高压换流站中性母线可控释能装置的制作方法

本实用新型属于高压直流输电技术领域，涉及高压直流换流站中性母线过电压抑制技术。

背景技术：

近年来，高压直流换流站的中性母线过电压故障频发，严重威胁了直流输电系统的安全、稳定运行。

现阶段，避雷器是释放中性母线过电压故障能量的唯一途径；然而，这种释能方式存在以下问题：(1)避雷器通流能力和释能能力有限，一旦超过其限值，容易造成避雷器自身损坏、爆炸；(2)通过多柱避雷器并联方式，虽然可以提高其通流能力和释能能力，但是搭建和维护成本较高；(3)避雷器容易受潮，从而导致避雷器泄漏电流增大、红外图谱异常、绝缘电阻下降，引起避雷器电气性能明显下降甚至受损报废，且避雷器性能检测和运行维护操作复杂，进一步增加了维护成本；(4)避雷器的导通和关断取决于过电压的情况，无法实现可控、主动退出等。

并联间隙(参考专利ZL201410716488.8、ZL201510011498.6等)作为避雷器的备选释能装置，可以弥补避雷器的上述不足。然而，常规并联间隙无法用作直流输电系统中性母线避雷器的备选释能装置，主要原因在于常规并联间隙不具备主动灭弧功能，在中性母线的过电压释能过程中，并联间隙将长时间通过大幅值直流电流，最终造成并联间隙烧毁。

专利号为ZL201210389771.5提出的喷气式灭弧并联间隙装置，虽然能快速产生作用于电弧的高速高压气流，从而抑制电弧形成和发展，让其熄灭在暂态阶段。但这种具有灭弧功能的并联间隙仍不适用于直流输电系统中性母线避雷器的备选释能装置，其原因在于：(1)该并联间隙采用高速气流结合灭弧粉进行灭弧，对小幅值的交流电弧、或者起始阶段的交流电弧灭弧效果较好，但是难以切断直流输电系统中性母线释能过程中高达数千安培直流电弧电流；(2)该并联间隙需要设置灭弧粉储藏室，并需要进行定期维护和补充，这无疑增加了并联间隙的制造成本和后期维护成本，并不经济实用；(3)由于该并联间隙靠气流灭弧，气流的灭弧时间分散性较大，且容易受电弧电流、背景环境、气流自身等多个因素的影响，因此该并联间隙灭弧动作时间不完全可控，动作时间分散性较大。

此外，上述并联间隙仅提供单一能量泄放通道，一旦在过电压故障后短时间内强行切断该唯一的能量泄放通道，反而将导致中性母线电压再次升高，无法逐渐平缓释放中性母线过电压和能量。

技术实现要素：

本实用新型的目的旨在，针对现有技术中高压直流换流站中性母线过电压抑制保护方面的技术缺陷，提供一种适用于高压直流换流站的中性母线可控释能装置，可作为直流输电系统中性母线避雷器的备选释能装置，具有过电压抑制效果好、泄放能量大、可靠性强、可控性高等优势。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型提供了一种高压换流站中性母线可控释能装置，其特征在于包括空气间隙、可控关断单元；所述空气间隙包括高压电极和低压电极；所述可控关断单元主要由两条及两条以上的释能支路并联接地构成，所述释能支路由限流电阻和直流断路器串联构成，限流电阻与低压电极电连接，直流断路器与时序控制单元电连接。

上述高压换流站中性母线可控释能装置，所述空气间隙高压电极与中性母线连接。当装置处于正常工作状态时，空气间隙承受中性母线与大地之间的电压。所述空气间隙尺寸由连接于中性母线避雷器50％-90％标称放电电流对应的残压值通以下公式确定：

其中Lg为空气间隙尺寸，单位mm；Ur为中性母线避雷器50％-90％标称放电电流对应的残压值，单位kV。中性母线上设置避雷器可以参考本领域已经披露的常规设计方案。

