CN110661239A - 一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，通过判断故障线路端电压的数值规律能准确识别故障性质，当故障为永久性故障时，则快速断开已重合的直流断路器的隔离开关；当线路故障为瞬时性故障时，通过分步重合直流断路器转移支路的子模块来恢复供电，本发明能够保证柔性直流输电线路单极接地故障后安全快速重合，避免直接重合于永久性故障对输电线路及相关设备造成严重的二次电流冲击，且能够抑制输电线路上的重合过电压，提高直流系统的安全性以及供电的可靠性。

Description

一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别是涉及一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法。
背景技术
柔性直流电网的输电方式主要包括直流电缆输电与架空线输电，基于直流断路器与架空线路的柔性直流电网是未来高压柔性直流输电发展的主要方向之一。然而，由于架空线路所处的外部环境恶劣，其发生接地故障的概率很高，而且为实现直流故障电流的熄弧，应用于柔性直流输电系统的直流断路器比交流断路器要复杂得多，目前研究较多是固态开关与机械开关共同使用的混合式直流断路器，但其结构复杂，重合过程需要分多个步骤，且需考虑故障线路两侧断路器的相互配合，且现在的研究基本关注点在于故障性质识别，对于故障识别后的重合少有研究介绍，一般认为瞬时性故障下直接重合断路器，永久性故障下不重合，但这种方法安全性较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，能够保证柔性直流输电线路单极接地故障后安全快速重合，避免直接重合于永久性故障对输电线路及相关设备造成严重的二次电流冲击，且能够抑制输电线路上的重合过电压，提高直流系统的安全性以及供电的可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，包括：
重合故障线路的直流断路器一侧的隔离开关；
持续测量所述故障线路一侧的端电压；
根据所述端电压的数值规律判断所述故障线路为永久性故障或瞬时性故障；
若所述故障线路为永久性故障，则断开所述故障线路的直流断路器一侧的隔离开关；
若所述故障线路为瞬时性故障，则根据基尔霍夫定律确定重合故障线路直流断路器一侧转移支路的函数方程；
给定所述直流断路器的等效电阻；
根据所述等效电阻求解所述函数方程，得到所述转移支路子模块的重合比例与输电线路各节点重合过电压的对应关系；
若所述重合过电压最大值大于第一设定阈值，则跳转至给定所述直流断路器的等效电阻步骤；
若所述重合过电压最大值小于等于第一设定阈值，则按照所述重合过电压最大值对应的子模块的重合比例对所述转移支路的子模块进行一次性重合，并将剩余比例的子模块分多次重合；
测量所述转移支路重合期间故障线路两侧的直流断路器的电压差；
若所述电压差大于第二设定阈值，则不重合两侧直流断路器的主支路；
若所述电压差小于等于第二设定阈值，则重合两侧直流断路器的主支路，并将所述直流断路器的转移支路断开。
可选的，所述根据所述端电压的数值规律判断所述故障线路为永久性故障或瞬时性故障，包括：
若所述端电压逐渐升高，则线路故障为瞬时性故障；若所述端电压短暂振荡后接近于0，则线路故障为永久性故障。
可选的，所述根据基尔霍夫定律确定重合故障线路直流断路器一侧转移支路的函数方程，包括：
确定重合故障线路直流断路器一侧转移支路的等效回路；
根据基尔霍夫定律列写所述等效回路关于换流器和输电线路的微分方程组。
可选的，所述第一设定阈值为额定电压的5％。
可选的，所述第二设定阈值为额定电压的5％。
可选的，所述持续测量所述故障线路的端电压，包括持续测量时间为40ms。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过判断端电压的数值规律能准确识别故障性质，当故障为永久性故障时，通过快速开断已重合的直流断路器的隔离开关，能够避免大电流对线路及相关设备造成的再次冲击，提高了系统的安全性；当线路故障为瞬时性故障时，通过分步重合直流断路器转移支路的子模块来恢复供电，能够有效的抑制输电线路上的重合过电压，提高了系统的安全性及供电的可靠性，而且重合过程中故障线路两侧的直流断路器间不需通讯，避免了通讯延时及因通讯误差造成的重合误动，提高了重合的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明柔性直流电网单极接地故障的重合方法的方法流程图；
图2为本发明三端柔性直流输电系统的拓扑结构；
图3为本发明重合故障线路一侧直流电路器转移支路的等效电路。
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。
