一种直流输电谐波电流过电流判断方法与流程

1.本发明涉及有载分接开关技术领域，尤其涉及一种直流输电谐波电流过电流判断方法。


背景技术：

2.换流变压器是直流输电系统中的关键设备，实现交流和直流系统的电气隔离。与交流电力变压器有载分接开关相比，换流变压器有载分接开关需要切换的负荷电流是具有较大电流变化率(di/dt)的非正弦波形。di/dt是一个设计参数，其变化率远高于50hz或60hz的交流电流的变化率。实际高压直输电系统中，流经换流变压器和有载分接开关中的电流的谐波总量可能不超过规定值，但其频率范围很广，对有载分接开关回复电压影响很大。尤其在换流变压器轻载的情况下，正常或事故操作会在系统中引起的振荡过程或谐振现象。因此在电力系统中对过电流的监测和分析有着极其重要的意义，为电网的安全运行提供可靠和准确的参考依据。
3.目前一般是使用电流互感器的二次电流去驱动一个继电器或是采用对电流互感器二次电流经整流后与预先设定的电流整定值比对的办法，或是对二次电流经过转换形成的电压信号进行一个周波内的多点采样、应用傅氏算法获取其有效值再与电流整定值进行比较以确认故障是否发生，过电流中谐波分量占电流总量的比重较高，容易出现电弧，电弧会造成有载分接开关开断时的触头振动及电弧烧蚀引起的触头材料电磨损，导致有载分接开关的开断能力下降，而且在对有载分接开断时电弧熄灭后，还经常会出现电弧重燃的现象，造成造成有载分接开关的触头的材料进一步电磨损，导致有载分接开关更容易被击穿，甚至造成事故。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：电弧会造成有载分接开关开断时的触头振动及电弧烧蚀引起的触头材料电磨损，导致有载分接开关的开断能力下降，而且在对有载分接开断时电弧熄灭后，还经常会出现电弧重燃的现象，造成造成有载分接开关的触头的材料进一步电磨损，导致有载分接开关更容易被击穿，甚至造成事故。
5.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种直流输电谐波电流过电流判断方法，包括：
6.建立谐波开断实验模型；
7.基于所示谐波开断实验模型的实验数据计算有载分接开关的电流变化率，基于电流变化率与所在控制角α的值生成第一数据库和第二数据库；
8.计算电流变化率裕度值；
9.对有载分接开关直流输电谐波电流是否过电流进行判断。
10.作为本发明所述的直流输电谐波电流过电流判断方法的一种优选方案，其中：所述有载分接开关的di/dt的计算表达式为：
11.id＝i
12.ur＝ri
[0013][0014]
其中，di/dt表示电流变化率，id表示主触头电弧电流，ur表示恢复电压，r表示有载分接开关电阻，u表示有载分接开关的级电压，i表示有载分接开关的额定电流，α表示控制角；
[0015]
根据使用有载分接开关的实际的级电压u、额定电流i和有载分接开关实际电阻r，在控制角α范围为0～90
°
内计算各个控制角的电流值，并且计算其电流变化率di/dt。
[0016]
作为本发明所述的直流输电谐波电流过电流判断方法的一种优选方案，其中：所述有载分接开关主通断触头上的恢复电压升高等于通过电流在过渡电阻两端上产生的电压降，当恢复电压高于绝缘介质恢复速率，电弧就会重燃，对最大恢复电压进行计算，计算表达式为：
[0017]
最大恢复电压＝r
过渡
×
(di/dt)；
[0018]
其中，r
过渡
表示过渡电阻的阻值，当所述有载分接开关主通断触头上的恢复电压低于所述最大恢复电压，电弧不会重燃。
[0019]
作为本发明所述的直流输电谐波电流过电流判断方法的一种优选方案，其中：在控制角α范围为0～90
°
内计算各个控制角的电流值；
[0020]
并且分别计算其电流变化率di/dt；
[0021]
将di/dt的计算结果与控制角α一一对应，得到第一数据库。
[0022]
