SE512084C2

SE512084C2 - Detektering av fel på överföringslinjer hos ett bipolärt högspänt likströmssystem

Info

Publication number: SE512084C2
Application number: SE9801906A
Authority: SE
Inventors: Gudmundur Arnljotsson
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2000-01-24
Also published as: EP1092256A1; SE9801906L; SE9801906D0; WO1999063641A1

Description

.í._..._._ .. ..._- l. 10 15 20 25 30 35 40 45 t,512 984 ” ' ' 2 eller “en pol” som kan vara luftlinje, en jordkabel eller sjölagd kabel. På mottagarsidan finns en motsvarande strömriktarstation med ñlter 8, glättningsreaktor 9 och en strömriktare 10 som arbetar som en inverter. Via transformatorerna ll och 12 kan den överförda HVDC-effekten sedan omvandlas till vanlig trefas växelspänning för matning av ett AC-ställverk 13. Likströmmen leds tillbaka genom jord eller sjö och ansluts till respektive station via jordelektroder 14 ochl5. Kraftöverförin g kan ske i båda riktningama.

Ett bipolärt överföringssystem framgår av ñgur 2 och består i huvudsak av två balanserade monopolära överföringssystem. Ett sådant system kommer bl a till användning för att öka både kapacitet och tillgänglighet och då jordströmmen måste begränsas eller av olika skäl inte tillåtes få förekomma. För att förenkla beskrivningen används i figur 2 samma hänvisningssiffror för de olika delarna som i ﬁgur 1 kompletterad med ett “a” för det ena av de två monopolära överföringssystemen och med ett “b” för det andra systemet. Som ett exempel anges det ena systemets överföringslinje med 7a och det andra systemets överföringslinje med 7b. Båda polerna har samma märkspänning med motsatt tecken. Detta innebär att man har nollpotential mellan de båda strömriktama 4a och 4b respektive mellan de båda invertema lOa och 10b. Dessa båda nollpotentialpunkter kopplas till jord via elektrodema 14 och 15 och bildar således en möjlig jordledning för en eventuell skillnadsström mellan de båda överföringslinjema.

En skillnadsström uppträder då man har obalanserad drift eller då ett fel har uppstått på någon av överföringslinjema.

En sammanfattning av teknikens ståndpunkt när det gäller att detektera fel på HVDC- överföringslinjer ﬁnns beskrivet bl a i en publikation “Line Fault Detection for HVDC Overhead Lines” från TAMPERE UNIVERSITY OF THECNOLOGI, Diploma thesis, av Järvi, Seppo, publicerad 1989-05-31, p 9 -12 och p 72 - 76.

Den ursprungliga tekniken bestod i att man registrerade både ström och spänning efter glättningsreaktorema i den ena eller båda strömriktarstationerna. Ett typiskt linjefel, t ex en kortslutning, innebär att det uppstår ett spänningsfall och en strömökning. Problem som uppstår om man förfar på detta sätt är att man har svårt att diskriminera mellan ett linjefel, externt fel eller en annan stöming och att detekteringen tar, relativt sett, lång tid.

Nästa steg i den tekniska utvecklingen när det gäller detektering av fel på HVDC- överföringslinjer var att man införde både ett derivata -, ett nivå- och vissa tidskriterier enligt följande: Om derivatan av linjespänningen översteg ett visst referensvärde under en given tid och om linjespänningen understeg ett visst referensvärde under en given tid så uppfattades detta som ett fel på överföringslinjen.

Då ett fel uppstår på en överföringslinje uppstår s k vandringsvågor som utbreder sig åt båda håll sett från felstället. När dessa vågor träffar en station reflekteras vandringsvågoma och kan på detta sätt studsa fram och tillbaka. Sådana vandringsvågor 10 15 20 25 30 35 40 45 5 123134 uppstår både på AC- och DC-överföringslinjer och har sedan flera decennier utnyttjats för detektering och fellokalisering på kraftlinjer.

En metod som använder vandringsvågoma för detta ändamål på AC-överföringslinjer beskrivs i US 4,7l9,980, “Detection and Location of a Fault Point based on a Travelling Wave Model of the High Voltage Transmission Line".

