CN116667271A - 一种直流线路故障恢复装置及重合闸方法 - Google Patents

Abstract

一种直流线路故障恢复装置及重合闸方法，包括与直流线路串联的隔离开关S3；与直流线路并联的故障判断支路，故障判断支路包括串联连接的开关S4、充放电电阻R _c、电容器组C。电容器组C两端并联有泄能支路。所述泄能支路由保护开关S5和保护电阻R _p串联组成。本发明能够判断直流线路的故障是否已经被排除，克服现有直流断路器DCCB难以短时间内进行二次开断的性能不足，避免直流断路器DCCB重合闸到永久性故障，提高柔性直流系统的可靠性。

Description

一种直流线路故障恢复装置及重合闸方法

技术领域

本发明涉及属于输配电网直流线路故障后的故障恢复技术领域，具体涉及一种直流线路故障恢复装置及重合闸方法。

背景技术

当前电力系统将是以新能源为主体的新型电力系统，如何将大量具有随机性、波动性特点的新能源高效接入电力系统成为了一个亟待解决的难题。基于电压源换流器(Voltage source converter，VSC)的柔性直流系统存在有功无功解耦控制、能够接入无源网络、不存在换相识别、谐波分量少和能够构成直流网络运行等优点，是解决新能源高效接入电网的一个重要技术手段。然而，基于可关断IGBT等半导体器件的VSC在直流线路故障后可等效为电容通过电感进行放电，故障电流上升速度快，直流故障电流无过零点，且IGBT等半导体器件过电流能力弱，使得直流线路故障后的开断技术成为了阻碍柔性直流系统进一步发展的瓶颈问题。在故障保护装置识别直流线路发生的故障后，最理想的保护方案是由线路两端的直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)有选择的将故障线路的电流进行切断，再由线路两端的隔离开关隔离故障线路，从而保证非故障线路的正常运行，满足保护选择性的要求。

一方面，尽管提出了多种类型的直流断路器及其改进型，例如混合式DCCB、机械式DCCB和固态DCCB等，但目前直流开断的成本仍然高昂，高压大容量的DCCB技术仍然不成熟。另一方面，现有绝大多数DCCB都未考虑短时间内二次重合闸的情况，如果DCCB重合闸到永久性故障的情况下，将给本来就工况恶略的DCCB器带来更为巨大的挑战。为了提高柔性直流系统的可靠性，与交流系统类似必须进行二次重合闸，但由于现有绝大部分DCCB还不具备短时间内二次开断的能力，因此迫切需要探索新型的直流线路故障恢复策略，判断永久性故障、暂时性故障，在重合闸前判断故障是否已经被清除，避免DCCB重合闸到永久性故障，降低在短时间内进行二次开断的性能要求，减小DCCB的设计冗余量，降低器件设备的投入成本。

现有判断故障点是暂时性故障还是永久性故障的方法大多通过故障信号进行无源判断，由于DCCB将很快切断故障线路，留给故障保护的数据长度短，无源判断的可靠性低、准确度难以保证。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种直流线路故障恢复装置及重合闸方法，能够判断直流线路的故障是否已经被排除，克服现有直流断路器DCCB难以短时间内进行二次开断的性能不足，避免直流断路器DCCB重合闸到永久性故障，提高柔性直流系统的可靠性。

本发明采取的技术方案为：

一种直流线路故障恢复装置，包括：

与直流线路串联的隔离开关S3；

与直流线路并联的故障判断支路，故障判断支路包括串联连接的开关S4、充放电电阻R_c、电容器组C。

所述直流线路包括直流断路器DCCB 1、直流断路器DCCB 2、隔离开关S1、隔离开关S2；电源a端连接直流断路器DCCB 1一侧，直流断路器DCCB 1另一侧连接隔离开关S3一端，隔离开关S3另一端连接隔离开关S1一端，隔离开关S1另一端连接隔离开关S2一端，隔离开关S2另一端连接直流断路器DCCB 2一侧，直流断路器DCCB 2另一侧连接电源b端。

所述电容器组C两端并联有泄能支路。

所述泄能支路由保护开关S5和保护电阻R_p串联组成。

所述开关S4为快速机械开关、反并联晶闸管组、或可控间隙开关中的一种或多种组合。

一种直流线路故障恢复装置的重合闸方法，包括：

1)对直流线路故障恢复装置充电过程：

在进行重合闸前，首先将隔离开关S3和故障判断支路的开关S4导通，再闭合安装有故障恢复装置的DCCB 1，此时系统直流电源将通过充放电电阻R_c对并联的电容器组C进行充电，待充电电流小于一个阈值之后，将故障恢复装置中与直流电源串联的隔离开关S3打开，充电完毕；

