CN108957307A - 一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法，包括以下具体步骤，完成试验接线，闭合试验辅助开关QD，利用直流试验电源DC对振荡回路中的电容器组进行充电，直至试验电压；断开试验辅助开关QD，之后闭合直流转换开关中的开断装置QB，利用数据采集系统记录回路的振荡电流波形和电容两端的电压波形；若所测振荡电流、电压波形出现中断或畸变，适当提升试验电压，重复上述步骤，直至测得完整无中断、无畸变波形；根据振荡特性计算公式，得到回路等效电感值、回路等效电容值和回路阻尼电阻值。本发明可及时全面的综合分析并诊断直流转换开关早期缺陷，对直流转换开关的设备状态及直流转换能力进行准确评价与判断，保障超、特高压直流跨区电网的安全稳定运行。

Description

一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法

技术领域

本发明涉及一种对高压直流转换开关有源型、无源型振荡回路特性参数测 量的方法，具体为一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法。

背景技术

我国能源与负荷逆向分布，其中煤炭资源保有储量的76％分布在北部地区； 水能资源的80％分布在西部地区；陆地风能主要集中在北部地区，但2/3以上 的能源需求集中在中东部地区。根据国家能源发展规划，大规模发展高压直流 输电技术，是实现远距离、大容量的能源资源高效配置的重要途径。国家电网 公司±800kV特高压直流工程已投运建成5回，正在建设5回，规划建设7回， 并将直流电压进一步提升至±1100kV。

各电压等级换流站内均装有直流转换开关，是直流输变电工程的重要设备。 直流转换开关主要作用是改变直流系统的运行方式及隔离直流侧出现的故障， 包括金属回路转换开关(MRTB)、大地回路转换开关(GRTS)、中性母线开关 (NBS)、中性母线接地开关(NBGS)等类型。由于直流电流的开断无类似于 交流电流的可利用电流过零点，因此开断直流电流需强迫过零，通过振荡回路 在直流电流上叠加振荡电流方式，实现过零遮断。

因此，直流转换开关的振荡特性关系到直流电流转换的成败，对于准确掌 握直流转换开关回路状态信息，及时全面的综合分析并诊断早期缺陷，对直流 转换开关的设备状态及直流转换能力进行准确评价与判断，保障超、特高压直 流跨区电网的安全稳定运行具有重要作用。

在直流电流转换过程中，由于直流电流自身无零点，必须通过振荡回路的 高频电流信号来产生零点，因此直流开关的开断能力与振荡回路的参数是息息 相关的。振荡回路的回路等效电容、回路等效电感、回路阻尼电阻、衰减时间 常数任何一个发生变化时都会影响到高频电流信号的幅值、振荡频率以及衰减 速度，只有当振荡回路参数、避雷器组吸收能量与开断元件的电弧特性有良好 配合时才能保证直流开关在要求的时间内成功开断。

目前，在现场测量方法时，试验方法一般为利用直流试验电源对振荡回路 中的电容器组进行充电，直至试验电压。然后，断开试验辅助开关QD，之后闭 合直流转换开关中的开断装置QB，利用电流传感器、数据采集系统记录回路的 振荡电流波形。最后，利用电容测量装置测量电容器组的电容值。

上述测量方法存在以下不足：

(1)回路等效电容、回路等效电感、回路阻尼电阻、衰减时间常数等振荡 参数的计算，均基于所采集的振荡电流波形，数据来源单一，且无法互相印证。 由于电流传感器输出波形中存在零漂现象，即在没有电流通过时，电流传感器 的输出端口也会输出一定数值的信号值，仅依靠电流传感器采集的振荡电流波 形进行计算，误差较大。

(2)计算回路等效电感值和回路阻尼电阻值的前提是必须知道回路等效电 容。但现场试验时一般是使用电容测试仪器测量电容器组的电容值，所测结果 为电容器组与开断装置断口并联电容之和，相对于真实的回路等效电容，存在 一定的误差，会导致后续计算的结果误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法， 通过提出一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法，解决了现有测量 数据来源单一、准确度不高的技术问题，有效指导开展直流转换开关振荡特性 现场测量工作的开展。

