CN107024645A - 基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法，依次包括以下步骤：步骤1：选定故障接地极线路，根据prony信号分析，得出因过电压击穿后的故障电压波形的振荡频率fz；步骤2：根据接地极线路首端电压的传递函数，得到电压振荡频率fz与接地极线路电感L之间的关系曲线；步骤3：根据步骤2中，电压振荡频率fz与接地极线路电感C之间的关系曲线，得到振荡频率fz对应的接地极线路电感L；步骤4：遍历不同故障距离对应的接地极线路等效阻抗，得到接地极线路电感与故障距离之间的关系曲线；步骤5：根据步骤4中，接地极线路电感与故障距离之间的关系曲线，得到接地极线路电感L3对应的故障距离d，实现过电压击穿点定位。

Description

基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法

技术领域

本发明涉及一种过电压击穿点定位方法，具体涉及基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法。

背景技术

目前，在特高压直流系统发生单极故障后，接地极线路将流过较大的故障电流，这一暂态过程将导致接地极线路出现过电压。若接地极线路沿线存在绝缘薄弱点或接地极线路的绝缘配置不当，极易导致接地极线路发生过电压击穿，导致直流电流未经接地极而直接入地，引发后续控制保护动作，严重时甚至会造成直流闭锁。实际特高压直流工程中已多次出现接地极线路过电压击穿的情况。在接地极线路发生过电压击穿后，若能准备判断击穿点位置，则有助于运维人员查找绝缘薄弱点，处理相应的绝缘缺陷，避免再次出现接地极线路过电压击穿。

然而，直流接地极线路上没有配置专门的故障定位装置，无法在接地极线路发生过电压击穿后进行击穿点定位，只能依靠人工巡线查找过电压击穿点，费时费力。对于瞬时性故障，若击穿痕迹不明显，甚至查找不到故障点，给故障的进一步处理带来困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是直流接地极线路上没有配置专门的故障定位装置，无法在接地极线路发生过电压击穿后进行击穿点定位，目的在于提供基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法，解决直流接地极线路上没有配置专门的故障定位装置，无法在接地极线路发生过电压击穿后进行击穿点定位的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法，依次包括以下步骤：步骤1：根据直流系统参数和接地极线路参数，得到接地极线路首端电压的传递函数表达式步骤2：按不同的接地极线路长度对应的线路总电感L₃，遍历接地极线路首端电压传递函数H(s)，传递函数H(s)的极点包含着电压的振荡频率fz，由此得到不同的接地极线路总电感L₃与振荡频率fz之间的关系曲线L₃-fz。步骤3：按不同的接地极线路过电压击穿距离x，遍历接地极线路等效电感L，得到击穿距离x与接地极线路等效电感L的对应关系曲线x-L。

步骤4：选定故障接地极线路，根据prony信号分析，得出因过电压击穿后的故障电压波形的振荡频率fz1。步骤5：根据L₃-fz曲线，查找故障后电压振荡频率fz1对应的接地极线路总电感L₃₁。步骤6：根据x-L曲线，查找接地极线路总电感L₃₁对应的击穿距离x。本发明所要解决的技术问题是直流接地极线路上没有配置专门的故障定位装置，无法在接地极线路发生过电压击穿后进行击穿点定位，提供了基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法，根据上述步骤可得出最终的过电压击穿点。

其中，步骤1中的传递函数公式的推导过程如下所示：

如图1所示，当特高压直流输电工程出现单极故障时，在换流器闭锁前，故障电流将通过整流侧换流器CSr、极线平波电抗器La、直流线路故障点f、送端接地极址g、接地极引线、中性极线平波电抗器Lb形成回路。在换流器控制系统以及回路中线路集中式电容、电感等元件作用下，该回路中的电压、电流在故障后将产生较为复杂的响应过程，并导致过电压等现象的出现。