I en artikel “Development and Field Data Evaluation of Single-end Fault Locator for Two-terminal HVDC Transmission Lines” publicerad i IEEE Trans on Power Apparatus and Systems v PAS-104 n12 Dec 1985, p 3531-3537 beskrivs en teknik baserad på vandringsvågor för fellokalisering i ett bipolärt HVDC-system. Tekniken utnyttjar succesiva reflektioner från felet samt från överföringslinjemas ändar.

En HVDC-överföringslinje besitter både kapacitiva, induktiva och resistiva egenskaper.

Då ett fel uppträder på en sådan linje kommer ändringen i ström och spänning att vara betingad dels av linjens impedanser och dels av de vandringsvågor som uppträder.

Genom studium av vandringsvågors frekvens och utbredningshastighet kan man konstatera att för att någotsånär rätt kunna mäta ström och spänningsförlopp i samband med att ett fel har uppstått, behövs mätning med en samplingsfrekvens på ca 15 - 20 kHz.

Mätning och registrering av ström- och spänningsförlopp, mätt med en relativt låg samplingsfrekvens, kommer således inte att korrekt ange de verkliga förloppen innefattande de vandringsvågor som kommer att uppträda.

I nämnda Diploma thesis, av Järvi, Seppo, redovisas en feldetektering på ett bipolärt överföringssystem med ett blockschema enligt figur 3. Det förutsättes här att ström- och spänningsmätnin gen sker på ett sådant sätt att uppträdande vandringsvågor innefattas i mätningen. Detta innebär i sin tur att relevanta värden på ström- och spänningsderivata kan erhållas. Det generella kriteriet för att ett fel har inträffat består i att k, dI/dt - k; dU/dt > k; där konstantema är positiva och anläggningsbetingade. Rent praktiskt tillkommer enligt bilaga 3 viss nivådiskriminering, tidsfördröjning och kontroll med avseende på icke felbehäftad överföringslinje.

RITNHVGSFÖRTECKNING Figur 1 visar ett förenklat schema för en monopolär HVDC-anläggning.

Figur 2 visar ett förenklat schema för en bipolär HVDC-anläggning.

Figur 3 visar ett blockschema för feldetektering på en överföringslinje i en bipolär HVDC-anläggning enligt teknikens ståndpunkt. 10 15 20 25 30 35 40 45 . _5112 QS-'L iii: Figur 4 visar ett blockschema för feldetektering på en överföringslinje i en bipolär HVDC-anläggning enligt uppfinningen.

Figur 5 visar ett ﬂödeschema för detektering av om ett fel har uppstått på en överföringslinje i en bipolär HVDC-anläggning enligt uppfinningen.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ett förfarande för att enligt uppfinningen detektera fel på en HVDC-överföringslinje i en bipolär HVDC-anläggning skall beskrivas med utgångspunkt från ett blockschema enligt figur 4. Blockschemat representerar samtidigt en utföringsforrn av en feldetektor för fel på HVDC-överföringslinjer. För att på enklaste sätt kunna förklara uppfinningen är blockschemat uppbyggt av logiska komponenter, jämförelseelement, summator, multiplikator m m. Uppfinningen kan också utformas som ett program implementerat i en dator.

Uppfinningen är baserad på sådan mätning av polemas ström och spänning att de vandringsvågor som uppstår i samband med ett fel på någon av överföringslinjema kan detekteras. Indikation om att ett fel har detekterats är betingad av att ett antal kriterier är uppfyllda.

Som ingångssignaler till feldetektom bildas tre s k vågsignaler bestående av en positiv polvågssignal, en negativ polvågssignal och en jordvågssignal. Med hjälp av högfrekvenssamplande mätning erhålles den positiva polströmmen L och den positiva polspänningen U+ , den negativa polströmmen L och den negativa polspänningen U. .