作为本发明所述的直流输电谐波电流过电流判断方法的一种优选方案，其中：在有载分接开关一侧串联一个保护电阻，通过改变保护电阻的阻值，模拟有载分接开关不同状态时的电阻值，此时在双电阻模式下对最大恢复电压进行计算，其计算表达式为；
[0023]
ur
γ
＝ir
保护
[0024][0025]
最大恢复电压
双电阻
＝(di/dt
γ
+i(r-r
保护
))/r
过渡
[0026]
其中，di/dt
γ
表示双电阻模式下的电流变化率，id表示主触头电弧电流，ur
γ
表示双电阻模式下的恢复电压，r表示有载分接开关电阻，u表示有载分接开关的级电压，i表示有载分接开关的额定电流，α表示控制角，最大恢复电压
双电阻
表示双电阻模式下对最大恢复电压，r
保护
表示保护电阻的阻值，保护电阻的阻值对应所述有载分接开关主通断触头的通断能力调节，由于有载分接开关主通断触头的通断能力随电弧放电的下降，直观表现是对di/dt更加敏感，更有载分接开关电阻的电阻也会逐渐降低，对不同程度电弧放电的历史有载分接开关的电阻值进行测量，得到历史有载分接开关的的电阻值r
历史
，其关系表达式为：
[0027]
r-r
历史
＝r
保护
。
[0028]
作为本发明所述的直流输电谐波电流过电流判断方法的一种优选方案，其中：在双电阻模式下，在控制角α范围为0～90
°
内计算各个控制角的电流值；
[0029]
并且分别计算其电流变化率di/dt
γ
；
[0030]
将di/dt
γ
的计算结果与控制角α一一对应，得到第二数据库。
[0031]
作为本发明所述的直流输电谐波电流过电流判断方法的一种优选方案，其中：对历史有载分接开关主通断触头的损伤程度进行分级，所述分级包括轻微损伤、轻度损伤、中度损伤、重度损伤和严重损伤；
[0032]
将第二数据库中的di/dt
γ
与第二数据库中的di/dt相减，得到di/dt
δ
；
[0033]
将di/dt
δ
值作为电流变化率裕度值，并将电流变化率裕度值按照大小与损伤程度对应分类。
[0034]
作为本发明所述的直流输电谐波电流过电流判断方法的一种优选方案，其中：对换变流上的有载分接开关通断触头的损伤程度进行分级；
[0035]
对有载分接开关的运行时的电流变化率进行实时检测计算，并计算其最大恢复电压下的最大电流变化率；
[0036]
用最大电流变化率减去电流变化率裕度值，得到电流变化率的监测值；
[0037]
将实时电流变化率的值与电流变化率的监测值对比；
[0038]
若实时电流变化率的值大于或等于电流变化率的监测值，则触发过电流预警。
[0039]
本发明有益效果：通过对电流变化率裕度值的计算，并且用最大电流变化率减去电流变化率裕度值，得到电流变化率的监测值，将电流变化率的监测值做为该有载分接开关电流变化率警戒线，通过对实时电流变化率进行检测，并将实时电流变化率与电流变化率的监测值进行比较，来判断有载分接开关直流输电谐波电流是否过电流，避免有载分接开关电弧重燃，对有载分接开关起到保护作用的同时，保证其开断能力。而且能够根据有载分接开关通断触头的损伤程度，对其电流变化率的监测值进行适应性调整，对有载分接的开断能力掌控更加精细，有利于充分的把控有载分接开关的使用状态，延长其使用寿命，减少事故的发生。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例提供的一种直流输电谐波电流过电流判断方法的流程图；
[0041]
图2为本发明实施例提供的一种直流输电谐波电流过电流判断方法中的换流变压器调压绕组接线图。
[0042]
图3为本发明实施例提供的一种直流输电谐波电流过电流判断方法中的脉动整流桥结构示意图。
[0043]
图4为本发明实施例提供的一种直流输电谐波电流过电流判断方法中的脉动整流桥电流波形示意图。
[0044]
图5为本发明实施例提供的一种直流输电谐波电流过电流判断方法中的有载分接开关切换开关上恢复电压波形图；其中，a图表示主通断触头上的恢复电压，b图表示过渡触头上的恢复电压。
[0045]
