CN111308244B - 一种基于电流特征的直流滤波器高压电容器故障定位方法 - Google Patents

一种基于电流特征的直流滤波器高压电容器故障定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电流特征的直流滤波器高压电容器故障定位方法，其步骤主要是：采集直流滤波器的电流数据，根据不平衡电流的明显增量确定故障时刻，计算不平衡桥电流积分和直流滤波器桥臂支路电流差值，提取基于不平衡桥电流积分和直流滤波器支路电流差值的高压电容器故障特征，根据不平衡桥电流积分是否大于零、直流滤波器桥臂支路电流差值是否大于阈值可以精确定位高压电容器的故障桥臂支路。本发明利用直流滤波器的电流特征进行高压电容器的故障定位，适用于任何电压等级的直流输电系统，且不受系统扰动影响，能够准确、可靠地定位故障。

Description

一种基于电流特征的直流滤波器高压电容器故障定位方法
技术领域
本发明属于直流滤波器高压电容器故障定位领域，具体涉及一种基于电流特征的直流滤波器高压电容器故障定位方法。
背景技术
高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)的显著优点是输送容量大、输电距离远、无稳定问题和无需考虑同步，广泛应用于电能远距离传输和区域大电网互联。其中换流器作为高压直流输电的核心设备，起到整流和逆变的作用，但是换流器工作过程中在直流侧产生特定频次的谐波。以12脉动换流器为例，其在工作过程中会在直流侧产生12k(k＝1,2,3…)次的谐波，谐波会造成直流系统过电压，特定频率的谐波易诱发谐振，造成直流设备因过电压、过电流而损坏。因此，在直流母线和中性点之间安装有直流滤波器以滤除特定频次的谐波，降低谐波危害。
高压电容器是直流滤波器的关键设备，承担着直流线路全部的直流电压和大部分的谐波电压，而电容器属于电压敏感型设备，受电压波动等因素影响易发生故障，实际运行情况表明，高压电容器是直流滤波器中故障率最高的器件。若高压电容器发生接地故障，高压电容器存储的能量流入大地，可能影响换流站附近设备的正常工作；若高压电容器发生接地故障，其正常运行的电容元件向故障电容元件放电，会抬升其他正常运行电容元件的电压，导致故障工况继续恶化，甚至可能引发电容元件的雪崩效应。因此，高压电容器的故障会严重危及直流输电系统的安全稳定运行。
由于直流滤波器高压电容器故障之后，实际工程中仅通过直接观察电容器外观状态如是否漏油、鼓肚等物理现象，或者手动测量所有电容单元的电容值以定位故障，该方法存在效率低、定位可靠性不高，且手动检测存在电容放电不完全的问题而威胁检修人员人身安全。因此，准确可靠的直流滤波器高压电容器故障定位方法可以有效提高故障检测效率，保证故障后巡检人员能及时、有效地清除故障，避免因直流滤波器故障而造成其它更严重的后果。
发明内容
为此，本发明提供了一种基于电流特征的直流滤波器高压电容器故障定位方法。
本发明一种基于电流特征的直流滤波器高压电容器故障定位方法，具体步骤为：
A、数据测量：
以采样频率f＝10kHz采集电流数据：安装在直流滤波器首端的电流互感器CT1测得的直流滤波器电流i1(t)、安装在直流滤波器高压电容器顶端左侧电流互感器CT2和右侧电流互感器CT3测得的桥臂支路电流分别为iL(t)和iR(t)、直流滤波器高压电容器不平衡桥上的电流互感器CT4测得的不平衡电流iu(t)；其中t为采样时刻。
B、直流滤波器故障时刻确定：
定义不平衡电流满足|iu(t)|＞ε0的采样时刻为ta，并判断ta后N个采样时刻的不平衡电流是否均满足|iu(t)|＞ε0，若否，返回至步骤A，若是，将ta定义为故障时刻t0。
C、直流滤波器电流特征分量提取：
定义不平衡桥上电流互感器中电流方向从右往左为正，计算不平衡桥电流的积分Siu：
Figure BDA0002403422480000021
计算电流差值Δi：
Figure BDA0002403422480000022
其中
Figure BDA0002403422480000023
表示求*在区间[a，b]上的积分，|*|表示求*的绝对值。
D、直流滤波器高压电容器故障定位：
同时比较Siu与0的大小、Δi与ε1的大小：
当Siu＞0且Δi＞ε1时，判断为直流滤波器高压电容器左上桥臂C11发生故障；
当Siu＞0且Δi≤ε1时，判断为直流滤波器高压电容器左下桥臂C13发生故障；
当Siu＜0且Δi＞ε1时，判断为直流滤波器高压电容器右上桥臂C12发生故障；
当Siu＜0且Δi≤ε1时，判断为直流滤波器高压电容器右下桥臂C14发生故障。
进一步的，步骤B中设定的
Figure BDA0002403422480000024
其中f0为直流滤波器的最小调谐频率；ε0的取值为0.01。
进一步的，步骤C中设定的
Figure BDA0002403422480000025
其中f0为直流滤波器的最小调谐频率。
进一步的，步骤D中设定的阈值ε1的取值为0.001。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、故障定位可靠性高。本发明对直流滤波器电流电气量信息进行采样，计算高压电容器不平衡电流的积分，根据电流积分的正负判断故障发生在高压电容器左侧桥臂还是右侧桥臂；在此基础上，再根据高压电容器桥臂支路电流差的关系，继续定位故障桥臂。若左右两桥臂支路电流差小于阈值，则表明是不平衡桥下侧桥臂故障，反之，若左右两桥臂支路电流差大于阈值，则表明是不平衡桥上侧桥臂故障。基于此电流特征，本发明能对直流滤波器高压电容器故障实现可靠、精确地定位，提高故障检修效率，保障检修人员人身安全和电网的安全稳定运行。
