CN115112963A - 一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的方法和系统，包括：通过分压器获取直流开关耗能支路上避雷器的动作次数、当前动作时避雷器的两端电压差和动作时间；根据当前动作时避雷器的动作时间和额定动作时间之差，计算当前动作时避雷器的动作时间偏差；基于所述避雷器的动作次数和所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，预估当前动作后避雷器的剩余动作次数，作为避雷器在当前动作后电寿命的预测结果；本发明能够时刻监测直流开关耗能支路上避雷器的运行状态，及时发现异常的避雷器，为预防性工作提供指导。通过本发明提供的数据能够及时更换异常的避雷器，维持直流开关的正常开断性能和电气寿命，保证设备正常工作和系统安全运行。

Description

一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的方法和系统

技术领域

本发明属于直流开关领域，具体涉及一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的方法和系统。

背景技术

在现代电力电子技术和分布式电源的推动下，直流配电网具有巨大的发展前景。直流开关是一种抑制故障电流扩散，保证直流配电网安全运行和设备正常工作的有效设备。直流开关可分为固态式直流开关、机械式直流开关、主支路无电力电子开关的混合式直流开关和主支路有电力电子开关的混合式直流开关等方案。这几种直流开关的耗能支路均采用氧化锌避雷器吸收能量。但有时避雷器的结构不良、密封不严、阀片劣化、受潮及气候因素等条件的影响可能导致避雷器出现热崩溃或者爆炸。在直流开关开断过程中，金属氧化物避雷器需要释放大量能量且持续时间较长，随着直流开关运行时间的增加，多次动作后的避雷器有极大的概率发生劣化。因此，需要实时监测避雷器运行工况，第一时间找到异常的避雷器，并及时进行检修更换处理。由于直流开关造价昂贵，对避雷器工况的实时监测，采取预防性工作，有助于保证直流开关的正常工作，减少经济损失。

现行的氧化锌避雷器带电监测，大多是对泄露电流进行监测。由于泄露电流的大小在氧化锌避雷器的运行中易受到电场干扰、磁场干扰、系统电压波动及高次谐波的影响，在测量中容易产生较大的误差，影响后期的分析和判断，不能及时找到状态异常的避雷器，检修直流开关，不利于预防性工作的实施，对直流配电网安全运行构成隐患。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的方法，包括：

通过分压器获取直流开关耗能支路上避雷器的动作次数、当前动作时避雷器的两端电压差和动作时间；

根据当前动作时避雷器的动作时间和额定动作时间之差，计算当前动作时避雷器的动作时间偏差；

基于所述避雷器的动作次数和所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，预估当前动作后避雷器的剩余动作次数，作为避雷器在当前动作后电寿命的预测结果。

优选的，所述通过分压器获取直流开关耗能支路上避雷器的动作次数、当前动作时避雷器的两端电压差和动作时间，包括：

分别在避雷器两端部署分压器，得到两台分压器测量的避雷器两端的电压，通过避雷器两端的电压计算避雷器两端的电压差；或者，将避雷器两端分别与同一台分压器的两端连接，得到一台分压器测量的避雷器两端的电压差；

基于所述避雷器两端的电压差得到避雷器两端的电压差的差值曲线；

将所述差值曲线出现的陡增峰值次数作为避雷器的动作次数，所述差值曲线出现的陡增峰值和陡降峰值的时间间隔作为当前动作时避雷器的动作时间。

优选的，所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，按下式计算：

式中：ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，T为避雷器当前动作时间，

为避雷器的额定动作时间；

其中，避雷器当前动作时间T，按下式计算：

T＝Tb-Ta

式中：Ta为避雷器当前动作的电压陡增点时间，Tb为避雷器当前动作的电压陡降点时间。

优选的，所述当前动作后避雷器的剩余动作次数，按下式计算：

式中：N_res为当前动作后避雷器的剩余动作次数，ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，

为避雷器的额定动作时间，N_e为避雷器可靠动作的预期次数，N为避雷器的动作次数，α为预设系数。

优选的，所述预估当前动作后避雷器的剩余动作次数，作为避雷器在当前动作后电寿命的预测结果之后，还包括：

将当前动作后避雷器的剩余动作次数与设定阈值对比，判断避雷器是否疲劳。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的系统，其特征在于，包括：数据获取模块、偏差计算模块和电寿命预测模块；