建立故障回路的等值电路如图2所示，L₁为极母线平波电抗器电感和回路中直流线路电感之和，R₁为回路中直流线路电阻，L₂为接地线平波电抗器电感，L₃为送端接地引线电感，C₃表征换流站中性极线吸收电容。为校核高端特定故障对接地极特定节点电压的影响，令Us1为故障极整流侧换流器出口电压，Us2为故障点正常运行时直流电压。由于忽略故障期间健全极的电流扰动，健全极可以用电流源Is加以替代。在该等值电路中，单极故障可以通过由Us2正常电压阶跃至0，即S1突然闭合而产生的阶跃响应加以模拟。

当故障发生后，对于图2所示的电路，可以等效为正常回路与故障附加回路的叠加，如图3，图4所示。根据叠加定理，实际回路中电压、电流等物理量等于正常回路及故障分量附加回路对应物理量之和。

图4中，△Us1为故障极整流侧换流器出口电压的故障分量，△Us2为故障点电压的故障分量，△Id为故障极电流的故障分量，而△Ij则为正常极转带过来的电流。

选定接地点，C点为参考零电位，在双极平衡运行工况下，运用节点电压法可得B点电压UB满足：

由此可以得到

U_A＝U_B＝0

I_g＝0

U_s2-U_s1＝I_sR₁ (2)

其中，A点电压UA即为接地极引线的首端电压。

当特高压直流双极平衡运行时，接地极引线电压U_A＝0。因此，特高压直流单极故障时，接地极引线首端电压的电压即为其故障分量电压。

为了对故障分量回路进行求解，首先需要得到故障极直流电流的表达式。

当F点出现金属性短路时，F点电压满足

U_s2(s)+ΔU_s2(s)＝0 (3)

因此，

式中，Us20是F点故障前的稳态电压。

基于特高压直流准稳态模型，故障后D点电压满足

U_s1+ΔU_s1＝U_di0cosα-d_rI_d (5)

式中，U_di0为故障极整流侧空载理想电压，α为触发角，dr为换相电抗，Id为故障极直流电流。

而故障前D点电压则满足

U_s1＝U_di0cosα₀-d_rI_d0 (6)

α0为正常运行时初始触发角，Id0为正常运行时故障极直流电流。

因此，

ΔU_s1＝U_di0[cos(α₀+Δα)-cos(α₀)]-d_rΔI_d (7)

式中，Δα为触发角的变化量。

由错误！未找到引用源。可知，故障后整流器直流侧电压发生突变，主要有如下两点原因：

1)直流系统故障时，直流侧电流发生较大变化，导致系统侧压降明显增加，同时换相电压降也随着关断角γ的增加而增加。

2)由于直流电流增加，直流侧控制保护系统发生作用，使得整流器触发角也随之变化。根据电流控制原理，触发角满足

Δα＝-k_pΔI_d-k_I∫ΔI_d(t)dt (8)

式中，kp和kI分别是直流电流控制环的PI参数。

将错误！未找到引用源。带入错误！未找到引用源。并利用泰勒公式线性化，可知

令

对上式进行拉普拉斯变换，可得

而由图4可知，

即：

其中：

由此可见，接地极引线换流站出口处过电压的表达式则可以表达为：

上式即给出了特高压直流单极故障时，接地极引线首端A点电压的响应，其时域解的最大值即为接地极引线过电压的峰值。接地极线路首端电压的传递函数为

具体地，所述步骤2中接地极线路总电感L₃与振荡频率fz之间的关系曲线L₃-fz，具体计算过程为：

传递函数的极点则决定了电压响应曲线的振荡频率。

当接地极引线因过电压击穿时，由于击穿位置不同，公式(16)中接地极引线总电感L₃发生了变化，由线路全长的电感变成了线路故障距离对应的电感，进而导致电压响应曲线的振荡频率发生了变化，即接地极引线因单极故障发生过电压击穿时，接地极引线的电压振荡频率与故障距离对应的接地极引线电感L₃有关。