图6为本发明实施例提供的一种直流输电谐波电流过电流判断方法中的有载分接开关主触头恢复电压波形示意图；其中，a图为ynd接换流变主触头恢复电压波形，b图为yny接换流变主触头恢复电压波形。
具体实施方式
[0046]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对
本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0047]
换流变中有载分接开关的运行具有如下特点：1、调压范围大；2、动作频繁；3、开断电变化频率高；4、直流系统谐波复杂。上述特点对换流变压器有载分接开关提出了更高的要求。
[0048]
s1：建立谐波开断实验模型。
[0049]
影响有载分接开关触头断弧能力的主要因素是通过触头的开断电流和产生在触头断口两端的恢复电压。有载分接开关切换时电弧是否发生重燃，取决于介质恢复与电压恢复速度。当有载分接开关选型确定后，触头介质恢复速度已经固定，要满足熄弧的要求，只能降低电压恢复速度或恢复电压幅值。
[0050]
通常，换流变压器网侧带分接绕组，由接在中性点上的有载分接开关进行电压调整，以此来作为实验模型来对有载分接开关进带电实验。换流变压器的绕组布置如图2所示。
[0051]
在有载分接开关切换时，当主通断触头断开后，负载电流仍以电弧的形式通过主通断回路，直到电流波形过零时电弧熄灭，电流被开断并转移到过渡回路。出现在开断触头间的恢复电压的方均根值和变化率都决定触头的开断条件。
[0052]
在普通电力变压器中，电流和电压都是纯正弦波，所以恢复电压也是正弦波，其方均根值和变化率间有固定的关系，仅需要知道恢复电压的方均根值即可。
[0053]
换流变压器把交流系统电压变换到换流桥所需的三相电压。12脉动换流器包括两个三相桥装置(6脉冲桥)，它的交流侧必须接上彼此相移动30
°
的两个三相系统，需要两组换流变，一组为y/y连接，另一组为y/d连接。12脉动换流桥的结构如图3所示，其电流波形如图4所示。
[0054]
由图4可以看出，高压直流系统中的换流变压器及其有载分接开关所承受的绕组电流不是正弦波，而类似于方波，这些方波对有载分接开关切换开关的开断性能有较大影响。尤其是在y/
△
接法中，方波电流在电流过零处的di/dt比同样有效值的正线电流的陡度要大，切换开关要有足够的开断能力才能开断。
[0055]
在旗循环法或者多电阻循环法的电阻式切换开关中，主通断触头断口上的恢复电压相当于通过的电流在过渡电阻上产生的电压降，结果恢复电压也是方形波。当切换开关按尖旗循环法操作时，恢复电压是上述电压降与级电压的向量和。图5示出了主通断触头端口上的恢复电压的原理波形，一个是由正弦电流产生的，另一个则是在
△
接换流变中的电流产生的(切换开关为旗循环法)。
[0056]
在后续的切换开关操作中，过渡触头必须在恢复电压下把电流切断。在过渡触头上的恢复电压为过渡电阻两端的电压降与级电压的向量和(切换开关用旗循环和多电阻循环操作)。图5是此种恢复电压的原理图。
[0057]
在换流变压器中，负载电流不是纯正弦波，峰值和变化率没有固定关系。如果恢复电压变化率太快，超过触头间的绝缘强度恢复速度，断口就会被恢复电压击穿，发生重燃。
[0058]
s2：基于所示谐波开断实验模型的实验数据计算有载分接开关的电流变化率，基于电流变化率与所在控制角α的值生成第一数据库和第二数据库。
[0059]
有载分接开关触头恢复电压的波形决定着断口的灭弧能力。由于换流变压器分接绕组负载电流不是正弦波，而是类似于方波，切换开关主触头端口上的恢复电压相当于通
过电流在过渡电阻上产生的电压降，因此恢复电压也是方形波。对换流变压器有载分接开关的开断能力产生决定影响的，不是电流值变化本身，而是网侧电流过零时的变化率di/dt。所以，由换流变压器方波负载电流产生的恢复电压必须校验，必须知道通过电流在过零时的陡度(也就是di/dt)。
[0060]
