一种用于真双极直流输配电线路的单极接地故障检测系统的制作方法

本发明属于电气工程、仪器科学与技术领域，具体涉及一种用于真双极直流输配电线路的单极接地故障检测系统。

背景技术：

直流输配电系统，主要包括交流系统、换流站和直流输电线三个部分。其中换流站是直流输配电系统中最主要的部分，目前常见的直流换流站电气主接线方案主要包括单极对称接线方案和双极对称接线方案。单极对称接线又称伪双极，是目前直流输配电系统最常见的接线方案，在交流侧或直流侧采用合适的接地装置钳制住中性点电位，适用于发生短路故障概率低的电缆线路。双极对称接线又称真双极，单侧换流站由上下两个结构相同的换流器组成，分别组成正极和负极，两极可以独立运行，使用金属回流线或接地极形成返回电流通路。真双极直流输配电系统发生单极接地故障时，非故障极将不受故障极影响，且相比伪双极系统，真双极系统接线绝缘水平低一半且易于整个直流系统的分期建设和增容建设。

真双极接线方式有多种运行模式，按照接地方式主要分为两种。一种是双极不带金属回流线双端接地运行，这种运行模式中，两侧换流站中性线分别站内接地，采用大地作电流回线，两级不平衡电流通过大地返回；但这种运行方式不得长期运行，且运行中需保证双极电流平衡，不平衡电流不得超过设定值(通常为100a)。另一种是双极带金属回流线单端接地运行，金属回流线在一端换流站单点接地，其中接地点仅起钳制电位的作用，不提供直流电流通路。在该接地方式下，一般采用双极平衡运行，即正负极电压和电流均是大小相等、方向相反；当有两极不平衡电流时，不平衡电流将通过金属回流线返回。

真双极直流输配电系统通常按照双极带金属回流线单端接地方式运行，由于真双极系统对直流侧单极接地故障具有故障隔离作用，因此发生直流侧单极接地故障时故障极停止运行、对地电压降为零，而非故障极可长期正常运行且母线对地电压不变，即由双极运行变为单极运行，金属回流线降低了单极运行的回流电流影响。但是，非故障极承受的负荷将有所增加，较大的负荷电流容易引起电力元器件的损耗；且在已经发生单点接地故障的情况下，如果再有第二点或多点接地，不论是否在故障极，都可能会造成直流系统保护、开关误动或拒动，严重时可能导致直流系统崩溃。因此，在直流输配电系统直流侧线路发生单极接地故障时，仍然需要快速找到故障点并排除单极接地故障。

综上所述，不论是采用双极不带金属回流线双端运行还是双极带金属回流线单端接地运行的真双极直流输配电系统，当系统直流侧线路发生单极接地故障时，都需要尽快明确故障极和故障区段，以快速查找并排除故障。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种适合工程实际的、用于真双极直流输配电线路的单极接地故障检测系统。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种用于真双极直流输配电线路的单极接地故障检测系统，该系统由多个用于监测直流输电线路电流的测量系统组成，每个测量系统均包括用于直流电流测量的磁环和相关的磁测量元件、调理电路、信号采集及处理电路和通讯电路；其中，

磁测量元件用于间接获得磁环中代表直流线路电流差值的磁通量，调理电路将磁测量元件输出信号调理至信号采集及处理电路可识别范围，信号处理电路通过分析获得线路接地故障极和故障电流值，通讯电路用于数据传输及组网；使用时，每隔设定的距离，真双极直流输配电系统的直流侧线路安装一套测量系统，当直流侧正极或负极出现接地故障时，根据测量装置测得的结果，来判断真双极单极接地故障的故障电流大小、故障极及故障位置。

本发明进一步的改进在于，测量系统中的磁环安装在直流侧的正负极线路上，正负极输电线均穿过磁环一次且两输电线位于磁环的同一条直径上；所述磁环中磁通能够采用任意方式测量，磁测量元件安装在磁环预留的气隙上，气隙长度lg在满足磁测量元件安装条件下的情况下尽可能小，保证气隙内磁感应强度垂直磁测量元件，因此磁环的截面积s，满足

lg/s<α(1)

此式中的α选择在2％～5％之间，同时，在选取的磁环满足l/(μ0μr)<<lg/μ0时，气隙长度lg按式(2)确定

lg＝ifm×μ0/bm(2)

式中，ifm表示最大允许的接地故障电流，l表示磁环的平均磁路长度，μ0表示空气磁导率，μr表示磁环材料的相对磁导率，bm表示磁环材料的最大磁通密度变化值，根据上述要求综合选取合适的磁环。

本发明进一步的改进在于，测量系统中的信号调理电路处理来自磁测量元件的信号，信号采集电路的实际有效分辨率不低于12位，相应微处理器具有预定的处理和响应速度，满足测量装置响应时间要求且与信号采集电路速度匹配。