本发明的技术方案：

一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法，包括以下具体步骤，

分别对有源式直流转换开关和无源式直流转换开关完成试验接线，对于有 源式直流转换开关，断开单极合闸开关QD1，将振荡回路电容充分放电，直至电 容电压为零；

闭合试验辅助开关QD，利用直流试验电源DC对振荡回路中的电容器组进行 充电，直至试验电压，试验电压不低于250V，不应高于直流转换开关各部件额 定电压；

断开试验辅助开关QD，之后闭合直流转换开关中的开断装置QB，利用数据 采集系统记录回路的振荡电流波形和电容两端的电压波形；

若所测振荡电流、电压波形出现中断或畸变，适当提升试验电压，重复上 述步骤，直至测得完整无中断、无畸变波形；

根据振荡特性计算公式，得到回路等效电感值、回路等效电容值和回路阻 尼电阻值。

开断装置QB闭合后放电回路方程为

求解该方程得

式中

令则由公式(3)可求出第n个电流峰值i_pn所对应的时间t_pn

由于t＝0时i＝0，因此电流曲线中第n个i＝0的点所对应的时间t_cn必然满 足如下关系

将公式(6)代入公式(5)可得

R、L和C分别为振荡回路的阻尼电阻、等效回路电感和等效回路电容，t为 时间，U₀为充电电压，ω为振动角频率，n为整数。

根据所记录的电流波形，选取无明显畸变且峰值幅值较大的第n个和第m 个同向峰值的时刻t_pn和t_pm及幅值i_pn和i_pm。将上述测量值代入公式(8)-(12)， 可分别计算直流转换开关震荡周期T、振荡频率f、振荡回路电感值L和振荡回 路阻尼电阻值R，

式中：

T—直流转换开关的振荡周期；

f—直流转换开关的振荡频率；

τ—直流转换开关振荡回路的衰减时间常数；

L—直流转换开关振荡回路的回路电感值；

C—直流转换开关振荡回路的回路电容值；

R—直流转换开关振荡回路的回路阻尼电阻值。

根据所记录的电压波形，选择无明显畸变且峰值幅值较大的第x个和第y 个同向峰值的时刻t_px和t_py及幅值v_px和v_py。将上述测量值代入公式(13)-(14) 和公式(10)-(12)，可分别计算直流转换开关震荡周期T、振荡频率f、振荡 回路电感值L和振荡回路阻尼电阻值R，

通过电压传感器，实际测量充电电压U₀，计算回路振荡参数，

取任意峰值i_p1和对应时刻t_p1以及峰值i_p2和对应时刻t_p2

利用公式(8)、(9)，将f和τ代入可解出L

之后基于上述计算方法，进一步分别解出回路阻尼电阻R和回路等效电 容C。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于本专利提出的多种试验方法， 可准确掌握直流转换开关回路的状态信息，包括振荡频率与周期、回路等效电 容、回路等效电感、回路阻尼电阻、衰减时间常数等，并进行相互印证，且减 小测量误差，可及时全面的综合分析并诊断直流转换开关早期缺陷，对直流转 换开关的设备状态及直流转换能力进行准确评价与判断，保障超、特高压直流 跨区电网的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明无源式直流转换开关振荡特性现场测量回路示意图；

图2为本发明有源式直流转换开关振荡特性现场测量回路示意图；

图3为本发明振荡回路等效电路图；

图4为本发明直流转换开关振荡特性现场测量中的典型电流波形；

图5为本发明直流转换开关振荡特性现场测量中的典型电压波形。

图中：1-直流转换开关，2-电流测量装置，3-电压测量装置，4-数据采集 系统，QB—开断装置；MOA—避雷器；C—回路电容；L—回路电感；R—回路阻 尼电阻；DC—直流试验电源；QD—试验辅助开关；DC1—充电装置；QD1—单极 合闸开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：

一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法，包括以下具体步骤，

如图1和图2分别对有源式直流转换开关和无源式直流转换开关完成试验 接线，对于有源式直流转换开关，断开单极合闸开关QD1，将振荡回路电容充分 放电，直至电容电压为零；