将接地极引线电感L₃以0.1mH为步长，从0.1mH到1.1倍线路全长对应的电感值之间进行遍历，将遍历的电感值代入公式(15)，由传递函数的极点得到不同线路电感下电压响应曲线的振荡频率，即得到振荡频率与接地极线路电感之间的关系曲线L₃-fz。

具体地，所述步骤3中击穿距离x与接地极线路等效电感L的对应关系x-L，具体推导过程为：

接地极引线在不同位置发生击穿故障时，接地极引线首端测得的线路电感也不相同。当接地极引线因过电压发生击穿故障时，通常是单回线故障。接地极引线是两回线并列运行，设线路全长为l，单回线路在距线路首端x km处发生击穿故障时，接地极线等效电路如图5所示。图5中，Rf为过渡电阻，Z1、Y1和Z2、Y2是分别是故障回线的等效阻抗和等效导纳，Z、Y为健全回线的等效阻抗和等效导纳，其计算公式为

式中，ZC为接地极引线特征阻抗，γ为接地极引线传播系数。

图5进一步简化为图6。图6中各变量的表达式如下

经电路等效变换将图6进一步变换为图7所示等效电路。其中，

由图7可得等效阻抗Zeq的计算公式为

将击穿距离x以0.1km的步长，从1km到线路全长进行遍历，将击穿距离x代入等效阻抗Zeq，得到不同击穿距离下的等效阻抗，继而得到不同击穿距离下的线路等效电感L，即得到击穿距离x与接地极线路等效电感L的对应关系x-L曲线。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法，填补现有直流接地极线路击穿点定位方法的空白，本方法能够可靠快速地定位出接地极线路故障击穿点；

2、本发明基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法，在发生过电压击穿后可快速定位击穿点，有效节省了人力物力，对于及时处理绝缘缺陷、保证直流系统的安全运行有重要作用；

3、本发明基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法，本发明不需增加额外的数据采样装置，对故障录波的采样率要求不高，利用极中性上的直流分压器和实际直流系统的故障录波装置即可完成数据收集工作，进而实现击穿点定位。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明特高压直流运行单极结构示意图；

图2为本发明故障电流流通回路等值电路图；

图3为本发明等效为正常回路叠加电路图；

图4为本发明等效为故障分量附加回路叠加电路图；

图5为本发明接地极引线单回线路故障时等效电路图；

图6为本发明单回线路故障时接地极线化简电路图；

图7为本发明单回线路故障时接地极线二次化简电路图；

图8为本发明接地极线路总电感与电压振荡频率之间的关系曲线图L₃-fz；

图9为本发明故障击穿距离与线路等效电感之间的关系曲线图；

图10为本发明宾金直流接地极引线击穿期间引线过电压波形图；

图11为本发明宾金直流接地极引线击穿期间引线过电压波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

首先根据图1到图7所示，推导的传递函数公式和电压振荡频率fz与接地极线路总电感L₃之间的关系曲线L₃-fz；

其中，步骤1中的传递函数公式的推导过程如下：如图1所示，当特高压直流输电工程出现单极故障时，在换流器闭锁前，故障电流将通过整流侧换流器CSr、极线平波电抗器La、直流线路故障点f、送端接地极址g、接地极引线、中性极线平波电抗器Lb形成回路。在换流器控制系统以及回路中线路集中式电容、电感等元件作用下，该回路中的电压、电流在故障后将产生较为复杂的响应过程，并导致过电压等现象的出现。

建立故障回路的等值电路如图2所示，L₁为极母线平波电抗器电感和回路中直流线路电感之和，R₁为回路中直流线路电阻，L₂为接地线平波电抗器电感，L₃为送端接地引线电感，C₃表征换流站中性极线吸收电容。为校核高端特定故障对接地极特定节点电压的影响，令Us1为故障极整流侧换流器出口电压，Us2为故障点正常运行时直流电压。由于忽略故障期间健全极的电流扰动，健全极可以用电流源Is加以替代。在该等值电路中，单极故障可以通过由Us2正常电压阶跃至0，即S1突然闭合而产生的阶跃响应加以模拟。