二、不受系统扰动的影响。本发明通过采集直流滤波器电流电气量信息，根据流过不平衡桥电流方向差异和高压电容器桥臂支路电流差关系以定位故障桥臂。正常运行时，高压电容器四个桥臂支路呈对称分布状态，此时不平衡桥电流必然为零，而高压电容器左右两侧桥臂支路的电流相等，根据分流原理，两侧桥臂支路均分直流滤波器电流。上述关系仅与高压电容器结构和参数相关，不受直流输电系统扰动的影响，如系统其它设备故障、交流系统重合闸、系统功率变化等工况。因此，本发明可有效避免系统扰动的影响，精确地定位故障桥臂，提高了直流滤波器故障检修效率、降低了直流滤波器和高压直流输电系统的运行、维护成本。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明的直流滤波器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种基于电流特征的直流滤波器高压电容器故障定位方法如图1所示，具体步骤为：
A、数据测量：
以采样频率f＝10kHz采集电流数据：安装在直流滤波器首端的电流互感器CT1测得的直流滤波器电流i1(t)、安装在直流滤波器高压电容器顶端左侧电流互感器CT2和右侧电流互感器CT3测得的桥臂支路电流分别为iL(t)和iR(t)、直流滤波器高压电容器不平衡桥上的电流互感器CT4测得的不平衡电流iu(t)；其中t为采样时刻。
B、直流滤波器故障时刻确定：
定义不平衡电流满足|iu(t)|＞ε0的采样时刻为ta，并判断ta后N个采样时刻的不平衡电流是否均满足|iu(t)|＞ε0，若否，返回至步骤A，若是，将ta定义为故障时刻t0。
C、直流滤波器电流特征分量提取：
定义不平衡桥上电流互感器中电流方向从右往左为正，计算不平衡桥电流的积分Siu：
Figure BDA0002403422480000031
计算电流差值Δi：
Figure BDA0002403422480000041
其中
Figure BDA0002403422480000042
表示求*在区间[a，b]上的积分，|*|表示求*的绝对值。
D、直流滤波器高压电容器故障定位：
同时比较Siu与0的大小、Δi与ε1的大小：
当Siu＞0且Δi＞ε1时，判断为直流滤波器高压电容器左上桥臂C11发生故障；
当Siu＞0且Δi≤ε1时，判断为直流滤波器高压电容器左下桥臂C13发生故障；
当Siu＜0且Δi＞ε1时，判断为直流滤波器高压电容器右上桥臂C12发生故障；
当Siu＜0且Δi≤ε1时，判断为直流滤波器高压电容器右下桥臂C14发生故障。
进一步的，步骤B中设定的
Figure BDA0002403422480000043
其中f0为直流滤波器的最小调谐频率；ε0的取值为0.01。
进一步的，步骤C中设定的
Figure BDA0002403422480000044
其中f0为直流滤波器的最小调谐频率。
进一步的，步骤D中设定的阈值ε1的取值为0.001。
仿真实验
采用PSCAD/EMTDC仿真平台的CIGRE标准测试仿真模型，参考灵绍直流工程中的双调谐直流滤波器HP12/24参数和结构，验证本发明的故障识别方案准确性和可靠性，其中f0＝600Hz，t1＝1/1200s。
仿真实验中的双调谐滤波器结构由图2所示，其中高压电容器四个桥臂(C11、C12、C13、C14)中任意一个桥臂均由20个电容元件并联和192个电容元件串联组成。其中桥臂支路电流互感器安装在C11和C12桥臂顶端。
直流滤波器的参数如下表1所示：
表1直滤波器参数
Figure BDA0002403422480000045
正常运行时，高压电容器不平衡桥电流积分Siu＝0，高压电容器桥臂直流电流关系为：iR(t)＝iL(t)；当直流滤波器高压电容器发生故障之后，不再满足上述关系。
通过仿真两种不同的工况，验证故障定位方法的准确性。
工况1：
高压电容器发生接地故障。
仿真直流滤波器高压电容器四个电容桥臂(C11、C12、C13、C14)在不同时刻分别发生金属性接地故障(Fa1、Fa2、Fa3、Fa4)，各故障工况仿真结果如表2所示。
表2高压电容器接地故障定位仿真结果
Figure BDA0002403422480000051
先根据计算所得电流积分结果Siu的正负以确定左侧或右侧的故障桥臂；在上述判断结果的基础上，进一步利用桥臂支路电流iR(t)和iL(t)的电流差Δi定位故障桥臂支路。从表2可得，四个桥臂中任意一个桥臂发生接地故障，均可准确定位接地故障桥臂，且定位结果不受故障时刻的影响。
由此可见，本发明方法在工况1的仿真实验中，能够快速、准确地定位出高压电容器的故障桥臂位置。
工况2：
高压电容器发生开路故障。
仿真直流滤波器高压电容器四个桥臂(C11、C12、C13、C14)在不同时刻分别发生开路故障(Fb1、Fb2、Fb3、Fb4)，设置每个桥臂均有6个串联和16个并联电容元件的开路故障，各故障定位的仿真结果如表3所示。
表3高压电容器开路故障定位仿真结果
Figure BDA0002403422480000061
从表3可知，先根据不平衡桥电流积分是否大于零，定位高压电容器左侧或者右侧桥臂的故障，再进一步判断桥臂支路电流iR和iL的电流差Δi即可准确定位故障桥臂，从表3的仿真结果也可以看出故障定位方案不受故障时刻影响。
由此可见，本发明方法在工况2的仿真实验中，可以准确地定位出高压电容器故障桥臂位置。
两个工况的仿真实验结果表明，本发明方法可准确、可靠的定位直流滤波器高压电容器故障。

