高压直流输电系统的直流接地极引线保护系统的制作方法

本实用新型涉及高压直流输电系统的直流接地极引线保护系统。

背景技术：

高压直流输电系统中直流接地极引线长度可能达到三百公里。接地极引线可以是架空线，因此其容易发生外部故障。例如，接地极引线短路或开路故障时，都会对直流系统运行造成安全隐患，因此需要对直流接地极线路进行故障检测，包括监视是否发生故障，以及进行故障测距。由于直流系统在直流单极金属回线和双极大地回线平衡运行时，接地极只作为直流侧的电位参考点，在直流接地极线路中没有电流流过，此时故障特征并不明显，不易检测。

目前直流接地极引线故障检测的实用方法主要通过注入约15千赫的高频信号来监视直流接地极引线的阻抗，进而对其做故障判断。但是，该方案只能监测是否存在故障，无法实现故障测距。

技术实现要素：

针对上述技术问题，根据本实用新型的一个方面，提供一种用于高压直流输电系统的直流接地极引线保护系统，其中所述直流接地极引线包括第一直流接地极引线和第二直流接地极引线，第一直流接地极引线和第二直流接地极引线每一条的第一端和第二端分别与所述高压直流输电系统的换流站的中性点和接地极电气耦合，所述系统包括：第一光纤电流传感器；和第二光纤电流传感器；其中：所述第一光纤电流传感器相对于所述第二光纤电流传感器更加靠近所述中性点和所述接地极中的前者；所述第一光纤电流传感器的传感器测量头环绕所述第一直流接地极引线的第一部分和所述第二直流接地极引线的第一部分；所述第二光纤电流传感器的传感器测量头环绕所述第一直流接地极引线的第二部分和所述第二直流接地极引线的第二部分；并且以电流从所述第一直流接地极引线的第一部分流向所述第一直流接地极引线的第二部分为第一电流参考方向并且以电流从所述第二直流接地极引线的第一部分流向所述第二直流接地极引线的第二部分为第二电流参考方向，根据右手定则在所述第一光纤电流传感器的传感器测量头所环绕的空间内所述第一直流接地极引线的第一部分和所述第二直流接地极引线的第一部分所产生的磁场方向相反，根据右手定则在所述第二光纤电流传感器的传感器测量头所环绕的空间内所述第一直流接地极引线的第二部分和所述第二直流接地极引线的第二部分所产生的磁场方向相反。

基于第一光纤电流传感器输出的第一直流接地极引线的第一部分和第二直流接地极引线的第一部分上流过的电流的第一差分电流值和第二光纤电流传感器输出的第一直流接地极引线的第二部分和第二直流接地极引线的第二部分上流过的电流的第二差分电流值，可以监测是否存在故障，并且实现故障测距。在单极系统运行中，在第一直流接地极引线和第二直流接地极引线上会流过高达额定直流电流的电流；并且在双极系统单极大地回线运行中，在第一直流接地极引线和第二直流接地极引线上会流过高达额定直流电流的电流。如果单独测量每条直流接地极引线，光纤电流传感器需要较高的电流测量精度和范围。通过将第一直流接地极引线和第二直流接地极引线按照其电流方向反向布置于光纤电流传感器的传感器测量头中，其仅检测第一直流接地极引线和第二直流接地极的差分电流。尽管第一直流接地极引线和第二直流接地极引线上所流过的电流较高，但是所述差分电流值较小。这可以降低光纤电流传感器的数量及其电流测量范围，降低成本。

优选地，所述第一直流接地极引线包括电气耦合其第一部分的第一弯折部和第二弯折部；并且所述第二直流接地极引线包括电气耦合其第一部分的第一弯折部和第二弯折部；其中：所述第一直流接地极引线的第一弯折部和所述第二直流接地极引线的第一弯折部位于所述第一光纤电流传感器的传感器测量头的两侧；并且所述第一直流接地极引线的第二弯折部和所述第二直流接地极引线的第二弯折部位于所述第一光纤电流传感器的传感器测量头的两侧。第一直流接地极引线的第一弯折部和第二弯折部与第二直流接地极引线的第一弯折部和第二弯折部使得两条直流接地极引线可以基本对称布置，进一步提高测量精度。

