CN114859162A - 基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法及系统 - Google Patents

基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法及系统 Download PDF

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谢彦召
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张博皓
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胡俊华
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Abstract

本发明公开了一种基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法及系统，通过监测和判断关键设备在系统操作及故障条件下引起的瞬态电场信号作为判断设备动作时序的有效手段。本发明通过实验验证，系统操作及故障条件下引起瞬态电场信号可以作为监测和判断设备动作时序的有效手段，且时序检测精度高达微秒级别，远高于目前直流输电系统内电压、电流信号监测系统的响应速度，同时该方法具有成本低、非接触式、操作灵活等优点，在柔直系统设备状态监测的应用中具有潜在工程价值。

Description

基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方 法及系统
技术领域
本发明属于输电变电站设备故障诊断技术领域，具体涉及一种基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法及系统，即一种基于瞬态电场的非接触式柔直系统MMC及直流断路器动作时序检测方法及系统。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)和直流断路器是直流输电工程的关键设备，特别在柔性直流输电和直流电网中具有重要的作用。柔直系统变电站的一次设备与二次控制设备距离近，电磁兼容与电磁安全问题突出。同时直流断路器的工作原理与过程相比交流断路器更为复杂，迫切需要对其工作状态进行监测，以保障柔直电网的安全运行。
试验表明MMC和断路器在进行开关操作时，所引发的系统电压、电流突变过程会在断路器周围外部空间辐射出瞬态电磁场(以下简称“开关辐射场”)。开关辐射场能够反映出断路器的工作过程，国际大电网委员会(CIGRE/CIRED)专门成立了联合工作组来研究断路器等高压开关的非接触式状态监测方法，特别指出了利用开关辐射场来进行断路器状态监测的有效性。测量结果表明，开关辐射场能够反映出直流断路器的工作过程，如混合式直流断路器开断过程中的主支路及转移支路闭锁过程、换流阀闭锁、交流断路器闭锁等动作。可见对于柔直系统关键设备，无论从电磁兼容的角度，还是从设备状态监测的角度，均需要对其开关辐射场进行深入研究。
目前直流换流站中的故障监测系统大都直接基于对设备电流、电压的测量，监测系统采样率只有10Ksps，对应的响应时间大于0.1ms，该时间精度无法提前或及时发现设备故障，进而导致无法采取相应保护操作。尚未发现在直流系统中基于电磁场信号对设备进行动作时序检测及故障诊断的相关报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法及系统，能够实现直流系统中基于电磁场信号对设备进行动作时序检测及故障诊断的目的，从而提前或及时发现设备故障，积极采取相应措施进行设备保护操作，降低风险和故障率。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法，包括以下步骤：
1)在直流换流站的关键设备周围布放电场传感器；
2)对直流换流站的关键设备进行电场监测并记录：正常状态下电场监测无瞬态电场信号；当监测到脉冲电场信号时，判断系统有无人为操作发生，若没有，则判断当前系统存在故障风险；
3)基于步骤2)电场监测反映的波形时序规律，与该关键设备的历史电场数据特征相比较，判断系统处于正常动作或发生故障。
优选地，步骤1)中，布放电场传感器的位置包括：母线出线处、阀电路部件、阀与穿墙套管间的器件、连接线与换流器和交流滤波器之间的电路器件、连接线与阀厅穿墙套管与直流母线之间的器件以及直流场母线和电力线连接线附近位置。
进一步优选地，布放电场传感器的位置根据测点现场实际需求选择3～6个测试点。
优选地，步骤1)中，电场传感器的响应频带覆盖10kHz-500MHz的范围，测量范围为-50kV/m到50kV/m。
优选地，步骤2)中，采用基于电小天线原理的纳秒级瞬态电场光纤测量系统进行电场监测。
优选地，步骤3)中，基于测量电场反映的波形时序规律，与关键设备的历史数据特征相比较：
当脉冲数量、起始时刻特征量与正常数据库波形规律相符的时候，系统处于正常动作状态；
当在正常电场脉冲之外，出现毛刺高频脉冲、脉冲群或衰减振荡波噪声脉冲时，判断系统处于故障状态。
本发明还公开了实现上述的基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法的系统，包括：电场监测模块、波形特征比较模块以及若干个待布设的电场传感器；其中，
