CN108110740A - 一种直流断路器失灵保护方法 - Google Patents

一种直流断路器失灵保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流断路器失灵保护方法，包括以下步骤：直流线路保护动作，发出直流断路器跳闸信号，同时启动断路器失灵保护；延时ΔT1后，采集直流母线电压Ub和线路侧电压Ul，并计算ΔT2时间内二者差值的平均值Ek；判断是否满足Ek＞Eset；如果满足，则判定断路器成功断开，保护返回；如果不满足，则判定断路器未成功断开，断路器失灵保护动作，向与本母线相连的其余断路器发出跳闸信号，向本端换流器发出闭锁信号。本发明方法不需要采用直流断路器内部的信息，仅依靠母线电压和直流断路器线路侧的电压即能可靠判别断路器是否成功动作。

Description

一种直流断路器失灵保护方法
技术领域
本发明涉及直流输电继电保护技术领域，特别涉及一种直流断路器失灵保护方法，适用于采用直流断路器的直流电网的直流断路器失灵保护。
背景技术
风能、太阳能等新能源发电具有间歇性、随机性等特点，其大规模并网时会对传统电力网络产生冲击，降低电网的经济性和可靠性。基于柔性直流输电技术的多端直流输电系统和直流电网能有效地解决这一问题。同时，随着混合断路器技术的进步和对直流系统可靠性要求的提高，在线路两侧配置直流断路器的直流电网方案成为了优选方案。在此类直流网络中，网络单点故障时不再需要停运整个直流系统，而是由直流断路器隔离故障区域，保全健全部分。目前，学术界已提出了大量快速线路保护的方法。除了快速主保护外，为保证可靠性，还需要配置相应的快速后备保护，当断路器由于各类原因拒动时，由断路器失灵保护隔离故障区域，防止故障蔓延至网络其余部分。
在传统的交流系统中，断路器失灵保护一般通过检测线路电流的大小判断故障是否清除，并且设置较长时间的延迟以躲开主保护的动作时间。在直流电网中，断路器的失灵保护也可以通过检测线路电流的大小来判断断路器是否断开。然而基于电流检测的方法所需时间较长，保护时间窗长度需大于线路电流衰减至门槛值以下的时间。若断路器未成功断开，在保护时间窗内，线路电流很容易上升到相当严重的程度，甚至导致非故障区域换流站闭锁，降低了直流系统的可靠性。而基于断路器内部信息测量的失灵保护方案，虽然检测速度较高，但该方法依赖于断路器设计和内部信息量，不具有通用性。因此，提出一种快速、适用性广的直流断路器失灵保护方法显得非常必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种直流断路器失灵保护方法，防止直流断路器失灵后线路故障得不到及时切除而导致故障范围扩大。本方法不需要采用直流断路器内部的信息，仅依靠母线电压和直流断路器线路侧的电压即能可靠判别断路器是否成功动作。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种直流断路器失灵保护方法，包括以下步骤：
4)直流线路保护动作，发出直流断路器跳闸信号，同时启动断路器失灵保护；
5)延时ΔT1后，采集直流母线电压Ub和线路侧电压Ul，并计算ΔT2时间内二者差值的平均值Ek；其中，ΔT1为设定延时时间，需大于所安装直流断路器的固有动作时间；ΔT2为平均值计算的时间窗长度；
6)判断是否满足Ek＞Eset；如果满足，则判定断路器成功断开，保护返回；如果不满足，则判定断路器未成功断开，断路器失灵保护动作，向与本母线相连的其余断路器发出跳闸信号，向本端换流器发出闭锁信号；其中，Eset为断路器失灵保护判据门槛值。
优选的，步骤2)中ΔT2可取2-3ms。
优选的，步骤2)中，Ek计算公式为：
其中N为ΔT2内的采样点个数，Ub(i)表示第n个采样点的母线电压瞬时值，Ul(i)表示第n个采样点的线路侧电压瞬时值。
优选的，步骤3)中，Eset为断路器失灵保护判据门槛值，其整定原则为区内金属性故障下断路器成功断开后的最小Ek值乘以可靠系数，即：
Eset＝krel·Ek,min
其中，krel为可靠系数，数值小于1。
本方法采用直流母线侧与线路侧的电压差值作为断路器失灵判别量。线路故障发生后，当断路器未断开时，此电压差值为线路限流电抗器上的压降，由于线路阻抗、桥臂电抗等的分压作用，此电压差值将小于线路额定电压；当断路器成功断开时，直流断路器中的避雷器串入线路，此电压差值将包含限流电抗器压降以及避雷器电压，由于避雷器电压较高，此电压差值也将维持在较高水平，直至稳定至线路额定电压。利用以上所述电压差值的特征，可以判别直流断路器是否成功断开。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、具有普适性：无需采用断路器内部信息，仅依靠母线侧电压和线路侧电压即可完成断路器失灵判别，因此适用于不同种类的直流断路器。