上述高压换流站中性母线可控释能装置，所述时序控制单元信号输入端与各个释能支路直流断路器电流测量信号输出端连接，信号输出端与各个释能支路直流断路器动作控制信号端口连接，时序控制单元获得直流断路器的电流，以判断直流断路器的工作状态，然后根据工作状态以及内置的控制逻辑输出信号，控制各个释能支路直流断路器的动作，从而实现时序控制单元对释能支路的直流断路器断开和闭合的控制。

上述高压换流站中性母线可控释能装置，限流电阻的作用为防止释能支路的电流过大，以降低对直流断路器的开断性能指标要求。本实用新型通过加装限流电阻，释能间隙导通时的故障电流可以大幅降低，从而在选取直流断路器时，可以选择开断电流较低的直流断路器，极大降低直流断路器的成本。限流电阻的选取原则是保证直流断路器断开所需电流值不高于10kA。

上述高压换流站中性母线可控释能装置，当释能支路过少时，在直流断路器由断开恢复到闭合状态时，会产生一个更高的过电压，从而出现过电压“复升”的现象；当可控关断单元主要至少4条释能支路并联接地构成时，可控释能装置既可以达到释能效果，在恢复过程中也不会产生更高幅值的过电压，从而避免过电压“复升”的现象。

上述高压换流站中性母线可控释能装置工作原理为：当装置处于正常工作状态时，空气间隙处于断开状态，直流断路器处于导通状态，空气间隙承受中性母线与大地之间的电压；当中性母线过电压导致空气间隙击穿后，高电流会传输经过限流电阻和直流断路器，导入地下，可控释能装置进入释能工作状态；时序控制单元根据接收的来自直流断路器的电流信号来判断装置是否进入释能工作状态，若装置进入了释能工作状态，则向直流断路器发出断开指令。从而有效抑制中性母线过电压水平，降低中性母线避雷器的泄放能量值。当可控释能装置存在多条并联释能支路时，可以通过时序控制单元控制逐条释能支路，这样可以避免采用单条释能支路强行切断释能电弧所引起的中性母线过电压“复升”现象。

本实用新型基于上述所述高压换流站中性母线可控释能装置，进一步提供了一种利用所述高压换流站中性母线可控释方法，当中性母线过电压导致空气间隙击穿后，可控释能装置由正常工作状态进入释能工作状态，并按照以下步骤进行：

(1)自装置进入释能工作状态经历T₁时间后，时序控制单元向第一条释能支路的直流断路器发出断开释能支路的指令，第一条释能支路的直流断路器自导通状态转换至断开状态；

(2)自装置进入释能工作状态经历T₁+(n-1)△t时间后，时序控制单元向第n条释能支路的直流断路器发出断开释能支路的指令，第n条释能支路的直流断路器自导通状态转换至断开状态；其中，n为大于1的整数；

(3)判断是否所有释能支路均断开，若所有释能支路均断开，进入步骤(4)；若所有释能支路没有全断开，返回步骤(2)，断开下一条释能支路；

(4)自所有释能支路断开T₂时间后，时序控制单元向所有释能支路的直流断路器发出闭合释能支路的指令，所有释能支路的直流断路器自断开状态转换至导通状态，可控释能装置恢复至正常工作状态。

上述高压换流站中性母线可控释能方法，当可控释能装置处于正常工作状态时，空气间隙处于断开状态，直流断路器处于导通状态。可控释能装置处于正常工作状态还是处于释能工作状态，可以通过时序控制单元进行判断；时序控制单元信号输入端与直流断路器电流测量信号输出端连接，信号输出端与各个支路直流断路器动作控制信号端口连接，时序控制单元接收来自直流断路器的电流测量信号，并根据预先设置的判断条件，确定可控释能装置处于正常工作状态还是处于释能工作状态；例如时序控制单元可以设置判断条件为：当接收信号表明直流断路器电流小于1A时，可控释能装置处于正常工作状态；否则，可控释能装置处于释能工作状态。