闭合试验辅助开关QD，利用直流试验电源DC对振荡回路中的电容器组进行 充电，直至试验电压，试验电压不低于250V，不应高于直流转换开关各部件额 定电压；

断开试验辅助开关QD，之后闭合直流转换开关中的开断装置QB，利用数据 采集系统记录回路的振荡电流波形和电容两端的电压波形；

若所测振荡电流、电压波形出现中断或畸变，适当提升试验电压，重复上 述步骤，直至测得完整无中断、无畸变波形；

根据振荡特性计算公式，得到回路等效电感值、回路等效电容值和回路阻 尼电阻值。

如图3所示，振荡回路中储能电容C充电后，闭合断路器，由于电容电压 较低，避雷器呈高阻状态，几乎没有电流，那么，试验回路通过储能电容、电 感和开断装置构成放电回路，其等效电路图如下图所示，R、L和C分别为振荡 回路的等效回路电阻、电感和电容，K为理想开关。

开断装置QB闭合后放电回路方程为

求解该方程得

式中

令则由公式(3)可求出第n个电流峰值i_pn所对应的时间t_pn

由于t＝0时i＝0，因此电流曲线中第n个i＝0的点所对应的时间t_cn必然满 足如下关系

将公式(6)代入公式(5)可得

另外衰减时间常数τ也可以由放电电流中的两个峰值求出，设i_pm和i_pn为 两个不相同的峰值电流，那么由公式(2)可以得出

R、L和C分别为振荡回路的阻尼电阻、等效回路电感和等效回路电容，t为 时间，U₀为充电电压，ω为振动角频率，n为整数。

一、基于电流波形的振荡特性计算方法

直流转换开关振荡特性现场测量中的典型电流波形如图4所示。

根据所记录的电流波形，选取无明显畸变且峰值幅值较大的第n个和第m 个同向峰值的时刻t_pn和t_pm及幅值i_pn和i_pm。将上述测量值代入公式(9)-(13)， 可分别计算直流转换开关震荡周期T、振荡频率f、振荡回路电感值L和振荡回 路阻尼电阻值R，

式中：

T—直流转换开关的振荡周期；

f—直流转换开关的振荡频率；

τ—直流转换开关振荡回路的衰减时间常数；

L—直流转换开关振荡回路的回路电感值；

C—直流转换开关振荡回路的回路电容值；

R—直流转换开关振荡回路的回路阻尼电阻值。

二、基于电压波形的振荡特性计算方法

直流转换开关振荡特性现场测量中的典型电压波形如图5所示。

根据所记录的电压波形，选择无明显畸变且峰值幅值较大的第x个和第y 个同向峰值的时刻t_px和t_py及幅值v_px和v_py。将上述测量值代入公式(14)-(15) 和公式(11)-(13)，可分别计算直流转换开关震荡周期T、振荡频率f、振荡 回路电感值L和振荡回路阻尼电阻值R，

三、优化的振荡特性计算方法

在现场测量中，由于利用电容测量装置测量电容器组的电容值，所测结果 为电容器组与开断装置断口并联电容之和，相对于真实的回路电容，存在一定 的误差，对于振荡特性结果的计算存在一定的影响。通过电压传感器，实际测 量充电电压U₀，计算回路振荡参数，

取任意峰值i_p1和对应时刻t_p1以及峰值i_p2和对应时刻t_p2

利用公式(9)、(10)，将f和τ代入可解出L

之后基于上述计算方法，进一步分别解出回路阻尼电阻R和回路等效电 容C。

该优化后的振荡特性计算方法，全部基于实采振荡电流、电压波形进行 参数计算，排除了利用电容器组电容值等效为回路电容值进行计算所引入的 误差。

基于本专利提出的多种试验方法，可准确掌握直流转换开关回路的状态信 息，包括振荡频率与周期、回路等效电容、回路等效电感、回路阻尼电阻、衰 减时间常数等，并进行相互印证，且减小测量误差，可及时全面的综合分析并 诊断直流转换开关早期缺陷，对直流转换开关的设备状态及直流转换能力进行 准确评价与判断，保障超、特高压直流跨区电网的安全稳定运行。

(1)振荡回路阻尼电阻，主要由电容器和电抗器以及避雷器组间连接导线 的电阻、开断元件的接触电阻和电抗器线圈电阻所组成。对于无源振荡回路式 直流开关，阻尼电阻过大会影响自激振荡的形成以及振荡电流的增速。对于有 源振荡回路式直流开关，阻尼电阻过大会导致振荡电流衰减过快，影响直流开 断的成功率。因而，阻尼电阻是关系到直流开断能否成功的重要因素之一。

