CN113030776A - 柔性直流穿墙套管监控装置、监测方法及故障判断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种柔性直流穿墙套管监控装置、监测方法及故障判断方法，该故障判断方法，根据各相电压关系表达式迭代计算各时刻各相电压的比例变化量，将各时刻各相电压的比例变化量与柔性直流穿墙套管的击穿的电容量进行比对，判定柔性直流穿墙套管的故障相。本发明的有益效果是：利用柔性直流穿墙套管的电压谐波分量，采用电容耦合装置对套管末屏电压进行实时监测，对比不同时刻三相柔性直流套管末屏电压值的变化量，计算得到三相套管电容量的变化比例，从而判断套管电容屏是否发生故障。

Description

柔性直流穿墙套管监控装置、监测方法及故障判断方法
技术领域
本发明涉及电力系统输变电技术领域，尤其涉及一种柔性直流穿墙套管监控装置、监测方法及故障判断方法。
背景技术
柔性直流穿墙套管用于柔性直流输电工程的桥臂电抗器与换流器之间，运行电流为直流电流及换流器交流环流的叠加，运行电压为直流电压及环流交流电压降叠加。以某柔性直流工程为例，其穿墙套管在柔直系统中的位置如图1椭圆位置所示。柔性直流穿墙套管电容芯子采用环氧树脂浸纸式结构，铝箔电极的作用是均匀套管轴向和径向电场分布。套管内部发生故障的过程如下：首先内部铝箔电极中的一屏击穿，该屏击穿后，其他电容屏的电压重新分配，靠近击穿屏的铝箔电极间受到故障点电热效应影响，绝缘逐渐劣化，且故障点附件电场畸变，可能引起多屏铝箔电极击穿，导致剩余完好的电容屏击穿概率增大。若套管主绝缘电容屏全部击穿，将导致套管高压对地发生贯穿性放电，并流过较大的短路电流。
专利号CN106896257B一种超高压穿墙套管的电气状态检测系统，主要通过检测外接电容的电压和检测外接电流互感器的电流，以实现穿墙套管的状态监控，但该方法在套管末屏开路时未能有效判断故障,可能引起误判断。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种柔性直流穿墙套管监控装置、监测方法及故障判断方法，主要解决背景技术的问题。
为解决上述技术问题，本发明第一方面提出一种柔性直流穿墙套管监控装置，包括电流互感器CT，所述电流互感器CT的一次侧用于接入所述柔性直流穿墙套管的套管主电容CTH，所述电流互感器CT的二次侧并联有末屏对地电容CTL、监测电容C1、监测电容C2、监测电容C3、放电电阻R1以及压敏保护电阻R2，所述末屏对地电容CTL单独接地，所述监测电容C1、监测电容C2、监测电容C3、放电电阻R1以及压敏保护电阻R2共地。
本发明第二方面提出一种柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，用于上述的柔性直流穿墙套管监控装置，包括以下步骤：
建立所述柔性直流穿墙套管的对地电压解析式；
获取所述监测电容C1、所述监测电容C2和所述监测电容C3的电容量，并设置所述监测电容C1、所述监测电容C2和所述监测电容C3并联后的电容量为总电容C，所述总电容C的电容量至少十倍于所述柔性直流穿墙套管的套管主电容CTH和所述末屏对地电容CTL的电容量，并计算出三相末屏电压表达式；
联立所述对地电压解析式和所述三相末屏电压表达式，得到三相谐波电压比例表达式；
根据初始套管电容量测试数据计算得到末屏电压和三相谐波电压的比例关系表达式；
当所述柔性直流穿墙套管电容量正常时，根据实时监测到的末屏对地电容CTL的电容值，通过所述比例关系表达式计算得到三相系统谐波电压表达式，将所述三相系统谐波电压表达式转换为各相电压关系表达式；
根据所述柔性直流穿墙套管的监测取样时刻，以及所述三相系统谐波电压表达式，计算得到故障后的三相柔性直流穿墙套管的电容量。
本发明第三方面提出一种柔性直流穿墙套管故障判断方法，用于上述的柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，根据所述各相电压关系表达式迭代计算各时刻各相电压的比例变化量，将所述各时刻各相电压的比例变化量与柔性直流穿墙套管的击穿的电容量进行比对，判定柔性直流穿墙套管的故障相。