所述数据获取模块，用于通过分压器获取直流开关耗能支路上避雷器的动作次数、当前动作时避雷器的两端电压差和动作时间；

所述偏差计算模块，用于根据当前动作时避雷器的动作时间与额定动作时间之差，计算当前动作时避雷器的动作时间偏差；

所述电寿命预测模块，用于基于所述避雷器的动作次数和所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，预估当前动作后避雷器的剩余动作次数，作为避雷器在当前动作后电寿命的预测结果。

优选的，所述数据获取模块包括：电压测量单元、差值曲线单元和数据获取单元；

所述电压测量单元，用于分别在避雷器两端部署分压器，得到两台分压器测量的避雷器两端的电压，通过避雷器两端的电压计算避雷器两端的电压差；或者，将避雷器两端分别与同一台分压器的两端连接，得到一台分压器测量的避雷器两端的电压差；

所述差值曲线单元，用于基于所述避雷器两端的电压差得到避雷器两端的电压差的差值曲线；

所述数据获取单元，用于将所述差值曲线出现的陡增峰值次数作为避雷器的动作次数，所述差值曲线出现的陡增峰值和陡降峰值的时间间隔作为当前动作时避雷器的动作时间。

优选的，所述电寿命预测模块，包括：预测单元和判断单元；

所述预测单元，用于预估当前动作后避雷器的剩余动作次数；

所述判断单元，用于将当前动作后避雷器的剩余动作次数与设定阈值对比，判断避雷器是否疲劳。

优选的，所述当前动作后避雷器的剩余动作次数，按下式计算：

式中：N_res为当前动作后避雷器的剩余动作次数，ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，

为避雷器的额定动作时间，N_e为避雷器可靠动作的预期次数，N为避雷器的动作次数，α为预设系数。

优选的，所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，按下式计算：

式中：ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，T为避雷器当前动作时间，

为避雷器的额定动作时间；

其中，避雷器当前动作时间T，按下式计算：

T＝Tb-Ta

式中：Ta为避雷器当前动作的电压陡增点时间，Tb为避雷器当前动作的电压陡降点时间。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

本发明提供了一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的方法和系统，包括：通过分压器获取直流开关耗能支路上避雷器的动作次数、当前动作时避雷器的两端电压差和动作时间；根据当前动作时避雷器的动作时间和额定动作时间之差，计算当前动作时避雷器的动作时间偏差；基于所述避雷器的动作次数和所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，预估当前动作后避雷器的剩余动作次数，作为避雷器在当前动作后电寿命的预测结果；本发明能够时刻监测避雷器的运行状态，及时发现异常的避雷器，为直流开关的预防性工作提供指导。

通过本发明提供的数据能够及时更换异常的避雷器，维持直流开关的正常开断性能和电气寿命，节省故障损耗开支，保证设备正常工作和直流系统安全运行。

附图说明

图1为本发明提供的一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的方法流程示意图；

图2为直流开关正常开断短路电流时的波形图；

图3为避雷器疲劳状态下的一次开断波形图；

图4为直流开关失败开断波形图；

图5为固态式直流开关用分压器监测的拓扑图；

图6为机械式直流开关用分压器监测的拓扑图；

图7为主支路无电力电子开关的混合式直流开关用分压器监测的拓扑图；

图8为主支路有电力电子开关的混合式直流开关用分压器监测的拓扑图；

图9为本发明提供的一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的系统基本结构示意图；

图10为本发明提供的一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的系统详细结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

实施例1：

本发明提供的一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的方法流程示意图，如图1所示，包括：

步骤1：通过分压器获取直流开关耗能支路上避雷器的动作次数、当前动作时避雷器的两端电压差和动作时间；

步骤2：根据当前动作时避雷器的动作时间和额定动作时间之差，计算当前动作时避雷器的动作时间偏差；

步骤3：基于所述避雷器的动作次数和所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，预估当前动作后避雷器的剩余动作次数，作为避雷器在当前动作后电寿命的预测结果。