2、保护时间窗短：相比基于电流量的判别方法，利用电压量实现断路器失灵判别所需的动作时间较短，无需等待电流完全衰减，有利于迅速隔离故障。
3、保护原理简单易实现，取平均值的做法有利于提高可靠性。
附图说明
图1为实施例方法的流程图。
图2为实施例的直流网络模型。
图3为实施例的断路器失灵保护电压测量点示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种直流断路器失灵保护方法，本方法的流程图如图1所示。本实施例中，采用PSCAD/EMTDC仿真软件，构建直流网络模型，如图2所示，直流网络主要由四个换流站、直流线路和直流断路器等构成，所有换流站均采用半桥型子模块的换流器，采用伪双极接线方式，额定直流电压为±320kV。直流线路采用架空线路依频模型。直流断路器的固有开断时间为2ms。断路器失灵保护的电压测量点示意图如图3所示，保护采样频率为10kHz。
直流断路器失灵保护包括以下步骤：
1)直流线路保护动作，发出直流断路器跳闸信号，同时启动断路器失灵保护；
2)延迟固定时间ΔT1后，计算母线电压Ub于线路电压Ul的差值，并计算其在ΔT2内的平均值Ek；
其中，由于本实施例中的断路器固有开断时间为2ms，ΔT1在本实施例中设为2.5ms；ΔT2设置为2ms，由此N等于20。
3)判断是否满足Ek＞Eset；如果满足，则判定断路器成功断开，保护返回；如果不满足，则判定断路器未成功断开，断路器失灵保护动作。
分别设置线路L14在距换流器1侧不同距离处发生极间短路故障，故障发生时间均为t＝0.71s。直流线路L14位于换流器1侧的线路主保护在t＝0.712s检测出故障，向断路器B14发出跳闸信号，并启动断路器失灵保护。延迟2.5ms后，采集母线电压和线路电压，计算母线电压Ub与线路电压Ul的差值在2ms内的平均值。每次故障均设置了断路器成功断开与断路器未成功断开两种情况，其Ek的输出结果如表1所示。
表1
由表1的仿真结果可以看出，对于同一故障，直流断路器断开后的Ek远大于直流断路器未断开时的Ek。由于首端故障时断路器断开后的Ek值最小，为706.5kV，取可靠系数为0.8，则保护门槛值为565.2kV。按照门槛值进行直流断路器失灵判别，对于不同位置的故障都能正确完成断路器失灵判别，效果良好。
对于架空线路，短路故障发生时或伴随着过渡电阻。因此对首端故障设置一定范围的过渡电阻，以检验本方法的耐受过渡电阻能力，其断路器成功断开后的Ek的输出结果如表2所示。由输出结果可以看出，随着过渡电阻的增大，Ek值有所下降。本保护方法在高达300Ω过渡电阻下仍能可靠动作，耐受过渡电阻性能良好。
表2
过渡电阻/Ω 20 50 100 150 200 250 300
Ek/断开 648.9 623.6 584.0 601.6 604.3 591.8 578.1
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种直流断路器失灵保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)直流线路保护动作，发出直流断路器跳闸信号，同时启动断路器失灵保护；
2)延时ΔT1后，采集直流母线电压Ub和线路侧电压Ul，并计算ΔT2时间内二者差值的平均值Ek；其中，ΔT1为设定延时时间，需大于所安装直流断路器的固有动作时间；ΔT2为平均值计算的时间窗长度；
3)判断是否满足Ek＞Eset；如果满足，则判定断路器成功断开，保护返回；如果不满足，则判定断路器未成功断开，断路器失灵保护动作，向与本母线相连的其余断路器发出跳闸信号，向本端换流器发出闭锁信号；其中，Eset为断路器失灵保护判据门槛值。
2.根据权利要求1所述的直流断路器失灵保护方法，其特征在于，步骤2)中ΔT2可取2-3ms。
3.根据权利要求1所述的直流断路器失灵保护方法，其特征在于，步骤2)中，Ek计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>U</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中N为ΔT2内的采样点个数，Ub(i)表示第n个采样点的母线电压瞬时值，Ul(i)表示第n个采样点的线路侧电压瞬时值。
4.根据权利要求1所述的直流断路器失灵保护方法，其特征在于，步骤3)中，Eset为断路器失灵保护判据门槛值，其整定原则为区内金属性故障下断路器成功断开后的最小Ek值乘以可靠系数，即：
Eset＝krel·Ek,min
其中，krel为可靠系数，数值小于1。
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