本发明的有益效果为：通过利用柔性直流穿墙套管的电压谐波分量，采用电容耦合装置对套管末屏电压进行实时监测，对比不同时刻三相柔性直流套管末屏电压值的变化量，计算得到三相套管电容量的变化比例，从而判断套管电容屏是否发生故障。
附图说明
图1为现有柔性直流系统接线示意图；
图2为本发明实施例一公开的柔性直流穿墙套管监控装置的电路原理图；
图3为本发明实施例三公开的柔性直流穿墙套管故障判断方法的逻辑框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
根据图2所示,本实施例提出了一种柔性直流穿墙套管监控装置，包括电流互感器CT，电流互感器CT的一次侧用于接入柔性直流穿墙套管的套管主电容CTH，电流互感器CT的二次侧并联有末屏对地电容CTL、监测电容C1、监测电容C2、监测电容C3、放电电阻R1以及压敏保护电阻R2，末屏对地电容CTL单独接地，监测电容C1、监测电容C2、监测电容C3、放电电阻R1以及压敏保护电阻R2共地。
实施例二
一种柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，用于实施例一所述的柔性直流穿墙套管监控装置，包括以下步骤：
建立柔性直流穿墙套管的对地电压解析式；
图1中穿墙套管的对地电压解析式为：
Figure BDA0003001490890000041
γh＝hγvx
Figure BDA0003001490890000042
其中，Udc为直流分量，Uac为总交流谐波分量，k为任意正整数，N为任意正整数，h为谐波次数，γvx为任一相调制波的初相位，x＝A/B/C，s为第一个1/4周期内电平跃变的总次数，θi为第i次电平跃变所对应的电角度。
获取监测电容C1、监测电容C2和监测电容C3的电容量，并设置监测电容C1、监测电容C2和监测电容C3并联后的电容量为总电容C，总电容C的电容量至少十倍于柔性直流穿墙套管的套管主电容CTH和末屏对地电容CTL的电容量，并计算出三相末屏电压表达式；
三相末屏电压表达式为：
Figure BDA0003001490890000043
其中，CTH为套管主电容CTH的电容量，CTL为末屏对地电容的电容量，C为总电容C的电容量。设C1、C2、C3并联后的电容为C，其中C远大于CTH与CTL。
联立对地电压解析式和三相末屏电压表达式，得到三相谐波电压比例表达式；
系统谐波电压变化时，三相谐波电压比例保持不变，穿墙套管A、B、C三相末屏电压以相同比例变化。三相谐波电压比例表达式为：
Figure BDA0003001490890000051
其中，U`mo为当前末屏电压，U`mo为当前总交流谐波分量。
根据初始套管电容量测试数据计算得到末屏电压和三相谐波电压的比例关系表达式；
比例关系表达式为：
Figure BDA0003001490890000052
其中，kx为X相的末屏电压和X相谐波电压的比例关系，CTHx为X相套管的电容量。
当柔性直流穿墙套管电容量正常时，根据实时监测到的末屏对地电容CTL的电容值，通过比例关系表达式计算得到三相系统谐波电压表达式，将三相系统谐波电压表达式转换为各相电压关系表达式；
在套管电容量正常时，可计算得到三相系统谐波电压表达式为：
Uacx(tn)＝Umox(tn)/kx
其中，tn为柔性直流穿墙套管电容量正常时的监测取样时刻，n＝1、2、3....；Umox为X相的实时末屏电压。
各相电压关系表达式为：
p1＝UacA(tn)/UacB(tn)
p2＝UacB(tn)/UacC(tn)
p3＝UacC(tn)/UacA(tn)。
以A相套管为例，若A相套管主绝缘电容量变化为CTHa’
Figure BDA0003001490890000061
UmoA(tk)＝UacA(tk)·ka′
UmoB(tk)＝UacB(tk)·kb
UmoC(tk)＝UacC(tk)·kc
计算得到
UacA(tk)＝p1·UacB(tk)或UacA(tk)＝UacC(tk)/p3
根据柔性直流穿墙套管的监测取样时刻，以及三相系统谐波电压表达式，计算得到故障后的三相柔性直流穿墙套管的电容量。
故障后的三相柔性直流穿墙套管的电容量为：
Figure BDA0003001490890000062