影响di/dt的主要因素有换流变压器的短路阻抗、联结组及触发角。同一个换流站各换流变压器的短路阻抗基本相同，换流变压器网侧均采用ynd或yny接法，因此di/dt一般是触发角的函数。通常只提供额定触发角对应的di/dt值，但在不同触发角的值对有载分接开关的选用和设计也很重要。触发角同时影响电流的峰值和di/dt值，因此必须综合考虑，以对有载分接开关最严厉的一对数据作为选用和设计有载分接开关的依据。
[0061]
在主通断触头开断时，断口间的恢复电压等于负载电流i在过渡电阻r上的电压降。ynd和yny型换流变压器有载分接开关主触头恢复电压波形如图6所示。
[0062]
对ynd连接方式的换流变压器，网侧电流i近似于两阶梯波，其恢复电压也近似于两阶梯波，在过零时的很陡，且在电流形式恢复电压最陡，这是对主通断触头最严厉的情况。
[0063]
对yny连接方式的换流变压器，网侧电流近似于方波，在方波过零时的di/dt很陡，但电流没有立即朝相反方向上升，而是维持在零。
[0064]
yny连接方式的换流变压器有载分接开关主通断锄头的切换条件一般比ynd连接方式的要轻。电流换相完成后的过零到恢复电压开始上升的时间与换相角的大小有关，间接受控制角的影响。
[0065]
所述有载分接开关的di/dt的计算表达式为：
[0066]
id＝i
[0067]
ur＝ri
[0068][0069]
其中，di/dt表示电流变化率，id表示主触头电弧电流，ur表示恢复电压，r表示有载分接开关电阻，u表示有载分接开关的级电压，i表示有载分接开关的额定电流，α表示控制角；
[0070]
根据使用有载分接开关的实际的级电压u、额定电流i和有载分接开关实际电阻r，在控制角α范围为0～90
°
内计算各个控制角的电流值，并且计算其电流变化率di/dt。
[0071]
所述有载分接开关主通断触头上的恢复电压升高等于通过电流在过渡电阻两端上产生的电压降，当恢复电压高于绝缘介质恢复速率，电弧就会重燃，对最大恢复电压进行计算，计算表达式为：
[0072]
最大恢复电压＝r
过渡
×
(di/dt)；
[0073]
其中，r
过渡
表示过渡电阻的阻值，当所述有载分接开关主通断触头上的恢复电压低于所述最大恢复电压，电弧不会重燃。
[0074]
在控制角α范围为0～90
°
内计算各个控制角的电流值；
[0075]
并且分别计算其电流变化率di/dt；
[0076]
将di/dt的计算结果与控制角α一一对应，得到第一数据库。
[0077]
有载分接切换过程中会产生电弧，在电流过零点熄弧。当电弧熄灭后，介质绝缘强度开始恢复，绝缘强度的恢复速度必须大于恢复电压的恢复速度。
[0078]
换流变压器由于运行工况的特殊性，开断电弧在电流过零点时恢复电压上升很快，如果开断触头间恢复电压上升太快，超过开断触头间绝缘强度的恢复速度，断口就会重新被击穿，导致开断失败。
[0079]
由于di/dt由系统决定，如果恢复电压上升速度过快，只能通过降低过渡电阻r来降低恢复电压ur。
[0080]
在有载分接开关一侧串联一个保护电阻，通过改变保护电阻的阻值，模拟有载分接开关不同状态时的电阻值，此时在双电阻模式下对最大恢复电压进行计算，其计算表达式为；
[0081]
ur
γ
＝ir
保护
[0082][0083]
最大恢复电压
双电阻
＝(di/dt
γ
+i(r-r
保护
))/r
过渡
[0084]
其中，di/dt
γ
表示双电阻模式下的电流变化率，id表示主触头电弧电流，ur
γ
表示双电阻模式下的恢复电压，r表示有载分接开关电阻，u表示有载分接开关的级电压，i表示有载分接开关的额定电流，α表示控制角，最大恢复电压
双电阻
表示双电阻模式下对最大恢复电压，r
保护
表示保护电阻的阻值，保护电阻的阻值对应所述有载分接开关主通断触头的通断能力调节，由于有载分接开关主通断触头的通断能力随电弧放电的下降，直观表现是对di/dt更加敏感，更有载分接开关电阻的电阻也会逐渐降低，对不同程度电弧放电的历史有载分接开关的电阻值进行测量，得到历史有载分接开关的的电阻值r