所述若干个电场传感器，布设在直流换流站的关键设备周围；
所述电场监测模块，用于对直流换流站的关键设备进行电场监测并记录，正常状态下电场监测无瞬态电场信号；当监测到脉冲电场信号时，判断系统有无人为操作发生，若没有，则判断当前系统存在故障风险；
所述波形特征比较模块，用于比较测量电场反映的波形时序规律与关键设备的历史电场数据特征，判断系统处于正常动作或发生故障状态。
优选地，若干个待布设的电场传感器根据测点现场实际需求选择布设3～6个。
优选地，布放电场传感器的位置包括：母线出线处、阀电路部件、阀与穿墙套管间的器件、连接线与换流器和交流滤波器之间的电路器件、连接线与阀厅穿墙套管与直流母线之间的器件以及直流场母线和电力线连接线附近位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过监测和判断设备在系统操作及故障条件下引起的瞬态电场信号作为判断设备动作时序的有效手段，柔直换流站阀厅内的阀模块及高压直流断路器等关键设备中存在大量晶闸管等半导体开关器件，这些器件的开通与关断过程会引发瞬态可测电磁辐射。换流站的开关操作(如MMC和断路器开关操作)瞬间会产生单个或多个具有快前沿、宽频谱的暂态脉冲信号，其脉冲时序与系统操作密切相关。本发明通过实验验证，系统操作及故障条件下引起瞬态电场信号可以作为监测和判断设备动作时序的有效手段，且时序检测精度高达微秒级别，远高于目前直流输电系统内电压、电流信号监测系统的响应速度，同时该方法具有成本低、非接触式、操作灵活等优点，在柔直系统设备状态监测的应用中具有潜在工程价值。
附图说明
图1为本发明电场测量系统原理图；
图2为本发明基于棒状电小天线的电场传感器外形图；
图3为本发明直流场内瞬态电场测点示意图；
图4为本发明测量装置现场布放图；
图5为本发明正极短路试验换流站主设备动作示意图；
图6为本发明定海换流站正极接地短路试验测量结果；
图7为本发明正极对地短路情况下电场测量结果；
图8为本发明MMC闭锁导致的电场信号波形。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，为本发明的测量设备，由于直流场内电磁环境复杂，具有高场强电磁信号干扰，因此应保证电场测量系统的良好屏蔽和信号传输过程中的抗干扰性能。在测量中采用抗电磁干扰的瞬态电磁环境光纤测量系统，电场测量探头的3dB模拟工作带宽为10kHz～500MHz，通过调节电小天线的长度，测量范围可以自100mV/m变化到50kV/m。
光纤瞬态电场测试系统由电场接收天线、电光转换模块与光接收机组成。图1给出了电场测量系统的结构图。阻抗匹配模块实现棒状单极子天线与电路板的阻抗匹配。单极子天线的低频截止频率由天线端接负载电阻应远大于负载容抗的条件所限定，一般直接采用高输入阻抗的运算放大器来接收天线信号，可使传感器整体低频截止频率在10kHz以下，满足瞬态电场脉冲的测试要求。信号调理及分压电路模块主要采用运算放大器和分压电容的方式来调节信号的转折频率和幅值。DFB激光器和直流偏置电路将电信号转为光信号发送，通过光纤实现光信号的传输。在接收端通过PIN光电二极管将光信号转为电信号，经过阻抗匹配模块、宽带放大模块实现数字电信号的输出。光功率显示电路可实时监测并显示光接收机的光功率。
整个电场测量系统的工作过程为：由宽频带的棒状单极子天线接收空间中的脉冲电场信号，该信号经电光转换模块转换为光信号后利用光纤进行远距离传输，在接收端利用光接收机进行光电转换并最终将接收信号输入示波器。利用光纤可以避免电信号在长同轴电缆中传播所带来的信号畸变问题，以及外部电磁场对同轴电缆的干扰问题。
本发明经试验所设计的电场传感器的实物图如图2所示。同时，从图3可以看出，电场传感器布放于柔直系统换流站阀塔或断路器等关键设备的周围。建议选取母线出线处、阀电路部件、阀与穿墙套管间的器件或者连接线、换流器和交流滤波器之间的电路器件或者连接线、阀厅穿墙套管与直流母线之间的器件、直流场母线和电力线连接线附近位置。测点视现场情况选取3-6个测点。
根据标定结果，可推导出电场测量系统的响应带宽为10kHz～500MHz，测量范围为-50kV/m到50kV/m。
瞬态电场测量系统采用单极子电小天线作为电场测量天线，经研究，断路器等设备的瞬态辐射信号多为10kHz以上频率成分，因此认为D-dot天线的带宽满足测试要求。
下面以实例进行分析，说明本发明检测方法的可行性。
以舟山市定海换流站±200kV柔性直流输电系统人工短路试验为例，典型布置如图3所示，共布置了6个测点，测量Z方向(垂直地面方向)的电场。其中①点位于两台断路器的中间，并架高地面0.5m以防止地面反射场的影响，②～⑤点位于断路器周边栏杆上，距离地面2m，现场典型布放图如图4所示。系统发生正极短路，系统的动作时序如图5所示：0ms发生正极接地短路故障，11ms换流阀闭锁，13ms直流断路器主支路闭锁，由于此时电流较小，为延长直流断路器快速机械开关寿命，此时快速机械开关处于“慢分”状态，动作时达22ms，35ms直流断路器转移支路闭锁，54ms交流断路器断开。
表1展示的是电场测量时序与设备实际动作或故障的对应关系表。
表1正极短路条件下电场测量结果与设备动作的时序对应关系