2)放电检测过程：将直流线路上在故障恢复装置之后隔离开关S1导通，电容器组C通过充放电电阻R_c、开关S4及隔离开关S1、直流线路及可能存在的故障点进行放电，并实时监测充放电电阻R_c上的电压U_C；

3)判断故障点是否存在：

通过判断电容器组C上的电压U_C下降到一个预设阈值Δ的时间长短t，是否超过最大整定时刻t_max，来判断故障点是否仍然存在；

当U_C＝Δ，t<t_max可视为故障点仍然存在；

当t＝t_max时刻，U_C>Δ可视为故障点不存在；

若故障点仍然存在，则闭合故障线路侧隔离开关后，带初始电压的电容器组C将通过故障线路的故障点进行放电，构成回路，电容器组C上的电压将快速下降；

若故障点不存在，则闭合故障线路侧隔离开关后，带初始电压的电容器组C将不能通过故障线路的故障点进行放电，不构成回路，电容器组C上的电压将缓慢下降。

4)故障判断支路中电容器组泄能方法及重合闸过程：

若判断为故障点仍然存在，则闭合电容器组C两端并联的保护开关S5进行泄能，当放电电流下降到小于一个阈值之后，断开线路侧的隔离开关S1和故障判断支路上的开关S4，等待下一次判断；

若判断为故障点不存在，则断开故障判断支路上的开关S4，并打开电容器组C两端并联的保护开关S5进行泄能，之后再闭合上直流线路上的所有隔离开关，最后再将DCCB 2合闸，使该线路恢复工作。

本发明一种直流线路故障恢复装置及重合闸方法，技术效果如下：

1)本发明通过故障判断支路能够在DCCB合闸之前简便、可靠的判断故障点是否仍然存在，能够避免DCCB重合闸到故障，降低了DCCB的性能要求，减少了设备的投资成本，提高了系统的可靠性。

2)本发明通过系统直流电源对故障判断支路的电容进行充电，不需要单独电源，无需复杂的隔离电源，无需IGBT等半导体设备，设备的可靠性高，成本低。

3)本发明控制简单，动作时序清晰，配置灵活，易于现有系统的扩展和升级改造，具有较高的可靠性和运用前景。

附图说明

图1为现有技术中直流线路开断的电路原理图。

图2为本发明具体实施例的电路原理图。

图3为本发明具体实施例的动作流程图。

图4为本发明具体实施例的开关状态图。

图5为本发明具体实施例的故障点状态判断结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

目前直流系统最理想的故障处理方法是在每条线路的两端配置DCCB，如图1所示，在保护系统检测到故障及故障类型之后，线路两端的DCCB 1和DCCB 2动作，切除故障线路后用隔离开关S1和S2隔离故障线路，以保证非故障区域的正常运行。在交流系统中，断路器会在约0.5s之内进行二次重合闸以提高系统的可靠性，当重合闸不成功时重新断开。然而，在直流系统中，DCCB难以在短时间内进行二次重合闸，因此本发明就是解决如何避免DCCB重合闸到故障的难题。

本发明的具体实施例的直流线路包括一种故障恢复装置，可应用于直流线路的正极、负极，适用于直流电网不同类型的拓扑结构、接地方式、接线方式，适用于电缆、架空或者混合线路等不同类型线路故障。可适用于单极接地故障和双极短路故障，本发明具体实施例以单极接地故障为例，双极短路故障只需要将正极、负极上安装的故障恢复装置相继投入工作，其判断原理类似。

如图2所示，本发明实施例的故障恢复装置包括与线路电源侧串联的隔离开关S3和与线路并联的故障判断支路。其中，故障判断支路由开关S4、充放电电阻R_c和电容器组C串联构成。电容器组C的两端并联有由保护电阻R_p和保护开关S5串联组成的保护支路。故障恢复装置安装在连接点c和连接点d之间新增的连接点g上，其中，隔离开关S3连接在连接点c和连接点g之间，故障判断支路连接在连接点g上，开关S4连接在连接点g和连接点h之间，充放电电阻R_c连接在连接点h和连接点i之间，电容器组C连接在连接点i和地之间。串联的保护电阻R_p和保护开关S5串联连接在连接点i和地之间。