上述高压换流站中性母线可控释能方法，T₁时间为可控释能装置进入释能工作状态，时序控制单元设置的自接收到直流断路器电信号至释能支路断开(当可控释能装置包含多条释能支路时，这里是指第一条释能支路)的等待时间，T₁时间可根据具体高压直流输电工程进行调整，一般在为0-3ms；T₂时间为时序控制单元设置的自所有释能支路断开(当可控释能装置包含多条释能支路时)至释能支路闭合的等待时间，T₂时间可根据电弧产生的空间电荷粒子的消散时间、以及释能支路再次投入使用的时间来确定，T₂时间不可以设置的过短，否则空间电荷粒子还未消散，容易导致空气间隙再次击穿，释能间隙频繁动作，一般在100ms～10s；当可控释能装置包含多条释能支路时，△t为相邻两条释能支路断开的时间间隔，△t可根据具体高压直流输电工程进行调整，本实用新型设置的△t为10-100ms。上述高压换流站中性母线可控释能方法，所述步骤(3)中，所有释能支路均断开的判断方法为：当n等于释能支路条数N，且所有直流断路器电流小于1A时，判定为所有释能支路均断开；当n不等于释能支路条数N时，返回步骤(2)，断开下一条释能支路；当n等于释能支路条数N，但是仍有直流断路器电流大于等于1A时，说明可控释能装置存在故障，需要先排除故障，再重新启用。

通过上述高压换流站中性母线可控释能方法，不仅可以实现直流断路器断开和闭合的自动控制，解决空气间隙无法主动熄灭直流电弧的技术问题；而且可以在释能之后控制直流断路器闭合，恢复至装置正常工作状态。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型通过设置的释能支路，可以有效抑制中性母线过电压水平，从而缩短过电压持续时间，降低避雷器泄放能量值；

2、本实用新型通过采用空气间隙与释能支路的直流断路器串联，充分利用了直流断路器开断直流电弧能力强、工作稳定性高的特点，从而解决传统空气间隙无法主动熄灭直流电弧的技术问题；

3、本实用新型通过设置多条并联释能支路，采用释能支路逐条可控关断的工作方式，可以有效避免因单条释能支路强行切断释能电弧所引发的中性母线过电压“复升”现象；

4、本实用新型通过设置多条并联释能支路，对击穿空气间隙的电流进行分流，从而降低释能过程中直流断路器的通流能力要求和直流开断能力要求；

5、本实用新型高压换流站中性母线可控释能装置还具有可靠性高、维护成本低的特点。

附图说明

图1为本实用新型高压换流站中性母线可控释能装置结构示意图。

图2为本实用新型高压换流站中性母线可控释能方法流程示意图。

图3为高压换流站加装可控释能装置前后中性母线过电压示意图；其中(a)为加装前，(b)为加装后。

图4为高压换流站中性母线可控释能装置含有一条释能支路(a)和含有多条释能支路(b)时，中性母线过电压示意图。

其中，1、空气间隙，2、高压电极，3、低压电极，4、释能支路，5、限流电阻，6、直流断路器，7、时序控制单元，8、可控关断单元。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步描述：

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种高压换流站中性母线可控释能装置，该可控释能装置包括空气间隙1和可控关断单元8。空气间隙包括高压电极2和低压电极3。可控关断单元8包括至少4条释能支路4和和时序控制单元7。所有条释能支路并联接地，其由限流电阻5和直流断路器6串联构成，多个限流电阻的并联端经导线与低压电极3电连接，多个直流断路器并联端接地。时序控制单元信号输入端与各个释能支路直流断路器电流测量信号输出端连接，信号输出端与各个释能支路直流断路器动作控制信号端口连接，由时序控制单元控制对各个释能支路的直流断路器断开和闭合。

