线电流传感录波装置(WCS)采用带有无线通信功能的故障录波器，负责完成测量点的瞬时电流数据波形采集并经短距离无线通信传送到数据采集单元(DCU)，然后由DCU经3G/4G网络或光纤传送至后台计算分析平台(云计算平台)。云计算平台是一个可裁剪的应用平台解决方案，负责接收存储来自各节点传感器的海量数据，同时集成了必要的工具软件和应用软件。无线电流传感录波装置(WCS)、集中数据采集单元(DCU)和云计算平台一起构成一套完整的并联电容器在线监测装置。

无线传感录波装置(WCS)安装于高压直流断路器的各支路电容器引线处，与高压直流断路器所在设备区的监测基站进行无线通讯。基站与直流控制装置的测控装置通过光纤连接，负责数据及指令的中转传输。

无线电流传感录波装置采用等电位设计，无绝缘要求，可安装在设备的高、低压侧连接导线或母排等任意位置。无线电流传感录波装置采用非侵入，非破坏式的安装方式，不需要拆除设备的连接引线，安装方式简单，不影响高压直流设备的持续安全运行。无线电流传感录波装置内有大容量的存储器件，可以永久保存暂态电流录波数据，并允许远程调取15分钟以内的实时电流波形。

无线电流传感录波装置有两种工作模式，分别为待机模式和实时监测模式。其工作模式的切换由后台软件控制。在待机模式下，无线电流传感录波装置以极低的功耗运行，等待来自后台软件的启动指令。在收到了后台软件的启动指令之后，无线电流传感录波装置进入全速运行状态，即实时监测模式。在实时监测模式下，无线电流传感录波装置会持续的采样电流瞬时值并打上时间标签，一旦电流发生突变且超过预设定值，装置就会记录发生突变的时间点，并将该时间点前1个和后4个工频周波共100ms的电流波形数据存入装置内部的FLASH，同时装置会将发生电流突变事件信息上报给后台。后台软件根据需要调取各装置内的录波电流波形。此外，装置也可根据后台命令将当前时间之前一个小时之内任意时间点的电流波形发送给后台。

集中数据采集单元(DCU)作为无线电流传感录波装置和后台云软件平台之间交互数据的中转单元，负责收集来自电流传感录波装置的电流波形并远传至后台软件，同时它还根据后台软件的命令控制和管理电流传感录波装置。一台集中数据采集单元(DCU)可以控制和管理多个无线电流传感录波装置，也可以同时部署多个集中数据采集单元。

计算分析平台采用计算机或服务器，用于对在线监测采集的数据进行分析，从而查找出运行特性异常的并联电容器。该分析平台可以集成部署于换流站在线监测装置站服务器或在线监测云平台。分析软件与集中数据采集单元(DCU)之间以VPN组网，并基于TCP/IP协议通信，确保了数据通信的安全可靠。后台分析软件由Web服务程序，应用软件和数据库三部分组成。Web服务程序以Web页面的方式向运行维护管理人员提供对监测装置的管理、配置、查询等服务。

计算分析平台数据库用于保存数据波形和装置的运行参数，通过软件综合分析处理这些历史数据，进行单个电容器历史数据的纵向、多支电容器当前电流数据的横向比较，从而判断个别特性明显不同的电容器并采取替换等预防措施。

上述高压直流断路器并联电容器在线监测装置的工作过程如下:

(1)换流站测控装置接收到直流断路器分合的操作指令以后，立即发送启动指令给并联电容器工作电流在线监测装置。

(2)并联电容器工作电流在线监测装置的DCU单元收到启动指令以后立即发送启动指令给WCS。待机模式下的WCS在收到启动指令以后会立即激活整个装置进入全速运行状态。

(3)WCS根据电流的突变检测到并联电容器的动作之后，会将发生电流突变时刻的时间标签发送给后台软件。

(4)软件分析平台在收到某个WCS发来的突变量启动的时间标签(如果多个WCS同时触发会仅选取任意一个)以后会根据该时间标签从所有WCS调取时间同步的电流波形。

(5)软件分析平台根据所有WCS时间同步的电流波形和事先设置好的并联电容器拓扑结构计算流过每一支电容器的动作电流。并且根据这些电流值计算并联电容器的电流分布不均匀系数(β)。

