一种混合式直流断路器避雷器的监测方法及系统与流程

本发明涉及一种混合式直流断路器避雷器的监测方法及系统，属于高压直流输电技术领域。

背景技术

随着分布式清洁能源的接入，基于柔性直流的输配电技术，由于其灵活的控制特性得到了越来越多的应用，但直流电网技术的应用目前还存在尚待突破的难题。例如，直流电网系统存在着故障电流难以切断的难题，直流系统由于缺乏自然过零点，因此普通交流断路器并不完全适用于直流系统。直流系统为低惯量系统，其故障后的故障电流上升很快，对基于全控型半导体器件的柔性直流输电系统而言，器件耐受过电流的能力较弱，故障电流可能在数毫秒内超过器件的最高耐受值，使关键器件乃至整个换流站损毁。因此有必要快速限制并切断故障电流，以维持直流电网安全稳定运行并保护电网中的关键设备，高压直流断路器成为有效甚至唯一的技术手段。

直流断路器的主要技术方案分为纯机械式、固态开关式和混合式。机械开关开断速度较慢，而纯固态开关型断路器用于高压大容量领域时损耗较大，混合式直流断路器综合了机械式断路器与固态断路器的优点，具有通态损耗小、开断快速可控、无弧(微弧)无响声、开关寿命长、可靠性高、无需专用冷却设备等优点，是目前高压直流断路器研发的主要方向。

混合式直流断路器的结构示意图如图1所示，由主支路、转移支路和耗能支路三条支路并联构成，其中主支路由快速机械开关和少量igbt模块级联的电力电子开关组成，用于导通系统运行电流和转移故障电流；转移支路由大量igbt模块级联的电力电子开关组成，用于关断各种暂稳态工况下电流；耗能支路由多个避雷器单元串联构成，用于抑制断路器暂态分断电压和吸收感性元件储存能量。

在混合式高压直流断路器运行过程中，如果避雷器发生异常，对混合式直流断路器转移支路电力电子开关设备的安全稳定运行造成极大的危害，混合式直流断路器避雷器运行的状态决定了混合式直流断路器是否具备正确、可靠的分断能力。因此，实现避雷器的故障早期发现，将故障遏制在萌芽阶段，对避雷器的监测显得尤为重要。

为了实现对避雷器的监测，现有的方法为在避雷器上加装无源监测装置，该监测装置通过获取避雷器漏电流并将电流转换成电压信号实现取能，由于直流断路器耗能支路为多组避雷器并联，在任一组避雷器加装该监测装置，当断路器分断较大电流时，因该监测装置分取较高电压进而影响各避雷器组的均压特性，因此该监测装置不适用于混合式直流断路器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种混合式直流断路器避雷器的监测方法及系统，用于解决如何实现混合式直流断路器中避雷器监测的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种混合式直流断路器避雷器的监测方法，步骤如下：

测量n组混合式直流断路器的线路侧电流、主支路电流以及转移支路电流；

根据每一组中的线路侧电流、主支路电流以及转移支路电流，计算混合式直流断路器的耗能支路电流；

将每一组计算得到的混合式直流断路器的耗能支路电流与避雷器泄漏阈值电流上限值和避雷器泄漏阈值电流下限值进行比较；

若混合式直流断路器的耗能支路电流大于避雷器泄漏阈值电流上限值或者是小于避雷器泄漏阈值电流下限值的组数不小于第一设定值，第一设定值不小于n/2，则判定避雷器异常。

本发明的有益效果是：测量混合式直流断路器的线路侧电流、主支路电流以及转移支路电流，可以计算出混合式直流断路器的耗能支路电流，将混合式直流断路器的耗能支路电流与避雷器泄漏阈值电流限值进行比较，则可以判定避雷器是否异常；该监测方式降低了成本、简化了系统设计且可靠性高，避免了加装避雷器在线监测装置对避雷器动态性能的影响。

进一步的，为了对避雷器动作情况进行监测，进而实现对避雷的热保护：正常工况下，断路执行分闸后监视到避雷器动作后，直流断路器执行闭锁，即断路器不允许分合闸操作，避免在避雷器冷却时间内再次吸收能量而导致避雷器爆炸；在直流断路器未进行分闸操作而监测到避雷器动作，则直流断路器不允许分合闸操作，并上报断路器失灵；在直流断路器执分闸操作而未检测到避雷器动作，则断路器不允许分合闸操作，还包括：