Med kännedom om den positiva överföringslinjens impedans Z, , den negativa överföringslinjens impedans Zsamt jordledningens impedans Z,- bildas den positiva polvågsignalen som PPV = LL - U+ och den negativa polvågsignalen som NPV = L Z. - U- och jordvågsignalen som JV = ZJ-(L + L)/2 -(U+ + U-)/2 Den positiva polvågssignalen leds till en första ingångskrets 16 som konsekutivt bildar en första differenssignal d; genom jämförelse mellan två på varandra följande sampel. Den negativa polvågsssignalen leds på samma sätt till en andra ingångskrets 17 som konsekutivt bildar en andra differenssignal d; genom jämförelse mellan två på varandra följande sampel. á 10 15 20 25 30 35 40 45 5112- :í3:3,4 Ett första kriterium för att ett fel på en av överföringslinjema i en bipolär HVDC- anläggning skall kunna identifieras är att en eller båda dessa differenssignaler skall ha ett värde som överstiger ett på förhand ansatt tröskelvärde do. Ett konstaterande av om så är fallet sker med en första jämförelsekrets 18. Om så är fallet påverkar den första jämförelsekretsens utsignal ett slutelement 19.

I en summator 20 bildas talvärdet av differensen dd mellan differenssignalema, dd = d; - d; , vilket värde leds till nämnda slutelement 19, och om det första kriteriet är uppfyllt vidare till en andra jämförelsekrets 21.

I ett “MAX”-värdeselement 22 konstateras vilken av de båda differenssignalema som har det högsta värdet. Det högsta värdet, dm” , leds till en multiplikator 23 där det multipliceras med en på förhand ansatt faktor f 1. Den produkt, p = f 1 dm, , som därmed bildas leds till nämnda andra jämförelsekrets 21.

Ett andra kriterium för att ett fel på en av överföringslinjema i en bipolär HVDC- anläggning skall kunna identifieras är nu att produkten p skall vara större än differensen mellan differenssignalema, dvs p > dd , vilket ger den andra jämförelsekretsen 2l en logisk “nolla" som utsignal, vilken signal sedan inverteras till en “etta” i en inverterare 24 som sedan leds till ett “och”-element 25.

Ett tredje kriterium för att ett fel på en av överföringslinjema i en bipolär HVDC- anläggning skall kunna identifieras är att en jordvågssignal .TV har detekterats. Om så är fallet erhålles via en logisk omvandlare 26 en “etta “ som tillföres nämnda “och”-element 25 .

Eftersom “och" -elementets båda ingångar nu är “ett”-ställda kommer således anordningen att indikera ett fel på en av överföringslinjerna i en bipolär HVDC- anläggning.

Om differensen mellan differenssignalema är större än nämnda produkt, dvs om dd > p, och om både det första och det tredje kriteriet är uppfyllda anger detta att man har extemt fel.

Sammanfattningsvis kan man konstatera ett fel på en överföringslinje i en bipolär HVDC- anläggning om - någon av differenssignalema d; eller d; är större än ett ansatt tröskelvärde do och om - skillnaden dd mellan differenssignalema är mindre än produkten p av den största av differenssignalema och en ansatt faktor f1 och om - en jordvågssignal har detekterats. lO 15 20 25 30 35 40 45 51I2:ï%84 I figur 5 visas en programrelaterad anordning i form av ett ﬂödesschema för detektering av ett fel på en överföringslinje i en bipolär HVDC-anläggning. Programmet är försett med information om de båda överföringslinjernas och jordledningens impedans och tillföres konsekutivt uppmätta strömmar och spänningar för de båda linjerna. I enlighet med ovan relaterat förfarande: bildas den positiva polvågssignalen PPV, den negativa polvågssignalen NPV och jordvågssignalen JV bildas de båda differenssignalema d] och d; jämförs dessa båda med tröskelvärdet do bildas talvärdet av skillnaden mellan de båda differenssignalerna dd bestäms vilket av de båda differenssignalerna som har det högsta värdet dum multipliceras detta värde med en faktor f; bildas talvärdet av produkten p = f; dm bildas en utsignal som anger att ett fel på någon av överföringslinjerna har uppstått om både p > dd och om en jordvågssignal har detekterats. enl