历史
，其关系表达式为：
[0085]
r-r
历史
＝r
保护
。
[0086]
在双电阻模式下，在控制角α范围为0～90
°
内计算各个控制角的电流值；
[0087]
并且分别计算其电流变化率di/dt
γ
；
[0088]
将di/dt
γ
的计算结果与控制角α一一对应，得到第二数据库。
[0089]
双电阻切换模式下，对于ynd连接方式的换流变压器，网侧电流i近似于两阶梯波，环流ic是由交流正弦波形的级电压引起的，所以环流是正弦波。网侧电流的基波与交流电压之间一般有相位差，网侧电流进入换相区，对应的di/dt最大，但级电压的变化率不是最大。对于yny连接方式的换流变压器，网侧电流近似于方波。网侧电流方波为零时，环流还不为零，总电流因此没有过零。环流过零时，网侧电流方波仍然为零，没有在过渡电阻上引起电压降，因此恢复电压仅为级电压一个分量。
[0090]
s3：计算电流变化率裕度值。
[0091]
对于一个有载分接开关，在触头切换能力以内,有载分接开关的绝缘恢复速度已经固定，如果不能满足要求，只能降低ur的恢复速度。如果有载分接开关所在换流变压器网侧电流di/dt特别大，就要适当地降低过渡电阻r来降低du/dt。r所需要降低的程度，以有载分接开关断口间的恢复电压波形在其绝缘恢复曲线以内才能实现触头的开断，或者有载分接开关被击穿后，阻值减低，也需要适当地降低过渡电阻r来降低du/dt，以便于将有载分接开关断口间的恢复电压波形在其绝缘恢复曲线以内才能实现触头的开断。
[0092]
对历史有载分接开关主通断触头的损伤程度进行分级，所述分级包括轻微损伤、
轻度损伤、中度损伤、重度损伤和严重损伤；
[0093]
将第二数据库中的di/dt
γ
与第二数据库中的di/dt相减，得到di/dt
δ
；
[0094]
将di/dt
δ
值作为电流变化率裕度值，并将电流变化率裕度值按照大小与损伤程度对应分类。
[0095]
对双电阻切换模式的有载分接开关，降低过渡电阻r，可以降低主触头的电压上升率，但对过渡触头有双方面的影响：一方面，过渡触头上的电压上升率随r降低而降低，另一方面，随着r的降低过渡触头上开断的总电流由于环流的增加而增加了。
[0096]
对于特定的高压直流输电工程，由于di/dt由系统决定，只能通过降低过渡电阻r值来降低电压上升率。所以，相同容量情况下，换流变压器有载分接开关的过渡电阻比普通电力变压器有载分接开关的过渡电阻值要低些。但r的取值不能偏离理论最优值太多，需要平衡主通断触头和过渡触头的切换任务，尽量保证两个触头的平均烧蚀相当，不影响切换顺序。
[0097]
s4：对有载分接开关直流输电谐波电流是否过电流进行判断。
[0098]
对换变流上的有载分接开关通断触头的损伤程度进行分级；
[0099]
对有载分接开关的运行时的电流变化率进行实时检测计算，并计算其最大恢复电压下的最大电流变化率；
[0100]
用最大电流变化率减去电流变化率裕度值，得到电流变化率的监测值；
[0101]
将实时电流变化率的值与电流变化率的监测值对比；
[0102]
若实时电流变化率的值大于或等于电流变化率的监测值，则触发过电流预警。
[0103]
由于有载分接开关通断触头的损伤程度不同，其所能承受的最大电流变化率也不同，用最大电流变化率减去电流变化率裕度值，得到电流变化率的监测值，将电流变化率的监测值做为该有载分接开关电流变化率警戒线，通过对实时电流变化率进行检测，并将实时电流变化率与电流变化率的监测值进行比较，来判断有载分接开关直流输电谐波电流是否过电流，避免有载分接开关电弧重燃，对有载分接开关起到保护作用的同时，保证其开断能力。而且能够根据有载分接开关通断触头的损伤程度，对其电流变化率的监测值进行适应性调整，对有载分接的开断能力掌控更加精细，有利于充分的把控有载分接开关的使用状态，延长其使用寿命，减少事故的发生。
[0104]
实施例2