将每一组计算得到的混合式直流断路器的耗能支路电流与避雷器动作阈值电流进行比较；

若混合式直流断路器的耗能支路电流大于避雷器动作阈值电流的组数不小于第二设定值，第二设定值不小于n/2，则判定避雷器动作。

进一步的，为了实现对避雷器的热保护以及避雷器寿命监视，还包括记录避雷器动作次数。

进一步的，n＝3，第一设定值为2，第二设定值为2。

本发明还提供了一种混合式直流断路器避雷器的监测系统，包括n组设置在混合式直流断路器的线路侧、主支路以及转移支路上的电流互感器，每组中混合式直流断路器的线路侧、主支路以及转移支路上的电流互感器对应连接一个合并单元，n个合并单元通信连接一个处理器模块，所述处理器模块用于：

接收n组设置在混合式直流断路器的线路侧、主支路以及转移支路上的电流互感器发送过来的电流信息；

根据每一组中的线路侧电流、主支路电流以及转移支路电流，计算混合式直流断路器的耗能支路电流；

将每一组计算得到的混合式直流断路器的耗能支路电流与避雷器泄漏阈值电流上限值和避雷器泄漏阈值电流下限值进行比较；

若混合式直流断路器的耗能支路电流大于避雷器泄漏阈值电流上限值或者是小于避雷器泄漏阈值电流下限值的组数不小于第一设定值，第一设定值不小于n/2，则判定避雷器异常。

进一步的，所述处理器模块还用于：

将每一组计算得到的混合式直流断路器的耗能支路电流与避雷器动作阈值电流进行比较；

若混合式直流断路器的耗能支路电流大于避雷器动作阈值电流的组数不小于第二设定值，第二设定值不小于n/2，则判定避雷器动作。

进一步的，所述处理器模块还用于记录避雷器动作次数。

进一步的，n＝3，第一设定值为2，第二设定值为2。

附图说明

图1是混合式直流断路器的结构示意图；

图2是混合式直流断路器避雷器的监测系统的结构图；

图3是混合式直流断路器的避雷器动作计数流程图；

图4是混合式直流断路器的避雷器状态监视流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供了一种混合式直流断路器避雷器的监测系统，包括n组设置在混合式直流断路器的线路侧、主支路以及转移支路上的电流互感器，每组中混合式直流断路器的线路侧、主支路以及转移支路上的电流互感器对应连接一个合并单元，n个合并单元通信连接一个处理器模块。

该混合式直流断路器避雷器的监测系统中的电流互感器、合并单元以及处理器模块相互配合，以实现一种混合式直流断路器避雷器的监测方法，该监测方法通过采集n组混合式直流断路器的线路侧电流、主支路电流以及转移支路电流，相应计算出n组混合式直流断路器的耗能支路电流；在混合式直流断路器转移支路暂态电压建立时，若混合式直流断路器的耗能支路电流大于避雷器动作阈值电流的组数不小于对应的组数设定值，则判定避雷器动作；在混合式直流断路器耗能支路承受额定运行电压工况下，若混合式直流断路器的耗能支路电流大于避雷器泄漏阈值电流上限值或者是小于避雷器泄漏阈值电流下限值的组数不小于对应的组数设定值，则判定避雷器异常，实现了对避雷器动作的计数以及对避雷器运行状态的判断。其中，组数设定值可以根据测量要求进行设定，例如可以设置两个设定值均为不小于n/2的正整数。

以设置3组电流互感器为例，混合式直流断路器避雷器的监测系统的结构示意图如图2所示，采用基于法拉第磁旋光效应的纯光纤电流互感器，具体配置如下：线路侧配置3套纯光纤式电流互感器；主支路配置3套纯光纤式电流互感器；转移支路配置3套纯光纤式电流互感器；合并单元配置为3套，同一测点的每套电流互感器接入不同的合并单元，此时线路侧电流第1个测点电流i0a、主支路第1个测点电流i1a和转移支路第1个测点电流i2a均接入合并单元1；线路侧电流第2个测点电流i0b、主支路第2个测点电流i1b和转移支路第2个测点电流i2b均接入合并单元2；线路侧电流第3个测点电流i0c、主支路第3个测点电流i1c和转移支路第3个测点电流i2c均接入合并单元3。