当故障发生后，对于图2所示的电路，可以等效为正常回路与故障附加回路的叠加，如图3，图4所示。根据叠加定理，实际回路中电压、电流等物理量等于正常回路及故障分量附加回路对应物理量之和。

图4中，△Us1为故障极整流侧换流器出口电压的故障分量，△Us2为故障点电压的故障分量，△Id为故障极电流的故障分量，而△Ij则为正常极转带过来的电流。

选定接地点，C点为参考零电位，在双极平衡运行工况下，运用节点电压法可得B点电压UB满足：

由此可以得到

U_A＝U_B＝0

I_g＝0

U_s2-U_s1＝I_sR₁ (21)

其中，A点电压UA即为接地极引线的首端电压。

当特高压直流双极平衡运行时，接地极引线电压U_A＝0。因此，特高压直流单极故障时，接地极引线首端电压的电压即为其故障分量电压。

为了对故障分量回路进行求解，首先需要得到故障极直流电流的表达式。

当F点出现金属性短路时，F点电压满足

U_s2(s)+ΔU_s2(s)＝0 (22)

因此，

式中，Us20是F点故障前的稳态电压。

基于特高压直流准稳态模型，故障后D点电压满足

U_s1+ΔU_s1＝U_di0cosα-d_rI_d (24)

式中，U_di0为故障极整流侧空载理想电压，α为触发角，dr为换相电抗，Id为故障极直流电流。

而故障前D点电压则满足

U_s1＝U_di0cosα₀-d_rI_d0 (25)

α0为正常运行时初始触发角，Id0为正常运行时故障极直流电流。

因此，

ΔU_s1＝U_di0[cos(α₀+Δα)-cos(α₀)]-d_rΔI_d (26)

式中，Δα为触发角的变化量。

由错误！未找到引用源。可知，故障后整流器直流侧电压发生突变，主要有如下两点原因：

1)直流系统故障时，直流侧电流发生较大变化，导致系统侧压降明显增加，同时换相电压降也随着关断角γ的增加而增加。

2)由于直流电流增加，直流侧控制保护系统发生作用，使得整流器触发角也随之变化。根据电流控制原理，触发角满足

Δα＝-k_pΔI_d-k_I∫ΔI_d(t)dt (27)

式中，kp和kI分别是直流电流控制环的PI参数。

将错误！未找到引用源。带入错误！未找到引用源。并利用泰勒公式线性化，可知

令

对上式进行拉普拉斯变换，可得

而由图4可知，

即：

其中：

由此可见，接地极引线换流站出口处过电压的表达式则可以表达为：

上式即给出了特高压直流单极故障时，接地极引线首端A点电压的响应，其时域解的最大值即为接地极引线过电压的峰值。

接地极线路首端电压的传递函数为

具体地，所述步骤2中接地极线路总电感L₃与振荡频率fz之间的关系曲线L₃-fz，具体计算过程为：

传递函数的极点则决定了电压响应曲线的振荡频率。

当接地极引线因过电压击穿时，由于击穿位置不同，公式(16)中接地极引线总电感L₃发生了变化，由线路全长的电感变成了线路故障距离对应的电感，进而导致电压响应曲线的振荡频率发生了变化，即接地极引线因单极故障发生过电压击穿时，接地极引线的电压振荡频率与故障距离对应的接地极引线电感L₃有关。

将接地极引线电感L₃以0.1mH为步长，从0.1mH到1.1倍线路全长对应的电感值之间进行遍历，将遍历的电感值代入公式(15)，由传递函数的极点得到不同线路电感下电压响应曲线的振荡频率，即得到振荡频率与接地极线路电感之间的关系曲线L₃-fz。

