CN112130063A - 混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测与保护方法 - Google Patents

Abstract

一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测与保护方法，包括当混合式高压直流断路器合闸时，开始实时检测进入混合式高压直流断路器的线路电流；判断所述线路电流是否大于零电流设定值；若是，则判断|线路电流‑主支路电流|≥第一预设电流差值、|转移支路电流|≥第二预设电流差值是否同时成立；若是，则确定机械开关偷跳。该方法解决了现有机械开关控制保护技术中存在的只依靠机械开关上传的状态判定机械开关分合位存在的漏判和误判问题，该方法可以及时有效地检测机械开关偷跳故障并完善处理偷跳故障，从而保障断路器安全稳定运行。

Description

混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测与保护方法

技术领域

本发明涉及高压直流断路器技术领域，具体涉及一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测与保护方法。

背景技术

特高压直流输电(UHVDC)是指±800kV及以上电压等级的直流输电及相关技术。近年来，特高压直流输电技术发展迅速，国内已经建设并投运多个特高压直流输电工程，极大地解决了国内用电紧缺的问题。随着直流输电技术的发展，对电网输送功率以及电网传输质量有更高的要求，从而给直流输电设备的制造和技术难度也增加了难度。在诸多限制直流输电发展因素中，特高压直流断路器技术就是其中重要的一个环节。相比交流输电系统，直流输电系统不存在自然过零点，并且直流系统的故障发展更快，在短短几毫秒的时间内，故障电流呈线性迅速增加，而一般的断路器又不具备带大电流开断能力。因此，需要在直流线路发生故障后，人为制造电流过零点，使得断路器能够快速限制并切断故障电流，避免换流阀闭锁，导致大面积停电，维持电网安全稳定运行。

混合式高压直流断路器继承了机械式直流断路器优良的静态特性和固态直流断路器快速分断的动态特性，被认为是最可能在未来直流电网中得到大范围应用的一种高压直流断路器。

如图1所示，混合式直流断路器由主支路、转移支路和耗能支路三条并联支路构成。主支路由1组快速机械开关和n个IGBT桥式功率模块单元串联而成，每个IGBT桥式功率模块单元包括m个并联的第一IGBT桥式功率模块，如图2所示，所述第一IGBT桥式功率模块包括并联的一个避雷器F和一个IGBT模块SM，所述IGBT桥式功率模块还有散热水冷通路和旁路开关，所述主支路用于导通系统运行电流和转移故障电流；转移支路由多个第二IGBT桥式功率模块串联构成，所述第二IGBT桥式功率模块包括一个IGBT模块SM和一个旁路开关，不设有避雷器F和散热水冷通路，所述转移支路用于关断各种暂态和稳态工况下电流；耗能支路由多个避雷器单元串联构成，用于抑制断路器暂态分断电压和吸收能量。各条支路在一定的时序配合下，进行电流的内部换流，从而实现断路器的分合闸功能。

如图1所示，断路器合位状态下，主支路电力电子单元通过m条并联支路连通线路电流，主支路串联组内并联支路数m由主支路电子开关最大耐受电流、单个第一IGBT桥式功率模块的最大通流能力和并联第一IGBT桥式功率模块冗余度决定。主支路串联组数n由主支路电子开关两端承受的最大电压、单个第一IGBT桥式功率功率模块耐受最大电压决定和串联冗余数要求决定。当第一IGBT桥式功率模块发生故障时，可以通过闭合旁路开关k保护IGBT模块SM；当IGBT模块SM两端电压过高时，避雷器F可以起到过压保护的作用。水冷通路则可以保证主支路的长时间通流。

直流线路故障发生时，快速机械开关需要在极短的时间内(毫秒级)提供足够的绝缘开距。传统开关驱动机构难以达到毫秒级动作时间，需采用新型电磁斥力驱动机构，如此短的分断时间使得快速机械开关建立的断口开距较小，单个机械开关难以承受很高的暂态恢复电压，可通过多个机械开关串联均压设计实现。因此，主支路快速机械开关组是由P个快速机械开关串联组成，当快速机械开关故障超出冗余数量，整个断路器禁分禁合。