直流线路故障恢复装置的工作过程：

故障保护装置检测到故障后由直流断路器DCCB 1和直流断路器DCCB 2将故障线路切除，在进行重合闸前，首先，将隔离开关S3和故障判断支路的开关S4导通，再闭合安装有本发明提出的故障恢复装置的直流断路器DCCB 1，此时系统直流电源将通过充电电阻对并联的电容进行充电，待充电电流小于一个阈值之后，将故障恢复装置中与直流电源串联的隔离开关打开，之后闭合故障线路侧的隔离开关。

本发明的重合闸方法：若故障点已经被清除，或故障为暂时性故障，则闭合故障线路侧隔离开关后带初始电压的电容器组将不能够通过故障线路对故障点进行放电，不构成回路，电容器组上的电压将下降的很慢。若故障点仍然存在，则闭合故障线路侧隔离开关后带初始电压的电容器组将通过故障线路的故障点进行放电，构成回路，电容器组上的电压将很快下降。因而，通过判断电容器组上的电压下降到一个整定阈值的时间长短判断故障点是否仍然存在。若判断为故障点仍然存在，则打开电容器组两端并联的保护电阻开关进行泄能，当电流下降到足够小时断开线路侧的隔离开关和故障判断支路上的开关。若判断为故障点不存在，则断开故障判断支路上的开关并打开电容器组两端并联的保护电阻开关进行泄能，之后在闭合上直流线路上的所有隔离开关，将DCCB(直流断路器)合闸，该线路恢复输电。

具体的，本发明实施例的故障恢复装置重合闸过程为：在DCCB需要重合闸之前，判断故障点是否仍然存在，整个动作的流程图如图3所示，具体包括以下过程：

1)充电过程：如图4(a)所示，闭合开关S3和S4，再闭合DCCB 1，此时系统的直流电源通过充放电电阻R_c对电容器组C进行充电，充电的时间常数τ＝RC，其中R为等效的充电电阻，约等于R_c。可根据系统的电压水平、充电时间、线路长度及类型优化选取R_c和电容器组C的参数。待充电电流I_c小于一个预设的阈值I₀时，隔离开关S3断开，充电完毕。

2)放电检测过程：如图4(b)所示，闭合隔离开关S1，此时带初始电压U_C的电容器组C将通过R_c、S4、S1、直流线路及可能存在的故障点进行放电，并实时监测电容器组上的电压U_C。

3)故障点仍然存在：当故障点仍然存在时，电容器组C将与R_c、S4、S1、直流线路和过渡电阻构成放电回路，该电路为二阶衰减振荡电路，其中衰减振荡的周期可以表示为：其中L为回路的等效电感大小，C为回路的等效电容大小，R为回路的等效电阻，R约等于过渡电阻大小。由于L和C的数值都较小，当R<1000ohm时，ω′较大，电容器组C上的电压U_C将很快下降到接近为零。因此判断故障点是否存在的方法为：闭合S1之后，当电容器组C上的电压U_C下降到一个预设阈值Δ的时间小于一个整定阈值时间t_max时，即判断故障点仍然存在。此时，如图4(c)所示，再闭合保护开关S5进行泄能，当故障判断支路上的电流I_d小于一个预设阈值I₀时，断开S1和S4，等待进行下一次判断。

4)故障点不存在：如图4(d)所示，当直流线路不存在故障点时，R可以视为无穷大，则电容器组上电压U_C的衰减时间常数也非常大。因此，在闭合S1之后，电容器组C上的电压U_C下降到一个预设阈值Δ的时间将远超过整定阈值时刻t_max，即在故障整定阈值时刻t_max电容器组上电压U_C仍大于预设的阈值Δ，可以判断为故障点已经被排除，可以进行重合闸。此时，断开S4并合并S5对电容器组C进行泄能，再将直流线路上的开关S3和S2合并，最后再重合闸DCCB 2，从而使得该直流线路重新投运。

本发明具体实施例为了更进一步给出故障点状态的判断结果，在PSCAD/EMTDC仿真不同过渡电阻的接地故障，过渡电阻从0变化到600欧姆，和故障已清除等不同情况。设置t_max＝150ms，阈值Δ为电容器额定电压的一半。如图5所示，对于永久性故障，过渡电阻从0变化到600欧姆对应的电容器电压U_C下降到0.5p.u.的时间分别对应为t₁到t₇，虽然t₁-t₇数值随着过渡电阻的增大而增大，但都远小于t_max＝150ms，能够可靠识别为永久性故障，不进行重合闸；对于故障已被清除这种情况，在t＝t_max时刻，电容器组上的电压U_C仍远大于阈值Δ＝0.5p.u.，能够可靠识别为故障已被清除，进行重合闸，从而避免重合闸到永久性故障。