多柱并联电容器的电流分布不均匀系数(β)定义为

β＝nImax/Iarr

式中：Iarr为总电流峰值；Imax为通过任意支路电容的最大电流峰值；n为并联电容数。

(6)软件分析平台进行判断，若任意一支并联电容器的电流分布不均匀系数(β)超过2.5％，则向监控后台发出报警，提示对应支路电容器的运行特性异常，从而实现对高压直流断路器并联电容器的实时故障监测。

总之，本装置的发明，提供了一种用于高压直流断路器电容器不平衡电流监测装置，通过准确记录特定时刻流过电气设备的暂态电流波形数据，并对这些数据进行分析处理，运维人员能够准确掌握设备运行状态，提前发现设备异常，从而采取必要的预防措施防止事故的发生。

实施例2：

例如宁夏银川东换流站直流场，共配置5台直流断路器，包括2台中性母线断路器，2台大地/金属回线转换断路器，1台站接地极断路器。上述断路器由于直流装置的例行检修以及保护动作等原因，均会进行分合操作。如果在操作过程中，2台中性母线断路器中任意1台故障，将导致直流输送功率减少2000MW；如果2台大地/金属回线转换断路器任意一台故障，将会导致双极直流装置不可用，减少输送功率4000MW。

为避免由于直流滤波器并联电容器故障导致的直流装置停运事故，银川东换流站利用年度检修停电机会，采用本发明中的并联电容器不平衡电流监测装置，对5台断路器的40台并联电容器分别加装无线电流传感采集装置，并将采集数据集中传输至控制监测后台。通过该电容器故障监测装置，对采集到的流过每支电容器的电流进行对比分析，就可以及时发现出现异常不平衡电流的电容器，从而提前将故障电容器进行检修更换处理，避免由于电容器严重劣化导致直流装置在满负荷运行时发生故障停运事故，从而进一步提高了高压直流装置的运行可靠性。

本领域技术人员认识到，本发明绝不局限于上述的实施例。其它各类电压等级的高压直流换流站或变电站的电气设备，均在在所附的权利要求的监测范围内。例如，虽然本发明已经按照包括在线电容器故障检测单元来描述，但是可以设想本发明的设计为现有高压直流断路器的其它并联设备监测实例。例如，可以设想包括并联避雷器和电抗器的运行实时监测。

Claims (3)

1.一种高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测装置，其特征在于：包括至少一个无线电流传感录波装置，该所有无线电流传感录波装置均通过无线方式与数据采集单元连接，从而将采集到的测量点的瞬时电流数据波形无线传送至数据采集单元，该数据采集单元通过无线或有线方式与计算分析平台连接，从而由计算分析平台对前述瞬时电流数据波形进行分析处理并且在发现异常时给出提示。

2.如权利要求1所述的高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测装置，其特征在于：其中无线电流传感录波装置采用带有无线通信功能的故障录波器，计算分析平台采用计算机。

3.一种高压直流断路器并联电容器不平衡电流监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)当换流站的测控装置接收到直流断路器分闸或合闸的操作指令以后，立即发送启动指令给权利要求1中记载的监测装置的数据采集单元；

(2)当数据采集单元收到启动指令以后立即发送启动指令给所有的无线电流传感录波装置，从而使其进入运行状态；

(3)当任意一个无线电流传感录波装置根据电流的突变检测到并联电容器的动作之后，将发生电流突变时刻的时间标签通过数据采集单元发送给计算分析平台；

(4)当计算分析平台在收到无线电流传感录波装置发来的突变量启动的时间标签以后，会根据该时间标签从所有无线电流传感录波装置调取与该时间同步的电流波形；

(5)计算分析平台根据所有无线电流传感录波装置时间同步的电流波形和并联电容器拓扑结构计算流过每一支电容器的动作电流，并且根据这些电流值计算并联电容器的电流分布不均匀系数β；

该电流分布不均匀系数β具体定义为：β＝nImax/Iarr；式中Iarr为总电流峰值，Imax为通过任意支路电容的最大电流峰值，n为并联电容数；

(6)计算分析平台进行判断，若任意一支并联电容器的电流分布不均匀系数β＞2.5％，则向监控后台发出报警，提示对应支路电容器的运行特性异常。