为提高机械开关控制保护系统可靠性，每台快速机械开关断口还配置有机械开关控制器单元、隔离供电电源以及分合闸储能电容充放电回路以及机械开关位置传感器。特别是机械开关位置传感器，断路器合闸后偷跳的传统检测方法均采用此标志位。但是，此检测方法存在较大的漏洞，因为没有考虑到位置传感器误传或者机械开关合闸不到位的情况，存在漏判或误判的问题。

断路器合闸成功后，线路电流就通过主支路的机械开关组和电力电子开关流通，且主支路配置有水冷散热装置，电流可长时间通流。但是，若断路器合闸后出现机械开关偷跳，则会将线路电流转移至转移支路通流。由于转移支路没有配置水冷散热设备，且转移支路电力电子开关较多，长时间通流会产生很大的热量无法散热，从而损坏电力电子开关元器件。因此，及时有效地检测机械开关偷跳故障并完善处理偷跳故障是保障断路器安全稳定运行的必要条件。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测与保护方法，解决了现有机械开关控制保护技术中存在的只依靠机械开关上传的状态判定断路器分合闸存在的漏判和误判问题，该方法可以及时有效地检测机械开关偷跳故障并完善处理偷跳故障，从而保障断路器安全稳定运行。

(二)技术方案

为解决上述问题，本申请的第一方面提供一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测方法，包括

当混合式高压直流断路器合闸时，开始实时检测进入混合式高压直流断路器的线路电流I_L；

判断所述线路电流I_L是否大于零电流设定值I_{set_er}；

若是，则判断|线路电流I_L-主支路电流I_M|≥第一预设电流差值Δi₁、|转移支路电流I_T|≥第二预设电流差值Δi₂是否同时成立；

若是，则确定机械开关偷跳。

进一步地，所述的检测方法还包括：

若|线路电流I_L-主支路电流I_M|≥第一预设电流差值Δi₁、|转移支路电流I_T|≥第二预设电流差值Δi₂中至少有一个不成立时，则确定机械开关未偷跳。

进一步地，所述的检测方法还包括：

当所述线路电流I_L≤零电流设定值I_{set_er}时，获取机械开关位移信息，并根据所述位移信息判断机械开关是否偷跳。

具体地，电流测量装置的测量误差≤r％，所述第一预设电流差值Δi₁≥Δi₂*(1+r％)的最小整定值，Δi₂为机械开关正常合闸后主支路和转移支路导通时转移支路中的漏电流。

本申请的第二个方面，提供了一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳保护方法，包括：

当混合式高压直流断路器合闸时，开始实时检测进入混合式高压直流断路器的线路电流I_L；

判断所述线路电流I_L是否大于零电流设定值I_{set_er}；

若是，则判断|线路电流I_L-主支路电流I_M|≥第一预设电流差值Δi₁、|转移支路电流I_T|≥第二预设电流差值Δi₂是否同时成立；

若是，则确定机械开关偷跳；

当确定机械开关偷跳时，判断转移支路电流I_T＞预设电流值I_set1是否成立；

若是，则执行断路器分断。

进一步地，所述的保护方法还包括：

当所述线路电流I_L≤零电流设定值I_{set_er}时，获取机械开关位移信息，并根据所述位移信息判断机械开关是否偷跳。

进一步地，所述的保护方法还包括：

当转移支路电流I_T≤预设电流值I_set1时，判断转移支路在预设时间内的热量Q是否大于预设热量值Q_set；

若是，则执行断路器分断。

进一步地，所述的保护方法还包括：

若转移支路在预设时间内的热量Q≤预设热量值Q_set，则进行机械开关重新合闸。

进一步地，当机械开关重新合闸失败时执行断路器分断。

具体地，电流测量装置的测量误差≤r％，所述第一预设电流差值Δi₁≥Δi₂*(1+r％)的最小整定值，Δi₂为机械开关正常合闸后主支路和转移支路导通时转移支路中的漏电流。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测与保护方法，解决了现有机械开关控制保护技术中存在的只依靠机械开关上传的状态判定机械开关分合位存在的漏判和误判问题，该方法可以及时有效地检测机械开关偷跳故障并完善处理偷跳故障，从而保障断路器安全稳定运行。