其中，步骤1前还包括：分析避雷器动作时的两端电压差与时间的对应关系；

直流开关在直流电网的应用中目前采用的都是强迫过零的几种拓扑方案，他们基本上是由主支路、转移支路和耗能支路并联组成，可分为固态式直流开关、机械式直流开关、主支路无电力电子开关的混合式直流开关、主支路有电力电子开关的混合式直流开关等方案。这几种直流开关的共同点是均需采用避雷器元件构成耗能支路。以混合式直流开关为例，当发生短路故障时，直流开关主支路的机械开关内触头首先分离，电弧开始燃烧，触头之间建立有效的电弧电压，在电弧电压的作用下，转移支路被导通，随后电流由主支路转移至转移支路。第一次换流过程完成，机械开关内电流降至为零，电弧熄灭。随后转移支路电力电子器件由导通转变为关断状态，转移支路的电流开始转移至耗能支路，此过程也被称作为第二次换流，此时直流开关两端的恢复电压迅速上升；当恢复电压上升至耗能装置金属氧化物避雷器的持续最大运行电压时，金属氧化物避雷器进入导通状态，吸收这部分能量，将故障电流降至为零，直流开关完成故障电流开断。

氧化锌避雷器的带电监测大多是对泄露电流的监测，由于氧化锌避雷器运行中泄露电流大小容易受到电场干扰、磁场干扰、系统电压波动及高次谐波的影响，在测量中带来较大的误差，对后期的分析和判断带来很多困难。本发明依据直流开关多次电流开断试验的经验，通过监测耗能支路的避雷器的电压及动作时间来监测直流开关的运行状态。

在试验中，直流开关正常开断故障电流时，正常开断短路电流如图2所示，VALL通道显示的是避雷器两端的电压情况，IALL通道显示的是直流开关的电流情况。电压陡增起点Ta对应的是IALL通道的电流峰值Ta点，电压陡降点Tb对应的是IALL通道电流归零的Tb点。Ta点开始，避雷器两端的暂态耐受电压达到了避雷器的动作电压，避雷器动作，开始泄放电能，由转移支路转移过来的电流从峰值开始下降。到达Tb点时，电能泄放完成，避雷器变成绝缘状态，电流归零。避雷器的动作时间是图2中IALL通道电流从峰值开始，直到电流下降到零线附近的时间，即Tb-Ta，避雷器的动作时间越短越好，当动作时间变长，说明内部阀片可能劣化，暂态电压耐受能力下降，导致能量释放时间变长。图3为直流开关多次电流开断试验后，避雷器疲劳状态下的一次开断波形图，动作时间明显延长。图4为之后的电流开断失败的波形图，断路器无法开断电流，判断是避雷器故障，更换避雷器后直流开关恢复了正常。经厂家解体避雷器发现阀片碳化严重，这只避雷器经过了数次冲击耐受试验，已无法再承受再一次的冲击。

本发明的目的是提供一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的方法和系统，以及时发现避雷器异常并提前更换避雷器，保证直流开关的正常开断性能和电寿命。

本发明在前述直流开关的工作原理基础上，实时监测耗能支路上的避雷器的动作电压及动作时间，分析判断避雷器运行状态是否异常，达到对直流开关的运行状态监测和电寿命预测的目的。

步骤1具体包括：

分别在避雷器两端部署分压器，得到两台分压器测量的避雷器两端的电压，通过避雷器两端的电压计算避雷器两端的电压差；或者，将避雷器两端分别与同一台分压器的两端连接，得到一台分压器测量的避雷器两端的电压差；

在避雷器两端分别接一台分压器，或采用一台分压器悬浮测量避雷器两端电压。

固态式直流开关、机械式直流开关、主支路无电力电子开关的混合式直流开关和主支路有电力电子开关的混合式直流开关采用一台分压器悬浮测量避雷器两端电压的拓扑图如图5、图6、图7和图8所示。