[0105]
参照图6，为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种直流输电谐波电流过电流判断方法的实验验证，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0106]
根据换流变真空有载分接开关的结构特点，在切换过程中主要包括转移开断电流、工频恢复电压、转移关合电流及关合电压等关键参数，而真空灭弧室在有载分接开关切换过程中所需关合和开断的电流最严酷的情况是额定负载电流和转换过程环流的叠加，同样真空灭弧室在有载分接开关切换过程中所需承受的关合电压和开断后的恢复电压最严酷的情况是级电压与过渡电阻两端电压的叠加。确定谐波电流开断试验的试验参数如下：
[0107]
1)试验电压：级电压+过度电阻
×
负载电流＝7560v；
[0108]
2)试验电流：0.5
×
(负载电流+级电压/过渡电阻)＝1718a；
[0109]
3)试验次数：3000次；
[0110]
4)谐波分量选择：叠加5次、7次谐波电流，5次、7次谐波电流幅值范围在0～230a可调；
[0111]
5)开断时刻试验电流di/dt值：3a/us。
[0112]
所用联接变压器为单相双绕组，联结组别为yn0yn0，网侧中性点直接接地，额定容量375mva，额定电压(525/√3
±
4*1.25％)/(375/√3)kv，额定电流in＝375
×
1000/525/√3＝1237a，因此能耐受的负载电流总谐波含量不超过1237
×
5％＝62a，有载分接开关的级电压为3789v，额定电流为1302a。
[0113]
将有载分接开关分为a组和b组，其中a组有载分接开关过渡电阻值n＝0.55，b组有载分接开关过渡电阻值n＝0.22。
[0114]
根据上述分析，主触头电弧电流i、恢复电压ur、电流变化率di/dt分别如下：
[0115]
i＝1302a
[0116]
ur＝ri＝1.6
×
1302＝2083.2v
[0117]
di/dt＝√2
×
1302
×
ω＝0.578a/us
[0118]
在该有载分接开关型式试验的开断容量试验中：弧电流、恢复电压和di/dt值分别为：
[0119]
a组：i＝4800u＝5136di/dt＝2.133
[0120]
b组：i＝1840u＝7120di/dt＝0.817
[0121]
由此实验结果可见，b组的di/dt小于a组，也就是降低过渡电阻r可以降低du/dt，就可以降低恢复电压的恢复速度，以防止分接开关被重新击穿。
[0122]
换流变压器负载电流中含有成分复杂的谐波，因此换流变压器有载分接开关的开断能力必须考虑谐波的影响。对于换流变压器有载分接开关，除恢复电压幅值外，恢复电压的波形对通断能力也有决定性的影响。按旗循环或多电阻循环法工作的电阻式有载分接开关，主通断触头上的恢复电压升高等于通过电流在过渡电阻两端上产生的电压降，因此，恢复电压也是一个非正弦的波形。在有载分接开关切换过程中，负载电流过零处的di/dt比正弦电流要大很多倍，其恢复电压的变化速度也要大很多倍。
[0123]
有载分接开关要在负载电流的第一个过零点将电弧熄灭，通常有载分接开关设计时只考虑正弦基波电流时断口间的恢复电压，保证基波电流可靠熄灭。
[0124]
换流变压器的实际运行工况是非理想的，主要包括如下几种情形：
[0125]
(1)直流输出电流有纹波。
[0126]
(2)网侧交流电压中会有谐波分量，网侧交流基波电压因有负序电压而不对称。
[0127]
(3)各台换流变压器短路阻抗不尽相同。
[0128]
(4)y与d接换流阀的触发脉冲不等距及控制角不同。
[0129]
这就使得换流变压器网侧电流中不仅有特征谐波，还会有非特征谐波，要求换流变压器有载分接开关具有很强的切断谐波电流的能力。
[0130]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。