本发明进一步的改进在于，测量系统中磁环内将感应出与接地故障电流有关的磁通φ，在真双极直流输配电系统正常工作时，其双极平衡运行，即正、负极输电线路流过的电流大小一致、方向相反，不存在接地故障电流，此时磁环上的磁通φ＝0；在直流侧发生单极接地故障时，直流侧正、负极线路中流过的电流大小不再保持一致，即故障点存在接地故障电流if，假设接地故障在发生正极时有φ>0，则接地故障发生在负极时有φ<0。

本发明进一步的改进在于，测量系统磁环内的感应磁通φ正比于接地故障电流if，即有φ＝k×if，通过测得的磁通计算故障电流if的大小；该系数k通过测试标准电流if0对应得到的感应磁通φ0获得，即

k＝φ0/if0(3)

本发明进一步的改进在于，当真双极直流输配电系统直流侧线路上有多个所述测量系统时，得到多个测量点测得的磁通φ1、φ2、…、φn，如果距离最近的两个测量点第a和第b测得的磁通φa和φb满足其中一个绝对值最大和另一个绝对值最小，则说明单极接地故障发生区段在这两个测量点之间；若这两个测量点编号有b>a+1，则同时说明两测量点之间可能有测量系统失效，在排查该区段内单极接地故障时，需对可能的失效测量系统进行排查。

本发明进一步的改进在于，真双极直流输配电系统的单极接地故障点位置按如下方式得到：

根据真双极线路单极接地故障发生时刻的会有电流瞬变这一特性，并由权利要求6得到故障点所在区段在第a和第b个测量点，及这两个测量点中某个点的相邻测量点共三个测量点的距离lab、lca及测量到瞬变的时间差来判断故障点的位置，此时假设测量点顺序依次为c、a、b；假设以故障前某一时刻为零时刻，则三个测量点测量到瞬变的时间分别为ta、tb和tc，则有故障点距离第a和第b测量点的距离分别为

s1＝(lab+β×lca)/2(8)

s2＝(lab-β×lca)/2(9)

式中，β＝(ta-tb)/(tc-ta)，若测量点顺序为依次为a、b、c时，由此类推。

本发明至少具有以下有益的技术效果：

在真双极直流输配电系统单极接地故障检测中，本发明根据测量系统中的磁环感应到的磁通φ来判断接地故障电流大小和接地极，通过多个安装在直流侧线路上的测量系统来判断接地故障发生的位置，从而能够快速有效的查找并排除接地故障。本发明提供了一种适合工程实际的、用于真双极直流输配电线路的单极接地故障检测系统。

附图说明

图1真双极直流输配电系统接线模式运行拓扑图，图1(a)为双极不带金属回流线双端接地运行；图1(b)为双极带金属回流线单端接地运行。

图2为用于真双极直流输配电线路单极接地故障检测的测量系统结构及其连接方式示意图。

图3为真双极直流侧线路单极接地故障定位原理示意图。

具体实施方式

本发明将结合附图和实施例进一步说明和论述。

真双极直流输配电系统通常按照图1(b)中，采用双极带金属回流线单端接地长期运行，双极不平衡时，不平衡电流经过金属回流线返回；有时可切断金属回流线，按照图1(a)中，采用双极不带金属回流线双端接地运行，但是不得长期按照该方式运行，且运行过程中不平衡电流不得超过设定值。不论按照图1两种接线模式的哪种方式运行，在真双极直流输配电系统直流侧线路发生单极接地故障时，都需要快速判断出接地故障的故障极和故障发生区段，以迅速排查并排除故障。

本发明提出的一种用于真双极直流输配电线路的单极接地故障检测系统，该系统构成的测量系统结构及连接方式示意图如图2所示，每套测量系统包括磁环、磁测量元件、信号调理电路、微处理器以及通讯或显示电路。磁测量元件用于间接获得磁环中代表直流线路电流差值的磁通量，调理电路将磁测量元件输出信号调理至信号采集及处理电路可识别范围，信号处理电路通过分析获得线路接地故障极和故障电流值，通讯电路用于数据传输及组网。所述测量系统中的磁环在安装在直流侧的正、负极线路上，正极和负极输电线均穿过磁环一次且两输电线位于磁环的同一条直径上；磁环中磁通可以采用任意方式测量，这里以磁测量元件为例，其中磁测量元件可以是任何用于磁测量的元器件，可以是霍尔元件、巨磁阻元件等。并且在合适的范围内选择最合适的磁，满足磁测量元件安装在磁环预留的气隙上，气隙长度lg在满足磁测量元件安装条件下的情况下应尽可能小，保证气隙内磁感应强度垂直磁测量元件，因此磁环的截面积s，应满足lg/s<α，此式中的参数α一般选择在2％～5％之间。同时，在选取的磁环满足l/(μ0μr)<<lg/μ0时，气隙长度lg应按lg＝ifm×μ0/bm确定，此式中ifm表示最大允许的接地故障电流，l表示磁环的平均磁路长度，μ0表示空气磁导率，μr表示磁环材料的相对磁导率，bm表示磁环材料的最大磁通密度变化值。