基于所述避雷器两端的电压差得到避雷器两端的电压差的差值曲线；

避雷器两端的电压差的差值曲线即避雷器的动作电压曲线VALL。

将所述差值曲线出现的陡增峰值次数作为避雷器的动作次数，所述差值曲线出现的陡增峰值和陡降峰值的时间间隔作为当前动作时避雷器的动作时间。

步骤2具体包括：

根据测得的避雷器的动作电压曲线VALL，获得避雷器的电压陡增点时间和电压陡降点时间Ta和Tb，如图2所示。

实际使用中的直流开关应在产品进行型式试验中测定避雷器元件的额定动作时间

进一步得到避雷器动作时间偏差ΔT。

所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，按下式计算：

式中：ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，T为避雷器当前动作时间，

为避雷器的额定动作时间；

其中，避雷器当前动作时间T，按下式计算：

T＝Tb-Ta

式中：Ta为避雷器当前动作的电压陡增点时间，Tb为避雷器当前动作的电压陡降点时间。

步骤3中，当前动作后避雷器的剩余动作次数，按下式计算：

式中：N_res为当前动作后避雷器的剩余动作次数，ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，

为避雷器的额定动作时间，N_e为避雷器可靠动作的预期次数，N为避雷器的动作次数，α为预设系数。

根据步骤1测得的避雷器动作次数N，和步骤2得到的避雷器动作时间偏差ΔT，计算避雷器的预期电寿命，即剩余动作次数N_res。

由设备型式试验得到直流开关所采用避雷器的预期电寿命，即可靠动作的预期次数，记为N_e。

当1≤N≤0.6N_e且

时：

当1≤N≤0.6N_e且

时：

当1≤N≤0.6N_e且

时：

当0.6N_e＜N≤N_e且

时：

当0.6N_e＜N≤N_e且

时：

当0.6N_e＜N≤N_e且

时：

将当前动作后避雷器的剩余动作次数与设定阈值对比，判断避雷器是否疲劳。

增设告警信号，当步骤3测得的N_res＜0.4(N_e—N)时，给出避雷器电气寿命告警信号，以提前对避雷器疲劳的直流开关进行检修并更换避雷器，以保证直流开关的正常开断。

实施例2：

基于同一发明构思，本发明还提供了一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的系统。

该系统的基本结构如图9所示，包括：数据获取模块、偏差计算模块和电寿命预测模块；

其中，数据获取模块，用于通过分压器获取直流开关耗能支路上避雷器的动作次数、当前动作时避雷器的两端电压差和动作时间；

偏差计算模块，用于根据当前动作时避雷器的动作时间与额定动作时间之差，计算当前动作时避雷器的动作时间偏差；

电寿命预测模块，用于基于所述避雷器的动作次数和所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，预估当前动作后避雷器的剩余动作次数，作为避雷器在当前动作后电寿命的预测结果。

该系统详细结构如图10所示。

其中，数据获取模块包括：电压测量单元、差值曲线单元和数据获取单元；

电压测量单元，用于分别在避雷器两端部署分压器，得到两台分压器测量的避雷器两端的电压，通过避雷器两端的电压计算避雷器两端的电压差；或者，将避雷器两端分别与同一台分压器的两端连接，得到一台分压器测量的避雷器两端的电压差；

差值曲线单元，用于基于所述避雷器两端的电压差得到避雷器两端的电压差的差值曲线；

数据获取单元，用于将所述差值曲线出现的陡增峰值次数作为避雷器的动作次数，所述差值曲线出现的陡增峰值和陡降峰值的时间间隔作为当前动作时避雷器的动作时间。

电寿命预测模块包括：预测单元和判断单元；

预测单元，用于预估当前动作后避雷器的剩余动作次数；

判断单元，用于将当前动作后避雷器的剩余动作次数与设定阈值对比，判断避雷器是否疲劳。

当前动作后避雷器的剩余动作次数，按下式计算：

式中：N_res为当前动作后避雷器的剩余动作次数，ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，

为避雷器的额定动作时间，N_e为避雷器可靠动作的预期次数，N为避雷器的动作次数，α为预设系数。

当前动作时避雷器的动作时间偏差，按下式计算：

式中：ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，T为避雷器当前动作时间，

为避雷器的额定动作时间；

其中，避雷器当前动作时间T，按下式计算：

T＝Tb-Ta

式中：Ta为避雷器当前动作的电压陡增点时间，Tb为避雷器当前动作的电压陡降点时间。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，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：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的方法，其特征在于，包括：