本发明的目的是提供一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，能够保证柔性直流输电线路单极接地故障后安全快速重合，避免直接重合于永久性故障对输电线路及相关设备造成严重的二次电流冲击，且能够抑制输电线路上的重合过电压，提高直流系统的安全性以及供电的可靠性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
柔性直流电网架空线发生单极接地故障后，可以通过重合故障线路两侧的直流断路器来快速恢复供电。重合前，需要准确判断线路的故障性质，永久性故障时不进行重合操作，瞬时性故障时通过重合故障线路两侧的直流断路器来恢复供电。但由于瞬时性故障下直接全部重合直流断路器转移支路的子模块，输电线路上会出现明显的重合过电压，影响直流系统的安全性与稳定性，所以，本申请提出一种考虑过电压抑制的柔性直流电网架空线单极接地故障的重合方法，图1为本发明柔性直流电网单极接地故障的重合方法的方法流程图，如图1所示，一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，包括：
步骤101重合故障线路的直流断路器一侧的隔离开关；
步骤102持续测量所述故障线路一侧的端电压；
步骤103根据所述端电压的数值规律判断所述故障线路为永久性故障或瞬时性故障；
步骤104若所述故障线路为永久性故障，则断开所述故障线路的直流断路器一侧的隔离开关；
步骤105若所述故障线路为瞬时性故障，则根据基尔霍夫定律确定重合故障线路直流断路器一侧转移支路的函数方程；
步骤106给定所述直流断路器的等效电阻；
步骤107根据所述等效电阻求解所述函数方程，得到所述转移支路子模块的重合比例与输电线路各节点重合过电压的对应关系；
步骤108若所述重合过电压最大值大于第一设定阈值，则跳转至步骤106给定所述直流断路器的等效电阻；
步骤109若所述重合过电压最大值小于等于第一设定阈值，则按照所述重合过电压最大值对应的子模块的重合比例对所述转移支路的子模块进行一次性重合，并将剩余比例的子模块分多次重合；
步骤110测量所述转移支路重合期间故障线路两侧的直流断路器的电压差；
步骤111若所述电压差大于第二设定阈值，则不重合两侧直流断路器的主支路；
步骤112若所述电压差小于等于第二设定阈值，则重合两侧直流断路器的主支路，并将所述直流断路器的转移支路断开。
其中，步骤101、步骤102、步骤104和步骤105中的出现的“一侧”均指同一侧；
步骤102中持续测量所述故障线路的端电压，持续测量时间为40ms。
步骤103根据所述端电压的数值规律判断所述故障线路为永久性故障或瞬时性故障，包括：
若测量期间故障线路的端电压逐渐升高，则表明线路故障为瞬时性故障且故障点已熄弧，这是由于闭合直流断路器的隔离开关后，系统电流会经由直流断路器为故障线路的对地电容以及极间电容充电，使得故障线路的端电压不断抬升；若测量期间故障线路端电压会在短暂的振荡后变为接近于0的值，则表明线路故障为永久性故障，这是由于当直流断路器的隔离开关重合后，系统电流经由断路器转移支路及吸能支路与故障线路相连，由于故障点始终接地，且故障线路段阻抗与转移支路及吸能支路MOV的阻值相比要小得多，所以永久性故障下故障线路的端电压接近于0。
而且若判断线路故障为永久性故障，断开已重合的直流断路器的隔离开关即可完成二次开断操作，这时需要送到专业人员那里进行检修，所以不进行后续重合操作，即也不存在重合过电压现象；若判断线路故障为瞬时性故障，直接重合故障线路两侧混合式直流断路器的转移支路时，故障线路以及正常线路上都会出现明显的振荡过电压现象，其会影响直流系统的安全性及供电的可靠性。这是由于瞬时性故障下这主要是由于断路器重合之前，断开线路电压接近于0，正常运行线路的电压为直流系统电压的额定值，直流断路器两侧存在很大的电压差，重合瞬间，系统电流会立即为故障线路上的电容充电，抬升故障线路电压，由于线路上的电阻较小，充电速度快，充电回路可视为换流器电容与线路电容及电感的振荡回路，充电过程的衰减振荡会导致故障极线在充电初始阶段产生较大的过电压，因此考虑采用部分重合一侧断路器转移支路的方式来减小重合过程中的充电电流，进而减小故障极线上的重合过电压。
步骤105所述根据基尔霍夫定律确定重合故障线路直流断路器一侧转移支路的函数方程，包括：
确定重合故障线路直流断路器一侧转移支路的等效回路；根据基尔霍夫定律列写所述等效回路关于换流器和输电线路的微分方程组。
以如图2所示的三端直流输电系统为例来进行分析：首先确定部分重合故障线路一侧直流断路器转移支路的等效回路，如图3所示，其中Cline、Lline、Rline分别为输电线路的对地电容、线路电感以及线路电阻，Rbk为部分重合转移支路时断路器的等效电阻，Ceq、Leq、Req分别为换流器的等效电容、换流器的等效电阻、换流器以及出口限流器的等效电感之和；u1～u3均为断路器重合前换流器电压的初值，u4、u5、u8均为故障及正常线路对地电容电压的初值，u6、u7均为故障所在线路电压的初值；i1～i6均表示系统中换流器等效电感以及线路电感上电流的初值，所有初值的方向均在图3中标出。
之后根据基尔霍夫定律列写等效回路中的微分方程组，图3所示电路的微分方程组为：