实施例三
一种柔性直流穿墙套管故障判断方法，用于实施例二所述的柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，根据各相电压关系表达式迭代计算各时刻各相电压的比例变化量，将各时刻各相电压的比例变化量与柔性直流穿墙套管的击穿的电容量进行比对，判定柔性直流穿墙套管的故障相。
以图1的电路拓扑结构为例，柔性直流穿墙套安装在换流阀与桥臂电抗器之间，该处的电压为：
Figure BDA0003001490890000063
其中Udc/2为直流分量，
Figure BDA0003001490890000064
为总谐波分量，
以某柔直系统为例，柔性直流穿墙套管处的电压U的直流分量和谐波含量如表所示：
Figure BDA0003001490890000065
Figure BDA0003001490890000071
以上述工况说明实施本发明的一种具体方式，但是本发明不受具体实施例所限。以下为具体实施步骤：
步骤1：根据套管的产品说明书，得到套管的电容屏数和主绝缘电容量，套管屏数为88屏，A相电容量CTHa为1292pF，末屏对地电容为CTLa＝2010pF，B相电容量CTHb为1283pF，末屏对地电容为CTLb＝2200pF，C相电容量CTHc为1290pF，末屏对地电容为CTLc＝1998pF。测试电容C1//C2//C3＝C＝5.6uF，远大于CTH、CTL。计算得到套管正常状态下的电压折算比例参数：
Figure BDA0003001490890000072
Figure BDA0003001490890000073
Figure BDA0003001490890000074
步骤2：根据套管电容量正常初始时刻监测到的末屏电压信号，可计算得到三相系统谐波电压：
UacA(t1)＝UmoA(t1)/ka
UacB(t1)＝UmoB(t1)/kb
UacC(t1)＝UmoC(t1)/kc
步骤3：计算各时刻采样各相电压的关系得到
p1(tn)＝UacA(tn)/UacB(tn)
p2(tn)＝UacB(tn)/UacC(tn)
p3(tn)＝UacC(tn)/UacA(tn)
步骤4：迭代计算各时刻各相电压的比例关系变化量
q1(tn)＝(p1(tn)-p1(tn-1))/p1(tn-1)
q2(tn)＝(p2(tn)-p2(tn-1))/p2(tn-1)
q3(tn)＝(p3(tn)-p3(tn-1))/p3(tn-1)
步骤5：比较q1(tn)、q2(tn)、q3(tn)与2/88(按照等电容法设计套管2屏电容屏击穿的电容量变化判断故障)
若
Figure BDA0003001490890000081
B相套管故障；
若
Figure BDA0003001490890000082
A相套管故障；
若
Figure BDA0003001490890000083
C相套管故障。
本发明通过利用柔性直流穿墙套管的电压谐波分量，采用电容耦合装置对套管末屏电压进行实时监测，对比不同时刻三相柔性直流套管末屏电压值的变化量，计算得到三相套管电容量的变化比例，从而判断套管电容屏是否发生故障。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性直流穿墙套管监控装置，其特征在于，包括电流互感器CT，所述电流互感器CT的一次侧用于接入所述柔性直流穿墙套管的套管主电容CTH，所述电流互感器CT的二次侧并联有末屏对地电容CTL、监测电容C1、监测电容C2、监测电容C3、放电电阻R1以及压敏保护电阻R2，所述末屏对地电容CTL单独接地，所述监测电容C1、监测电容C2、监测电容C3、放电电阻R1以及压敏保护电阻R2共地。
2.一种柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，用于权利要求1所述的柔性直流穿墙套管监控装置，其特征在于，包括以下步骤：
建立所述柔性直流穿墙套管的对地电压解析式；
获取所述监测电容C1、所述监测电容C2和所述监测电容C3的电容量，并设置所述监测电容C1、所述监测电容C2和所述监测电容C3并联后的电容量为总电容C，所述总电容C的电容量至少十倍于所述柔性直流穿墙套管的套管主电容CTH和所述末屏对地电容CTL的电容量，并计算出三相末屏电压表达式；