Claims

10 15 20 25 30 35 40 45 i 51225384 PATENTKRAV

1. Förfarande för detektering av fel på en överföringslinje i en bipolär HVDC-anläggning med en positiv och en negativ pol och en nollpunktsjordledare och där både den positiva och den negativa polens spänning, U+ och U-, och ström, L och I. , kontinuerligt mäts på ett sådant samplande sätt att de vandringsvågor som uppstår vid ett fel registreras och där den positiva överföringslinjens impedans 2.., den negativa överföringslinjens impedans Z och nollpunktjordledarens impedans Z,- är kända, vilket förfarande k ä n n e t e c k n a s av att en positiv polvågssignal PPV bildas konsekutivt som PPV = LL - U+ en negativa polvågssignal NPV bildas konsekutivt som NPV = L Z - U. och en jordvågssignal bildas konsekutivt som IV = ZJ-(L + L)/2 -(U,.+ U.)/2 och att det bildas en första differenssignal d; som differensen mellan två på vandra följande sampel av den positiva polvågssignalen och att det bildas en andra differenssignal d; som differensen mellan två på vandra följande sampel av den negativa polvågssignalen och att ett fel på en överföringslinje i en bipolär HVDC-anläggning detekteras om ett första kriterium bestående av att om någon av differenssignalerna d; eller d; är större än ett ansatt värde do uppfylles och om ett andra kriterium bestående av att om talvärdet av skillnaden dd mellan differenssignalerna är rnindre än produkten p av den största av differenssignalema och en ansatt faktor f; uppfylles och om ett tredje kriterium bestående av att en jordvågssignal JV detekteras.

2. Förfarande för detektering av fel på en överföringslinje i en bipolär HVDC-anläggning enligt patentkrav 1 och som k ä n n e t e c k n a s av att 10 l5 20 25 30 35 40 45 Slagsta den första differenssignalen dl bildas i en första ingångskrets (16) som tillföres den positiva polvågsspänningen PPV och att den andra differenssignalen d; bildas i en andra ingångskrets (17) som tillföres den negativa polvågsspänningen NPV och att det första kriteriet för att identifiera ett fel på någon av överföringslinjema bildas i en första järnförelsekrets (18) som tillföres de båda differenssignalema och där de jämförs med ett tröskelvärde do och om någon av differenssignalema är större än tröskelvärdet erhålles en utsignal som påverkar ett slutelement (19) och att talvärdet av skillnaden dd mellan differenssignalerna bildas i en summator (20) vars utsignal leds till slutelementet och om det första kriteriet är uppfyllt vidare till en andra jämförelsekrets (21) och att de båda differenssignalema tillföres ett MAX-värdeselement (22) vars utsignal utgöres av värdet på den största av differenssignalema, dm” , och som tillföres en multiplikator (23) där det multipliceras med en på förhand ansatt faktor f; och där talvärdet av produkten p tillföres nämnda andra jämförelsekrets (21) och att det andra kriteriet för att identifiera ett fel på någon av överföringslinjerna uppfylles om skillnaden mellan differenssignalema dd är mindre än produkten p varvid den andra jämförelsekretsens utgång “noll”-ställs vilken signal i en inverterare (24) “l”-ställs och som tillföres ett “och”-element (25) och att det tredje kriteriet för att identifiera ett fel på någon av överföringslinjerna uppfylles om en jordvågssignal IV detekteras vilken signal i en logisk omvandlare (26) omvandlas till en “etta” som sedan tillföres “och”-elementet (25) vars utsignal, som efter det alla tre nödvändiga kriterier för detektering ett fel på någon av överföringslinjema nu är uppfyllda, anger att ett fel har detekterats.

3. Anordning för att genomföra förfarandet enligt patentkrav 1 och 2, kännetecknadavattdeninnefattar en första ingångskrets (16) som konsekutivt bildar en första differenssignal d; som differensen mellan två på varandra följ ande sarnpel av den positiva polvågssignalen en andra ingångskrets (17) som konsekutivt bildar en andra differenssignal d; som differensen mellan två på varandra följande sarnpel av den negativa polvågssignalen en första jämförelsekrets (18) som kontrollerar om någon av differenssignalerna är större än ett tröskelvärde do l0 15 20 25 30 35 40 45 Sragßß ett slutelement ( 19) som sluts om tröskelvärdet överskridits. en summator (20) som bildar talvärdet av skillnaden dd mellan differenssignalerna en “MAX”-värdesbildare (22) som tar reda på vilken av differenssignalerna som har det stösta värdet dm en multiplikator (23) som avger talvärdet av produkten p av dm, och en ansatt faktor f] en andra järnförelsekrets (21) som jämför talvärdet av dd och talvärdet av produkten p en inverterare (24) och ett “och”-element 25.