Figure BDA0002221496840000061
Figure BDA0002221496840000062
其中式(1)为关于换流器的微分方程组，式(2)为关于输电线路的微分方程组。
步骤106给定所述直流断路器的等效电阻，一般是根据直流断路器转移支路子模块的重合数量确定直流断路器的等效电阻，一般可以先以子模块重合50％的数量来确定直流断路器的等效电阻值。
步骤107根据所述等效电阻求解所述函数方程，得到所述转移支路子模块的重合比例与输电线路各节点重合过电压的对应关系，包括：
由于实际工程中输电线路节点处都会配备电压互感器、电流互感器，所以通过读取电压互感器、电流互感器上的值获取各节点故障前的电压初值u1～u8、电流初值i1～i6，并代入式(1)及式(2)，并将部分重合时直流断路器的等效电阻Rbk代入式(2)，便可以得到一个关于一次性重合的子模块比例与重合过电压的函数表达式，根据该函数表达式的图像就可以判断重合过电压最大值与第一设定阈值的大小关系。
另外，输电线路与直流断路器的转移支路是串联关系。
步骤109中若所述重合过电压最大值小于等于额定电压的5％，则按照所述重合过电压最大值对应的子模块的重合比例对所述转移支路的子模块进行一次性重合，之后，将剩余比例的子模块分10-15次重合，这样能够增大重合时故障线路所在回路中的电阻值，进而减小重合过电压，具体重合间隔设为5-8ms，以减小重合时间。
步骤110至步骤112具体为：重合期间，分别持续测量直流断路器两侧的电压差，若电压差大于额定电压的5％，则主支路不进行重合操作，送至专业维修人员处进行检修；若电压差小于等于额定电压的5％，则重合直流断路器两侧的主支路，并闭锁转移支路，以减小系统电流在直流断路器内部换流时的过电压，从而完成故障线路的重合闸操作。
本发明还公开如下技术效果：
本发明通过判断端电压的数值规律能准确识别故障性质，当故障为永久性故障时，通过快速开断已重合的直流断路器的隔离开关，能够避免大电流对线路及相关设备造成的再次冲击，提高了系统的安全性；若线路故障为瞬时性故障时，通过分步重合直流断路器转移支路的子模块来恢复供电，能够有效的抑制输电线路上的重合过电压，提高了系统的安全性及供电的可靠性，而且重合过程中故障线路两侧的直流断路器间不需通讯，避免了通讯延时及因通讯误差造成的重合误动，提高了重合的可靠性，且能够降低通讯投资费用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，其特征在于，包括：
重合故障线路的直流断路器一侧的隔离开关；
持续测量所述故障线路一侧的端电压；
根据所述端电压的数值规律判断所述故障线路为永久性故障或瞬时性故障；
若所述故障线路为永久性故障，则断开所述故障线路的直流断路器一侧的隔离开关；
若所述故障线路为瞬时性故障，则根据基尔霍夫定律确定重合故障线路直流断路器一侧转移支路的函数方程；
给定所述直流断路器的等效电阻；
根据所述等效电阻求解所述函数方程，得到所述转移支路子模块的重合比例与输电线路各节点重合过电压的对应关系；若所述重合过电压最大值大于第一设定阈值，则跳转至给定所述直流断路器的等效电阻步骤；
若所述重合过电压最大值小于等于第一设定阈值，则按照所述重合过电压最大值对应的子模块的重合比例对所述转移支路的子模块进行一次性重合，并将剩余比例的子模块分多次重合；
测量所述转移支路重合期间故障线路两侧的直流断路器的电压差；
若所述电压差大于第二设定阈值，则不重合两侧直流断路器的主支路；
若所述电压差小于等于第二设定阈值，则重合两侧直流断路器的主支路，并将所述直流断路器的转移支路断开。
2.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，其特征在于，所述根据所述端电压的数值规律判断所述故障线路为永久性故障或瞬时性故障，包括：
若所述端电压逐渐升高，则线路故障为瞬时性故障；若所述端电压短暂振荡后接近于0，则线路故障为永久性故障。
3.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，其特征在于，所述根据基尔霍夫定律确定重合故障线路直流断路器一侧转移支路的函数方程，包括：
确定重合故障线路直流断路器一侧转移支路的等效回路；
根据基尔霍夫定律列写所述等效回路关于换流器和输电线路的微分方程组。
4.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，其特征在于，所述第一设定阈值为额定电压的5％。
5.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，其特征在于，所述第二设定阈值为额定电压的5％。
6.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网单极接地故障的重合方法，其特征在于，所述持续测量所述故障线路的端电压，包括持续测量时间为40ms。
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