联立所述对地电压解析式和所述三相末屏电压表达式，得到三相谐波电压比例表达式；
根据初始套管电容量测试数据计算得到末屏电压和三相谐波电压的比例关系表达式；
当所述柔性直流穿墙套管电容量正常时，根据实时监测到的末屏对地电容CTL的电容值，通过所述比例关系表达式计算得到三相系统谐波电压表达式，将所述三相系统谐波电压表达式转换为各相电压关系表达式；
根据所述柔性直流穿墙套管的监测取样时刻，以及所述三相系统谐波电压表达式，计算得到故障后的三相柔性直流穿墙套管的电容量。
3.如权利要求2所述的柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，其特征在于，所述对地电压解析式为：
Figure FDA0003001490880000021
γh＝hγvx
Figure FDA0003001490880000022
其中，Udc为直流分量，Uac为总交流谐波分量，k为任意正整数，N为任意正整数，h为谐波次数，γvx为任一相调制波的初相位，x＝A/B/C，s为第一个1/4周期内电平跃变的总次数，θi为第i次电平跃变所对应的电角度。
4.如权利要求3所述的柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，其特征在于，所述三相末屏电压表达式为：
Figure FDA0003001490880000023
其中，CTH为套管主电容CTH的电容量，CTL为末屏对地电容的电容量，C为总电容C的电容量。
5.如权利要求4所述的柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，其特征在于，所述三相谐波电压比例表达式为：
Figure FDA0003001490880000024
其中，U`mo为当前末屏电压，U`mo为当前总交流谐波分量。
6.如权利要求5所述的柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，其特征在于，所述比例关系表达式为：
Figure FDA0003001490880000031
其中，kx为X相的末屏电压和X相谐波电压的比例关系，CTHx为X相套管的电容量。
7.如权利要求6所述的柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，其特征在于，所述三相系统谐波电压表达式为：
Uacx(tn)＝Umox(tn)/kx
其中，tn为柔性直流穿墙套管电容量正常时的监测取样时刻，n＝1、2、3....；Umox为X相的实时末屏电压。
8.如权利要求7所述的柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，其特征在于，所述各相电压关系表达式为：
p1＝UacA(tn)/UacB(tn)
p2＝UacB(tn)/UacC(tn)
p3＝UacC(tn)/UacA(tn)。
9.如权利要求8所述的柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，其特征在于，所述故障后的三相柔性直流穿墙套管的电容量为：
Figure FDA0003001490880000032
10.一种柔性直流穿墙套管故障判断方法，用于权利要求2所述的柔性直流穿墙套管谐波电压及电容量监测方法，其特征在于，根据所述各相电压关系表达式迭代计算各时刻各相电压的比例变化量，将所述各时刻各相电压的比例变化量与柔性直流穿墙套管的击穿的电容量进行比对，判定柔性直流穿墙套管的故障相。
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CN117970181A (zh) * 2024-03-27 2024-05-03 南方电网科学研究院有限责任公司 一种变压器套管末屏接地失效检测装置
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