(2)振荡回路电容，电容以及直流电流的大小决定了恢复电压的上升率 (RRRV)。RRRV取决于转换回路起始电流与振荡回路电容的比值。当起始电流固 定时，则RRRV取决于电容值。因此，电容值应确保开关的绝缘介质强度恢复速 度大于恢复电压的上升速度，使开关断口两端的电压变化要低于交流开关所能 耐受的值。

(3)振荡回路电感，电抗器或杂散电感较低的电感值会降低最大可开断直 流电流，而较高的电感值将使振荡电流变换速度减慢，延长开断时间。

(4)回路电感主要取决于材质及外形，因此，回路电感值一般不会发生变 化；电容器在长时间运行中由于涌流、过热等原因会导致损坏；振荡回路电阻 为导线电阻和接触电阻。因此，高压直流开关振荡回路的回路电感值一般不会 发生改变，但是回路电容和阻尼电阻可能发生变化。回路电感的实测值可以作 为本次测试的自校验参数，若实测值与设计值偏离过大，则说明本次实验结果 可能有误；若R偏离设计值较大，则表明振荡回路接线有松动情况，需运维检 修；若C值偏离设计值较大，则表明电容器组出现问题，需运维检修。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可 以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法，其特征在于：包括以下具体步骤，

分别对有源式直流转换开关和无源式直流转换开关完成试验接线，对于有源式直流转换开关，断开单极合闸开关QD1，将振荡回路电容充分放电，直至电容电压为零；

闭合试验辅助开关QD，利用直流试验电源DC对振荡回路中的电容器组进行充电，直至试验电压，试验电压不低于250V，不应高于直流转换开关各部件额定电压；

断开试验辅助开关QD，之后闭合直流转换开关中的开断装置QB，利用数据采集系统记录回路的振荡电流波形和电容两端的电压波形；

若所测振荡电流、电压波形出现中断或畸变，适当提升试验电压，重复上述步骤，直至测得完整无中断、无畸变波形；

根据振荡特性计算公式，得到回路等效电感值、回路等效电容值和回路阻尼电阻值。

2.根据权利要求1所述的一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法，其特征在于：开断装置QB闭合后放电回路方程为

求解该方程得

式中

令则由公式(3)可求出第n个电流峰值i_pn所对应的时间t_pn

由于t＝0时i＝0，因此电流曲线中第n个i＝0的点所对应的时间t_cn必然满足如下关系

将公式(6)代入公式(5)可得

R、L和C分别为振荡回路的阻尼电阻、等效回路电感和等效回路电容，t为时间，U₀为充电电压，ω为振动角频率，n为整数。

3.根据权利要求2所述的一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法，其特征在于：

根据所记录的电流波形，选取无明显畸变且峰值幅值较大的第n个和第m个同向峰值的时刻t_pn和t_pm及幅值i_pn和i_pm。将上述测量值代入公式(8)-(12)，可分别计算直流转换开关震荡周期T、振荡频率f、振荡回路电感值L和振荡回路阻尼电阻值R，

式中：

T—直流转换开关的振荡周期；

f—直流转换开关的振荡频率；

τ—直流转换开关振荡回路的衰减时间常数；

L—直流转换开关振荡回路的回路电感值；

C—直流转换开关振荡回路的回路电容值；

R—直流转换开关振荡回路的回路阻尼电阻值。

4.根据权利要求3所述的一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法，其特征在于：

根据所记录的电压波形，选择无明显畸变且峰值幅值较大的第x个和第y个同向峰值的时刻t_px和t_py及幅值v_px和v_py，将上述测量值代入公式(13)-(14)和公式(10)-(12)，可分别计算直流转换开关震荡周期T、振荡频率f、振荡回路电感值L和振荡回路阻尼电阻值R，

5.根据权利要求4所述的一种基于多参量的直流转换开关振荡参数测量方法，其特征在于：

通过电压传感器，实际测量充电电压U₀，计算回路振荡参数，

取任意峰值i_p1和对应时刻t_p1以及峰值i_p2和对应时刻t_p2

利用公式(8)、(9)，将f和τ代入可解出L

之后基于上述计算方法，进一步分别解出回路阻尼电阻R和回路等效电容C。