Figure BDA0003673285850000061
Figure BDA0003673285850000071
电抗器与线缆连接处电压的测量结果如图6所示。0时刻(t0)故障发生，交流电压中性点偏移，换流阀中受影响的子模块较少，短路电流上升较缓慢，在5ms内上升至1.3kA峰值后开始下降，未达到直流断路器动作电流。由于舟山柔直系统中性点未接地，单极接地短路故障时健全极(负极)电压在t0后会翻升至额定值的2倍。因负极线避雷器的作用，此时负极电压被钳制在–380kV左右。经约11.607ms的时延，在t1时刻，换流阀闭锁，正极电压形成高频振荡，负极电压开始缓慢回升，故障电流开始迅速下降，同时给直流断路器发送分断指令，直流断路器主支路在t2时刻闭锁，然而从图6中无法从电压波形看出主支路闭锁时刻的明显特征。约1ms之后的t4时刻，负极的金属氧化避雷器(MOA)开始恢复，使负极电压回升至-200kV。最后故障点被隔离，直流极线电流降为零，正极电压恢复至额定值200kV。
以上过程中，现场测量得到的电场时序波形如图7和图8所示。对照图5和图6的操作时序和电压波形可知几乎每一次设备动作都会产生具有明显特征的瞬态电场。P1由故障瞬间产生，由于测点2、3在正极母线附近，其电场波形区别于1、4，呈现出明显的振荡波。由P2脉冲的局部放大图可以看出，电场在t1时刻突变，下降沿为微秒级别，其变化率dE/dt远高于dV/dt，基于电场波形得出的MMC闭锁时间为t1＝11.607ms，时间精度可达微妙级别，由传统电压测量手段得出的动作时间精度为毫秒级别。对应t4时刻，故障点被隔离，故障极电流降为零，电压开始恢复至额定值，可在负极母线附近测得P3-1和P3-4。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在直流换流站的关键设备周围布放电场传感器；
2)对直流换流站的关键设备进行电场监测并记录：正常状态下电场监测无瞬态电场信号；当监测到脉冲电场信号时，判断系统有无人为操作发生，若没有，则判断当前系统存在故障风险；
3)基于步骤2)电场监测反映的波形时序规律，与该关键设备的历史电场数据特征相比较，判断系统处于正常动作或发生故障。
2.根据权利要求1所述的基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法，其特征在于，步骤1)中，布放电场传感器的位置包括：母线出线处、阀电路部件、阀与穿墙套管间的器件、连接线与换流器和交流滤波器之间的电路器件、连接线与阀厅穿墙套管与直流母线之间的器件以及直流场母线和电力线连接线附近位置。
3.根据权利要求2所述基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法，其特征在于，布放电场传感器的位置根据测点现场实际需求选择3～6个测试点。
4.根据权利要求1所述的基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法，其特征在于，步骤1)中，电场传感器的响应频带覆盖10kHz-500MHz的范围，测量范围为-50kV/m到50kV/m。
5.根据权利要求1所述的基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法，其特征在于，步骤2)中，采用基于电小天线原理的纳秒级瞬态电场光纤测量系统进行电场监测。
6.根据权利要求1所述的基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法，其特征在于，步骤3)中，基于测量电场反映的波形时序规律，与关键设备的历史数据特征相比较：
当脉冲数量、起始时刻特征量与正常数据库波形规律相符的时候，系统处于正常动作状态；
当在正常电场脉冲之外，出现毛刺高频脉冲、脉冲群或衰减振荡波噪声脉冲时，判断系统处于故障状态。
7.实现权利要求1～6中任意一项所述的基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法的系统，其特征在于，包括：电场监测模块、波形特征比较模块以及若干个待布设的电场传感器；其中，
所述若干个电场传感器，布设在直流换流站的关键设备周围；
所述电场监测模块，用于对直流换流站的关键设备进行电场监测并记录，正常状态下电场监测无瞬态电场信号；当监测到脉冲电场信号时，判断系统有无人为操作发生，若没有，则判断当前系统存在故障风险；
所述波形特征比较模块，用于比较测量电场反映的波形时序规律与关键设备的历史电场数据特征，判断系统处于正常动作或发生故障状态。
8.根据权利要求7所述的基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法的系统，其特征在于，若干个待布设的电场传感器根据测点现场实际需求选择布设3～6个。
9.根据权利要求7所述的基于瞬态电场的非接触式柔直系统关键设备动作时序检测方法的系统，其特征在于，布放电场传感器的位置包括：母线出线处、阀电路部件、阀与穿墙套管间的器件、连接线与换流器和交流滤波器之间的电路器件、连接线与阀厅穿墙套管与直流母线之间的器件以及直流场母线和电力线连接线附近位置。
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