具体地，所述步骤3中击穿距离x与接地极线路等效电感L的对应关系x-L，具体推导过程为：

接地极引线在不同位置发生击穿故障时，接地极引线首端测得的线路电感也不相同。当接地极引线因过电压发生击穿故障时，通常是单回线故障。接地极引线是两回线并列运行，设线路全长为l，单回线路在距线路首端x km处发生故障时，接地极线等效电路如图5所示。图5中，Rf为过渡电阻，Z1、Y1和Z2、Y2是分别是故障回线的等效阻抗和等效导纳，Z、Y为健全回线的等效阻抗和等效导纳，其计算公式为

式中，ZC为接地极引线特征阻抗，γ为接地极引线传播系数。

图5进一步简化为图6。图6中各变量的表达式如下

经电路等效变换将图6进一步变换为图7所示等效电路。其中，

由图7可得等效阻抗Zeq的计算公式为

将击穿距离x以0.1km的步长，从1km到线路全长进行遍历，将击穿距离x代入等效阻抗Zeq，得到不同击穿距离下的等效阻抗，继而得到不同击穿距离下的线路等效电感L，即得到击穿距离x与接地极线路等效电感L的对应关系x-L曲线。

其次本发明方法的实施例涉及到的工程参数如表1和表2所示。

表1直流系统相关参数

表2接地极线路单位长度参数

最终，由表1和表2参数计算得到的振荡频率与接地极线路电感之间的关系曲线和线路电感与故障距离之间的关系曲线分别如图8图9示。

使用时：如图8-10所示；宾金直流逆变侧绝缘套管击穿引发整流侧接地极引线绝缘击穿故障，中性极母线上的电压波形如图10。利用prony算法对图10的电压波形进行振荡频率估计，得到振荡频率为380Hz，由图8知对应的线路电感为0.0099H，进而根据图9到故障距离约为4.4公里。而宾金直流7.13事件中，发现11#杆塔左侧导线挂点正下方的杆塔接地引线有大电流通过痕迹，判断在11#杆塔处发生过电压击穿。接地极引线的平均档距为400m，11#杆塔距离换流站距离为4.4公里，与定位的距离基本一致。

实施例2：

与实施例1不同之处在于；使用时：如图8、图9、图11所示；宾金直流极2线路故障引发整流侧接地极引线绝缘击穿故障，中性极母线上的电压波形如图11。利用prony算法对图11的电压波形进行振荡频率估计，得到振荡频率为550Hz，由图8知对应的线路电感为0.0047H，进而根据图9到故障距离约为2公里。而宾金直流4.16事件中，经过巡线，发现实际击穿点距换流站1.8公里。利用振荡频率得到的击穿点定位结果与实际距离相差0.2公里。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于电压振荡频率的接地极线路过电压击穿点定位方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

步骤1：根据直流系统参数和接地极线路参数，得到接地极线路首端电压的传递函数表达式其中；L₁为极母线平波电抗器电感和回路中直流线路电感之和，R₁为回路中直流线路电阻，L₂为接地线平波电抗器电感，L₃为送端接地引线电感，U_di0为故障极整流侧空载理想电压；kp和kI分别是直流电流控制环的PI参数；dr为换相电抗；

步骤2：按不同的接地极线路长度对应的线路总电感L₃，遍历接地极线路首端电压传递函数H(s)，传递函数H(s)的极点包含着电压的振荡频率fz，由此得到不同的接地极线路总电感L₃与振荡频率fz之间的关系曲线L₃-fz；

步骤3：按不同的接地极线路过电压击穿距离x，遍历接地极线路等效电感L，得到击穿距离x与接地极线路等效电感L的对应关系曲线x-L；

步骤4：选定故障接地极线路，根据prony信号分析，得出因过电压击穿后的故障电压波形的振荡频率fz1；

步骤5：根据L₃-fz曲线，查找故障后电压振荡频率fz1对应的接地极线路总电感L₃₁；

步骤6：根据x-L曲线，查找接地极线路总电感L₃₁对应的击穿距离x。