测量系统中的信号调理电路处理来自磁测量元件的信号，信号采集电路的实际有效分辨率不低于12位，相应微处理器须具有一定的处理和响应速度，满足测量装置响应时间要求且与信号采集电路速度匹配，可以是单片机、dsp、嵌入式系统或者普通工控机等。

所述测量系统中，磁环内将感应出一个反应接地故障电流大小和接地极的磁通φ。在真双极直流输配电系统正常工作时，其双极平衡运行，即正、负极输电线路流过的电流大小一致、方向相反，不存在接地故障电流，此时磁环上的磁通φ＝0；在直流侧发生单极接地故障时，直流侧正、负极线路中流过的电流大小不再保持一致，即故障点存在接地故障电流if，假设接地故障在发生正极时有φ>0，则接地故障发生在负极时有φ<0。且磁环内的感应磁通φ正比于接地故障电流if，即有φ＝k×if，可通过测得的磁通计算故障电流if的大小。该系数k通过测试标准电流if0，读出感应磁通φ0(或其他反应磁通的相关值)，计算k＝φ0/if0获得。

每隔一定的距离，真双极直流输配电系统的直流侧线路安装一套本发明提出的测量系统，如图3所示，得到多个测量点测得的磁通φ1、φ2、…、φn。一旦直流侧正极或负极出现接地故障，就可根据测量装置测得的反应故障接地电流的结果，来判断真双极单极接地故障的故障极及故障区段。如果距离最近的两个测量点(第a和第b)测得的磁通(φa和φb)满足其中一个绝对值最大和另一个绝对值最小(理想情况为0)，则说明单极接地故障发生区段在这两个测量点之间；若这两个测量点编号有b>a+1，说明两测量点之间有测量系统失效，在排查该区段内单极接地故障时，需对失效测量系统进行排查。同时，根据真双极线路单极接地故障发生时刻的会有电流瞬变这一特性，并由第a和第b个及这两个点中某个点相邻的测量点共三个测量点(假设测量点顺序依次为c、a、b)的距离lab、lca及测量到瞬变的时间差来判断故障点的位置。假设以故障前某一时刻为零时刻，则三个测量点测量到瞬变的时间分别为ta、tb和tc，由此可得故障点距离第a和第b测量点的距离分别为s1和s2，则有

s1＝λ×(ta-t0)(4)

s2＝λ×(tb-t0)(5)

s1+lca＝λ×(tc-t0)(6)

lab＝s1+s2(7)

由此式(4)～(7)可得，故障点与第a和第b测量点的距离分别为

s1＝(lab+β×lca)/2(8)

s2＝(lab-β×lca)/2(9)

式中，β＝(ta-tb)/(tc-ta)。若测量点顺序为依次为a、b、c时，可由此类推。

实施例：

本实施例结合图2的用于真双极直流输配电线路单极接地故障检测的测量系统结构及其连接方式示意图，以及图3的真双极直流侧线路单极接地故障定位原理示意图简要说明实施过程。

本发明中提出的图2所示测量系统统磁环内的感应磁通φ正比于接地故障电流if，即有φ＝k×if；该系数k通过测试标准电流if0，读出感应磁通φ0(或其他反应磁通的相关值)，计算k＝φ0/if获得。假设已知系数k0

(1)若得到磁通φ＝0，则说明真双极直流输配电系统直流侧正常工作，即此时正、负极输电线路流过的电流大小一致、方向相反，不存在接地故障电流；

(2)若得到磁通φ≠0，则说明真双极直流输配电系统直流侧发生单极接地故障，即此时直流侧正、负极线路中流过的电流大小不再保持一致，故障点存在接地故障电流if＝φ/k。

①若有φ>0，则接地故障发生在直流输电线路的正极；

②若有φ<0，则接地故障发生在直流输电线路的负极。

现如图3所示，直流输配电系统上安装有n套本发明提出的测量系统，编号由1到n。测得各个测量系统中磁环的磁通φ1＝φ2>0且绝对值最大，φ4＝…＝φn＝0，则有该直流输配电系统直流侧线路正极发生单极接地故障，故障区段在测量点2和4之间。另，由于测量点2和4不相邻，则说明测量点3的测量系统可能失效，因此在排查正极接地故障点时，需要排查编号为3的测量系统。

且已知测量点2和4及与测量点2相邻测量点1这三点之间的距离分别为l12＝＝10km和l24＝20km，根据测量到瞬变的时间差β＝(ta-tb)/(tc-ta)＝-0.4，由此式(8)和(9)可得故障点距离测量点2和4的距离分别为7km和13km。

显然，经过上述实施例说明，本发明根据测量系统中的磁环感应到的磁通φ来判断接地故障电流大小和接地极，通过多个安装在直流侧线路上的测量系统来判断接地故障发生的位置，从而能够快速有效的查找并排除接地故障。本发明提供了一种适合工程实际的、用于真双极直流输配电线路的单极接地故障检测系统。

以上内容是结合具体实施方案对本发明的进一步详细说明。需要特别说明的是，本发明的具体实施方案不仅仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干的推演和扩展，但都应当视为本发明所提交的权利要求书所确定的专利保护范围。