通过分压器获取直流开关耗能支路上避雷器的动作次数、当前动作时避雷器的两端电压差和动作时间；

根据当前动作时避雷器的动作时间和额定动作时间之差，计算当前动作时避雷器的动作时间偏差；

基于所述避雷器的动作次数和所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，预估当前动作后避雷器的剩余动作次数，作为避雷器在当前动作后电寿命的预测结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过分压器获取直流开关耗能支路上避雷器的动作次数、当前动作时避雷器的两端电压差和动作时间，包括：

分别在避雷器两端部署分压器，得到两台分压器测量的避雷器两端的电压，通过避雷器两端的电压计算避雷器两端的电压差；或者，将避雷器两端分别与同一台分压器的两端连接，得到一台分压器测量的避雷器两端的电压差；

基于所述避雷器两端的电压差得到避雷器两端的电压差的差值曲线；

将所述差值曲线出现的陡增峰值次数作为避雷器的动作次数，所述差值曲线出现的陡增峰值和陡降峰值的时间间隔作为当前动作时避雷器的动作时间。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，按下式计算：

式中：ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，T为避雷器当前动作时间，

为避雷器的额定动作时间；

其中，避雷器当前动作时间T，按下式计算：

T＝Tb-Ta

式中：Ta为避雷器当前动作的电压陡增点时间，Tb为避雷器当前动作的电压陡降点时间。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前动作后避雷器的剩余动作次数，按下式计算：

式中：N_res为当前动作后避雷器的剩余动作次数，ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，

为避雷器的额定动作时间，N_e为避雷器可靠动作的预期次数，N为避雷器的动作次数，α为预设系数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预估当前动作后避雷器的剩余动作次数，作为避雷器在当前动作后电寿命的预测结果之后，还包括：

将当前动作后避雷器的剩余动作次数与设定阈值对比，判断避雷器是否疲劳。

6.一种直流开关耗能支路避雷器电寿命预测的系统，其特征在于，包括：数据获取模块、偏差计算模块和电寿命预测模块；

所述数据获取模块，用于通过分压器获取直流开关耗能支路上避雷器的动作次数、当前动作时避雷器的两端电压差和动作时间；

所述偏差计算模块，用于根据当前动作时避雷器的动作时间与额定动作时间之差，计算当前动作时避雷器的动作时间偏差；

所述电寿命预测模块，用于基于所述避雷器的动作次数和所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，预估当前动作后避雷器的剩余动作次数，作为避雷器在当前动作后电寿命的预测结果。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述数据获取模块包括：电压测量单元、差值曲线单元和数据获取单元；

所述电压测量单元，用于分别在避雷器两端部署分压器，得到两台分压器测量的避雷器两端的电压，通过避雷器两端的电压计算避雷器两端的电压差；或者，将避雷器两端分别与同一台分压器的两端连接，得到一台分压器测量的避雷器两端的电压差；

所述差值曲线单元，用于基于所述避雷器两端的电压差得到避雷器两端的电压差的差值曲线；

所述数据获取单元，用于将所述差值曲线出现的陡增峰值次数作为避雷器的动作次数，所述差值曲线出现的陡增峰值和陡降峰值的时间间隔作为当前动作时避雷器的动作时间。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电寿命预测模块，包括：预测单元和判断单元；

所述预测单元，用于预估当前动作后避雷器的剩余动作次数；

所述判断单元，用于将当前动作后避雷器的剩余动作次数与设定阈值对比，判断避雷器是否疲劳。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述当前动作后避雷器的剩余动作次数，按下式计算：

式中：N_res为当前动作后避雷器的剩余动作次数，ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，

为避雷器的额定动作时间，N_e为避雷器可靠动作的预期次数，N为避雷器的动作次数，α为预设系数。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述当前动作时避雷器的动作时间偏差，按下式计算：

式中：ΔT为当前动作时避雷器的动作时间偏差，T为避雷器当前动作时间，

为避雷器的额定动作时间；

其中，避雷器当前动作时间T，按下式计算：

T＝Tb-Ta

式中：Ta为避雷器当前动作的电压陡增点时间，Tb为避雷器当前动作的电压陡降点时间。

Images