需要说明的是，上述混合式直流断路器避雷器的监测系统中也可以不设置合并单元，此时每一组中的线路侧、主支路以及转移支路对应设置的电流互感器直接将采集到的电流信息直接发送给处理器模块，由处理器模块按组进行处理。为了可以识别每一路采样信息便于处理器模块按组处理，电流采样信息中可以包含有电流采集处和组数的信息，也可以对电流信息进行编号，由于此部分内容属于现有技术，此处不再赘述。

基于上述的混合式直流断路器避雷器的监测系统，以测量3组混合式直流断路器的线路侧电流、主支路电流以及转移支路电流为例，本发明混合式直流断路器避雷器的监测方法中避雷器动作计数方法流程图如图3所示，主要包括以下步骤：

1)在混合式直流断路器分闸转移支路暂态电压建立时，根据线路侧电流、主支路电流以及转移支路电流，计算混合式直流断路器的耗能支路电流。

其中，在本实施例中，通过合并单元1实时获取线路侧电流i0a、主支路电流i1a、转移支路电流i2a；通过合并单元2实时获取线路侧电流i0b、主支路电流i1b、转移支路电流i2b；通过合并单元3实时获取线路侧电流i0c、主支路电流i1c、转移支路电流i2c。基于基尔霍夫电流定律，计算出耗能支路的电流：i3a＝i0a-i1a-i2a；i3b＝i0b-i1b-i2b；i3c＝i0c-i1c-i2c。

2)将混合式直流断路器耗能支路电流分别与避雷器动作阈值电流i动作_set比较，若耗能支路电流超过避雷器动作阈值电流，则判定避雷器动作；否则判定避雷器未动作。

3)将3次通过耗能支路判定避雷器动作与否的结果，执行“三取二”逻辑，即3次判断结果中，大于等于2次判定避雷器动作，则输出避雷器动作有效，否则输出避雷器动作无效。

4)若避雷器动作有效，则避雷器动作计数值n＝n+1；否则避雷器计数值维持不变。

基于上述的混合式直流断路器避雷器的监测系统，以测量3组混合式直流断路器的线路侧电流、主支路电流以及转移支路电流为例，本发明混合式直流断路器避雷器的监测方法中避雷器状态监视方法流程图如图4所示，主要包括以下步骤：

(1)在混合式直流断路器耗能支路承受额定运行电压工况下，获取断路器耗能支路电流i3a、i3b、i3c。

其中，在本实施例中，获取混合式直流断路器线路侧3个测量点电流i0a、i0b、i0c，主支路3个测量点电流i1a、i1b、i1c和转移支路3个测量点电流i2a、i2b、i2c，并基于基尔霍夫电流定律，计算出耗能支路的电流：i3a＝i0a-i1a-i2a；i3b＝i0b-i1b-i2b；i3c＝i0c-i1c-i2c。

(2)将耗能支路电流i3a、i3b、i3c分别与避雷器正常允许泄漏阈值电流i泄漏_set限值比较，若耗能支路电流大于等于避雷器泄漏阈值电流上限值i泄漏_set_up或耗能支路电流小于等于泄漏阈值电流下限值i泄漏_set_down，则判定避雷器异常，否则判定避雷器正常。

(3)将3次通过耗能支路判定避雷器故障与否的结果，执行“三取二”逻辑，即3次判断结果中，大于等于2次判定避雷器异常，则输出避雷器异常有效，否则输出避雷器正常。

本发明的混合式直流断路器避雷器的监测方法及系统，不需要另外配置避雷器在线监测系统，便可以实现对混合式直流断路器避雷动作计数及运行状态监视，一方面降低了成本、简化了系统设计且可靠性高，另一方面消除了加装避雷器在线监测系统对避雷动态性能的影响，在混合式直流断路器应用领域具有重要的工程应用价值。