Claims (2)

1.一种基于电流特征的直流滤波器高压电容器故障定位方法，其特征在于，具体步骤为：
A、数据测量：
以采样频率f＝10kHz采集电流数据：安装在直流滤波器首端的电流互感器CT1测得的直流滤波器电流i1(t)、安装在直流滤波器高压电容器顶端左侧电流互感器CT2和右侧电流互感器CT3测得的桥臂支路电流分别为iL(t)和iR(t)、直流滤波器高压电容器不平衡桥上的电流互感器CT4测得的不平衡电流iu(t)；其中t为采样时刻；
B、直流滤波器故障时刻确定：
定义不平衡电流满足|iu(t)|＞ε0的采样时刻为ta，并判断ta后N个采样时刻的不平衡电流是否均满足|iu(t)|＞ε0，若否，返回至步骤A，若是，将ta定义为故障时刻t0；
上述
Figure FDA0003062065860000011
其中f0为直流滤波器的最小调谐频率；所述ε0的取值为0.01；
C、直流滤波器电流特征分量提取：
定义不平衡桥上电流互感器中电流方向从右往左为正，计算不平衡桥电流的积分Siu：
Figure FDA0003062065860000012
其中，
Figure FDA0003062065860000013
f0为直流滤波器的最小调谐频率；
计算电流差值Δi：
Figure FDA0003062065860000014
其中
Figure FDA0003062065860000015
表示求*在区间[a，b]上的积分，|*|表示求*的绝对值；
D、直流滤波器高压电容器故障定位：
同时比较Siu与0的大小、Δi与ε1的大小：
当Siu＞0且Δi＞ε1时，判断为直流滤波器高压电容器左上桥臂C11发生故障；
当Siu＞0且Δi≤ε1时，判断为直流滤波器高压电容器左下桥臂C13发生故障；
当Siu＜0且Δi＞ε1时，判断为直流滤波器高压电容器右上桥臂C12发生故障；
当Siu＜0且Δi≤ε1时，判断为直流滤波器高压电容器右下桥臂C14发生故障。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流特征的直流滤波器高压电容器故障定位方法，其特征在于，所述步骤D中设定的阈值ε1的取值为0.001。
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