附图说明

图1是混合式高压直流断路器拓扑结构图；

图2是混合式高压直流断路器中主支路的第一IGBT桥式功率模块结构示意图；

图3为混合式高压直流断路器合闸过程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测方法流程图；

图5为本发明一具体实施例提供的一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测和保护方法流程图。

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了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

混合式直流断路器合闸过程如图3所示，具体如下：

断路器初始状态为断态：快速机械开关处于断开状态，主支路和转移支路的IGBT模块电力电子开关断，断路器两端呈高阻状态。

如图3a)所示，转移支路和主支路的IGBT模块电力电子开关导通(t0-t1)：t0时刻，断路器系统接收到合闸指令，转移支路和主支路电力电子开关IGBT导通，线路电流经由转移支路流通。

如图3b)所示，机械开关合闸阶段(t1-t2)：断路器收到机械开关合闸指令，p个串联的机械开关合闸。经一定延时后，若机械开关全部合闸到位，则基于主支路只有少量IGBT单元，而转移支路包含大量IGBT单元，电流会经由转移支路换流至主支路流通。

机械开关偷跳保护策略检测阶段(t3---)：断路器进入机械开关偷跳保护策略检测阶段，按照图4所示的保护策略流程逻辑进行偷跳检测。

如图4所示，一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测方法，包括

步骤101：当混合式高压直流断路器合闸时，开始实时检测进入混合式高压直流断路器的线路电流I_L；

步骤102：判断所述线路电流I_L是否大于零电流设定值I_{set_er}；

具体地，若所述线路电流I_L＞零电流设定值I_{set_er，}则判定断路器合闸于大电流；若所述线路电流I_L≤零电流设定值I_{set_er，}则判定断路器合闸于无电流或者小电流；

步骤103：若是，则判断|线路电流I_L-主支路电流I_M|≥第一预设电流差值Δi₁、|转移支路电流I_T|≥第二预设电流差值Δi₂是否同时成立；

具体地，该步骤中|线路电流I_L-主支路电流I_M|≥第一预设电流差值Δi₁用于判定线路电流没有转移到主支路；|转移支路电流I_T|≥第二预设电流差值Δi₂用于判定合闸状态下转移支路电流异常；

步骤104：若是，则确定机械开关偷跳。

具体地，本发明中，线路电流I_L、主支路电路I_M和转移支路电流I_T可以由配置在对应线路上的光纤式电流互感器采集单元采集，不经合并单元，直接接入断路器控制保护系统。合闸过程零电流设定值I_{set_er}可以根据测量装置的测量误差和电力系统运行时的实际电流进行整定。断路器合闸于大电流工况下，判断线路电流是否转移到主支路以及转移支路电流是否异常判定式的Δi₁和Δi₂可以根据系统实际运行情况整定。

具体地，本发明中电流的采集以及电流差值的判定优选连续判断若干个电流采集周期。电流采集周期根据电流互感器采集单元装置整定，差值的判定周期可以根据系统运行情况，通过仿真进行整定。

进一步地，所述的检测方法还包括：

若|线路电流I_L-主支路电流I_M|≥第一预设电流差值Δi₁、|转移支路电流I_T|≥第二预设电流差值Δi₂中至少有一个不成立时，则确定机械开关未偷跳。上式中分别判定了断路器主支路合位后线路电流是否转移至主支路、转移支路电流是否异常。因为，主支路合位后，转移支路的电流应当全部转移至主支路，此时线路电流应当与主支路电流一致，但由于测量误差以及转移支路也存在很小的漏电流，二者产生Δi₁的偏差，而此时的转移支路电流即漏电流应当很小，。通过综合判断线路电流与主支路电流的偏差以及转移支路电流过大异常，辩证的验证主支路合位后，电流转移是否正常即机械开关是否偷跳，有效的避免只通过单一判定造成的误判。