空气间隙的高压电极2与中性母线连接。正常工作状态下，空气间隙承受中性母线与大地之间的电压。

空气间隙尺寸由与连接于中性母线的避雷器50％-90％标称放电电流对应的残压值通以下公式确定：

其中Lg为空气间隙尺寸，单位mm；Ur为中性母线避雷器50％-90％标称放电电流对应的残压值，单位kV。

实施例2

本实施例提供的高压换流站中性母线可控释能装置结构基本与实施例1相同，不同之处在于本实施例中仅设置有一条释能支路，释能支路的限流电阻与空气间隙低压电极连接，释能支路的直流断路器接地，时序控制单元信号输入端与释能支路直流断路器电流测量信号输出端连接，信号输出端与释能支路直流断路器动作控制信号端口连接，由时序控制单元控制对各个释能支路的直流断路器断开和闭合。

实施例3

本实施例将实施例1提供的可控释能装置安装与高压换流站中，本实施例中释能支路为5条；本实施例中采用的空气间尺寸，即高压电极与低压电极之间的距离为510mm；本实施例中采用的时序控制单元型号为STC12C20525单片机,其中5个IO口与直流断路器的电流测量信号输出端连接，5个IO口分别与直流断路器动作控制信号端口连接，本实施例中采用的直流断路器的额定断开电流为10kA。

本实施提供的可控释能装置的工作流程如图2所示，包括以下步骤：

S0，初始工作状态，设定初始时可控释能装置处于正常工作状态，其中空气间隙处于断开状态，直流断路器处于闭合状态；

S1，时序控制单元根据接收到的直流断路器电流信号判断可控释能装置处于工作状态还是释能工作状态，若直流断路器电流小于1A，可控释能装置处于正常工作状态，若直流断路器电流大于等于1A，可控释能装置处于释能工作状态；

S2，自可控释能装置进入释能工作状态开始经T₁时间(T₁＝0ms)后，时序控制单元向第一条释能支路的直流断路器发出断开释能支路的指令，第一条释能支路的直流断路器自导通状态转换至断开状态；

S3，自可控释能装置进入释能工作状态开始经T₁+(n-1)△t(△t＝15ms)时间后，时序控制单元向第n条释能支路的直流断路器发出断开释能支路的指令，第n条释能支路的直流断路器自导通状态转换至断开状态；其中，n为大于1的整数；

S4，判断n是否满足n＝N，若n＝N，说明时序控制单元已经向所有直流断路器发出断开释能支路的指令，进入步骤S5，若n≠N，返回步骤S3，断开下一条释能支路；

S5，判断是否所有直流断路器电流均小于1A，若是，说明所有释能支路均断开，进入步骤S6；若不是，说明可控释能装置出现故障，需要进入步骤S7排除故障；

S6，时序控制单元自最后一条释能支路断开再经T₂时间(T₂＝1s)后，时序控制单元向所有释能支路的直流断路器发出闭合释能支路的指令，所有释能支路的直流断路器自断开状态转换至导通状态，可控释能装置恢复至正常工作状态。

为了探究本实施例采用的可控释能装置的释能效果，本实施例进一步测试了高压换流站中性母线加装可控释能装置前后的过电压，结果如图3所示，从图中可以看出，中性母线加装可控释能装置以后，中性母线过电压水平得到了有效抑制，缩短了过电压持续时间，降低了避雷器泄放能量值。

为了探究可控释能装置中多条释能支路并联后的释能效果，本实施例进一步将释能支路减少至一条(见实施例2)，并测试了此时中性母线的过电压情况，结果如图4所示，从图中可以看出，当可控释能装置只设置一条释能支路时，直流断路器断开后，中性母线电压会在很短时间内再次升高，出现中性母线过电压“复升”现象；当可控释能装置设置多条并联的释能支路时，中性母线过电压“复升”现象消失，从而对中性母线过电压水平起到了很好的抑制效果。此外，通过采用多条释能支路并联的方式，还可以降低释能过程中直流断路器的通流能力要求和直流开断能力要求。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。