在各种电压等级序列的直流电网中，本发明均能可靠辨识故障点是否存在，判断边界清晰明确。另外，根据直流系统的电压等级、充电时间长短要求、线路的长短及类型，可以合理优化选取充电电阻R_c和电容器组C的参数大小。

总之，本发明通过一个故障恢复装置，能够在DCCB重合闸之前可靠识别故障点是否被清除，避免DCCB重合闸到永久性故障，缓解了DCCB短时间内二次重合闸的性能不足，降低了DCCB等基于IGBT器件的设计冗余量，降低了设备成本，提高了系统的可靠性。

Claims (9)

1.一种直流线路故障恢复装置，其特征在于包括：

与直流线路串联的隔离开关S3；

与直流线路并联的故障判断支路，故障判断支路包括串联连接的开关S4、充放电电阻R_c、电容器组C。

2.根据权利要求1所述一种直流线路故障恢复装置，其特征在于：所述直流线路包括直流断路器DCCB 1、直流断路器DCCB 2、隔离开关S1、隔离开关S2；

电源a端连接直流断路器DCCB 1一侧，直流断路器DCCB 1另一侧连接隔离开关S3一端，隔离开关S3另一端连接隔离开关S1一端，隔离开关S1另一端连接隔离开关S2一端，隔离开关S2另一端连接直流断路器DCCB 2一侧，直流断路器DCCB 2另一侧连接电源b端。

3.根据权利要求2所述一种直流线路故障恢复装置，其特征在于：所述电容器组C两端并联有泄能支路。

4.根据权利要求3所述一种直流线路故障恢复装置，其特征在于：所述泄能支路由保护开关S5和保护电阻R_p串联组成。

5.根据权利要求1所述一种直流线路故障恢复装置，其特征在于：所述开关S4为快速机械开关、反并联晶闸管组、或可控间隙开关中的一种或多种组合。

6.如权利要求1或2或3或4所述直流线路故障恢复装置的充电方法，其特征在于：在进行重合闸前，首先将隔离开关S3和故障判断支路的开关S4导通，再闭合安装有故障恢复装置的DCCB 1，此时系统直流电源将通过充放电电阻R_c对并联的电容器组C进行充电，待充电电流小于一个阈值之后，将故障恢复装置中与直流电源串联的隔离开关S3打开，充电完毕。

7.如权利要求2或3或4所述直流线路故障恢复装置的放电检测方法，其特征在于：将直流线路上在故障恢复装置之后隔离开关S1导通，电容器组C通过充放电电阻R_c、开关S4及隔离开关S1、直流线路及可能存在的故障点进行放电，并实时监测充放电电阻R_c上的电压U_C。

8.如权利要求1或2或3或4所述直流线路故障恢复装置的故障点判断方法，其特征在于：通过判断电容器组C上的电压U_C下降到一个预设阈值Δ的时间长短t，是否超过最大整定时刻t_max，来判断故障点是否仍然存在；

当U_C＝Δ，t<t_max可视为故障点仍然存在；

当t＝t_max时刻，U_C>Δ可视为故障点不存在；

若故障点仍然存在，则闭合故障线路侧隔离开关后，带初始电压的电容器组C将通过故障线路的故障点进行放电，构成回路，电容器组C上的电压将快速下降；

若故障点不存在，则闭合故障线路侧隔离开关后，带初始电压的电容器组C将不能通过故障线路的故障点进行放电，不构成回路，电容器组C上的电压将缓慢下降。

9.基于权利要求8所述故障点判断方法的重合闸方法，其特征在于：

若判断为故障点仍然存在，则闭合电容器组C两端并联的保护开关S5进行泄能，当放电电流下降到小于一个阈值之后，断开线路侧的隔离开关S1和故障判断支路上的开关S4，等待下一次判断；

若判断为故障点不存在，则断开故障判断支路上的开关S4，并打开电容器组C两端并联的保护开关S5进行泄能，之后再闭合上直流线路上的所有隔离开关，最后再将DCCB 2合闸，使该线路恢复工作。