进一步地，所述的检测方法还包括：

当所述线路电流I_L≤零电流设定值I_{set_er}时，获取机械开关位移信息，并根据所述位移信息判断机械开关是否偷跳。

具体地，本发明中机械开关位移信息可以是通过设置在机械开关上的位置传感器发送的位移信息；具体判断方法包括一组P个开关中任一开关位置为分位，则判定快速机械开关组偷跳故障。通过位移法和间接法两种方法结合检测机械开关偷跳，即可有效地避免由于机械开关偷跳故障漏判或误判导致的转移支路无法散热等问题，又能提高检测效率及简化检测流程。

具体地，所述第一预设电流差值Δi₁由第二预设电流Δi₂以及支路电流测量装置的测量误差所决定，当电流测量装置的测量误差为≤r％，则Δi₁取≥Δi₂*(1+r％)的最小整定值，所述第二预设电流差值Δi₂则是由机械开关合闸后转移支路与主支路在导通时其所在支路的阻值及杂散电感等比值所决定，具体地，转移支路与主支路在导通时，主支路与转移支路承受的电压相同，而转移支路的阻值远大于主支路，会存在较小的漏电流，即Δi₂)这样既考虑了转移支路漏电流的影响，又充分考虑了电流测量装置可能带来的测量误差，有效地防止了机械开关偷跳检测逻辑的误动作。

进一步地，按上述方法确定机械开关偷跳时，本发明还提供了一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳保护方法，包括：

当确定机械开关偷跳时，判断转移支路电流I_T＞预设电流值I_set1是否成立；

若是，则执行断路器分断。

该方法可以有效保护转移支路，避免由于转移支路无法散热导致的元器件损坏。

进一步地，所述的保护方法还包括：

当所述线路电流I_L≤零电流设定值I_{set_er}时，获取机械开关位移信息，并根据所述位移信息判断机械开关是否偷跳。

进一步地，所述的保护方法还包括：

当转移支路电流I_T≤预设电流值I_set1时，判断转移支路在预设时间内的热量Q是否大于预设热量值Q_set；

若是，则执行断路器分断。

进一步地，所述的保护方法还包括：

若转移支路在预设时间内的热量Q≤预设热量值Q_set，则进行机械开关重新合闸。

这样的保护措施，保证了断路器在运行过程中遇到机械开关偷跳故障，既可以根据转移支路电力电子器件的结温要求及时保护转移支路，若是没有达到热量阈值，及时重合机械开关，最大限度保证断路器系统正常运行；同时，还可以在无电流或者小电流工况下，不再判断电流关系，优化检测流程。

本发明实施例中，转移支路在预设时间内积累的容量Q＝∫|I_T|²*R*t，其中，t为预设时间，R为转移支路导通时整个转移支路串联电力电子器件及杂散电感的等效阻值，Q_set可以通过仿真断路器耗能支路避雷器所能承受的最大分断能量整定。

进一步地，当机械开关重新合闸失败时执行断路器分断。

具体地，所述第一预设电流差值Δi₁≥Δi₂*(1+r％)的最小整定值，其中，电流测量装置的测量误差≤r％，Δi₂为机械开关正常合闸时转移支路的漏电流。

参见图5，以下为本申请的一个具体实施例：

一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测与保护方法，包括如下步骤：

(1)断路器合闸成功时刻T₀，根据测量装置反馈的线路电流I_L是否满足I_L≤I_{set_er}，判定断路器是否带电流合闸；

(2)若线路电流满足I_L≤I_{set_er}，则判定断路器合闸于无电流或者小电流，进入步骤(3)，否则进入步骤(8)；

(3)当检测到机械开关中间标志位有效，则判定机械开关偷跳，断路器进入重合闸流程；否则，表明此次断路器合闸成功；

(4)判断转移支路的热量累积Q，若Q<Q_set，则进入步骤(5)；否则，闭锁转移支路，分断断路器；

(5)断路器下发机械开关重合闸指令，若机械开关重合闸失败，则断路器进入分闸流程，完成断路器分断；

(6)|线路电流I_L-主支路电流I_M|≥Δi₁，判定线路电流没有转移到主支路；

(7)|转移支路电流I_T|≥Δi₂，判定合闸状态下转移支路电流异常；

(8)在有大电流工况下，同时满足(6)和(7)，则判定主支路机械开关偷跳，进入步骤(4)。

本实施例提出一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测与保护方法，通过监控机械开关装置本体中间位置传感器以及线路电流、主支路电流和转移支路电流判定断路器在合闸之后，电流是否正常导通以及合闸之后机械开关若存在故障偷跳断开或者合闸不到位时，能够迅速检测并处理故障，保障断路器本体设备稳定安全运行。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳的检测方法，其特征在于，包括

当混合式高压直流断路器合闸时，开始实时检测进入混合式高压直流断路器的线路电流I_L；

判断所述线路电流I_L是否大于零电流设定值I_{set_er}；

若是，则判断|线路电流I_L-主支路电流I_M|≥第一预设电流差值Δi₁、|转移支路电流I_T|≥第二预设电流差值Δi₂是否同时成立；

若是，则确定机械开关偷跳。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还包括：

若|线路电流I_L-主支路电流I_M|≥第一预设电流差值Δi₁、|转移支路电流I_T|≥第二预设电流差值Δi₂中至少有一个不成立时，则确定机械开关未偷跳。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还包括：

当所述线路电流I_L≤零电流设定值I_{set_er}时，获取机械开关位移信息，并根据所述位移信息判断机械开关是否偷跳。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，电流测量装置的测量误差≤r％，所述第一预设电流差值Δi₁≥Δi₂*(1+r％)的最小整定值，Δi₂为机械开关正常合闸后主支路和转移支路导通时转移支路中的漏电流。

5.一种混合式高压直流断路器机械开关偷跳保护方法，其特征在于，包括：

当混合式高压直流断路器合闸时，开始实时检测进入混合式高压直流断路器的线路电流I_L；

判断所述线路电流I_L是否大于零电流设定值I_{set_er}；

若是，则判断|线路电流I_L-主支路电流I_M|≥第一预设电流差值Δi₁、|转移支路电流I_T|≥第二预设电流差值Δi₂是否同时成立；

若是，则确定机械开关偷跳；

当确定机械开关偷跳时，判断转移支路电流I_T＞预设电流值I_set1是否成立；

若是，则执行断路器分断。

6.根据权利要求5所述的保护方法，其特征在于，还包括：

当所述线路电流I_L≤零电流设定值I_{set_er}时，获取机械开关位移信息，并根据所述位移信息判断机械开关是否偷跳。

7.根据权利要求5或6所述的保护方法，其特征在于，还包括：

当转移支路电流I_T≤预设电流值I_set1时，判断转移支路在预设时间内的热量Q是否大于预设热量值Q_set；

若是，则执行断路器分断。

8.根据权利要求7所述的保护方法，其特征在于，还包括：

若转移支路在预设时间内的热量Q≤预设热量值Q_set，则进行机械开关重新合闸。

9.根据权利要求8所述的保护方法，其特征在于，当机械开关重新合闸失败时执行断路器分断。

10.根据权利要求5所述的保护方法，其特征在于，电流测量装置的测量误差≤r％，所述第一预设电流差值Δi₁≥Δi₂*(1+r％)的最小整定值，Δi₂为机械开关正常合闸后主支路和转移支路导通时转移支路中的漏电流。

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