优选地，所述第一直流接地极引线包括电气耦合其第二部分的第三弯折部和第四弯折部；并且所述第二直流接地极引线包括电气耦合其第二部分的第三弯折部和第四弯折部；其中：所述第一直流接地极引线的第三弯折部和所述第二直流接地极引线的第三弯折部位于所述第二光纤电流传感器的传感器测量头的两侧；并且所述第一直流接地极引线的第四弯折部和所述第二直流接地极引线的第四弯折部位于所述第二光纤电流传感器的传感器测量头的两侧。第一直流接地极引线的第三弯折部和第四弯折部与第二直流接地极引线的第三弯折部和第四弯折部使得两条直流接地极引线可以基本对称布置，进一步提高测量精度。

附图说明

图1示出根据本实用新型的一个实施方式的高压直流输电系统的直流接地极引线保护系统；和

图2示出根据本实用新型的一个实施例的第一光纤电流传感器的传感头的布置。

具体实施方式

现在将对本公开的实施例做出参考，实施例的一个或多个示例由附图所示出。实施例通过本公开的阐述所提供，并且不旨在作为对本公开的限制。例如，作为一个实施例的一部分所示出或描述的特征可能在另一个实施例中被使用以生成进一步的实施例。本公开旨在包括属于本公开范围和精神的这些和其他修改和变化。此外，在本公开中的用词“可以”表达允许的概念，而非必须的概念；用词“包括”表达包括但不局限于；用词“连接”或“耦合”表达直接或间接地连接或耦合。

图1示出根据本实用新型的一个实施方式的高压直流输电系统的直流接地极引线保护系统。如图1所示，例如在本实施例中，高压直流输电系统1为单极系统，其包括整流侧的换流站10和逆变侧的换流站11。整流侧的换流站10可以包括两个变换器100、101，用于将来自交流电网的交流电力转换为直流电力并且通过架空线13传输给逆变侧的换流站11。每个变换器100、101中包括开关器件，以实现将交流电整流为直流电。变换器100、101中的开关器件可以是本领域中已知的晶闸管或者晶体管，常用的晶体管例如是绝缘栅双极晶体管，即IGBT。变换器100、101的各自的接地极彼此连接以形成中性点102并通过直流接地极引线103a，103b和接地极104电气耦合。

逆变侧的换流站11可以具有与整流侧的换流站10类似的构造。在本实施例中，逆变侧的换流站11可以包括两个变换器110、111，用于将自直流输电线路的直流电力转换为交流电力。每个变换器110、111中包括开关器件，以实现将直流电逆变为交流电。变换器110、111中的开关器件可以是本领域中已知的晶闸管或者晶体管，常用的晶体管例如是绝缘栅双极晶体管，即IGBT。变换器110、111的各自的接地极彼此连接以形成中性点112并通过直流接地极引线114a，114b和接地极114电气耦合。

在本实施例中，以整流侧的换流站10及其直流接地极引线103a,103b和接地极104为例说明高压直流输电系统的直流接地极引线保护系统。本领域的技术人员应当了解，该技术方案也适用于逆变侧的换流站11及其直流接地极引线113和接地极114以及双极系统中整流侧和逆变侧的直流接地极引线的故障监控和故障测距。

直流接地极引线103a,103b一般包括第一直流接地极引线103a和第二直流接地极引线103b，第一直流接地极引线103a的第一端和第二端分别与高压直流输电系统1的整流侧换流站10的中性点102和接地极104电气耦合，第二直流接地极引线103b的第一端和第二端也分别与高压直流输电系统1的整流侧换流站10的中性点102和接地极104电气耦合。在直流单极金属回线平衡运行时，电流通过第一直流接地极引线103a和第二直流接地极引线103b在整流侧换流站10的中性点102和接地极104之间流动。如图1所示，第一直流接地极引线103a包括第一部分P11和第二部分P12。I1表示流经第一直流接地极引线103a的第一部分P11的电流及其参考方向，I3表示流经第一直流接地极引线103a的第二部分P12的电流及其参考方向。在电气连接上，相对于第一直流接地极引线103a的第二部分P12，第一部分P11更加靠近中性点102而远离接地极104。类似地，第二直流接地极引线103b包括第一部分P21和第二部分P22。I2表示流经第二直流接地极引线103b的第一部分P21的电流及其参考方向，I4表示流经第二直流接地极引线103b的第二部分P22的电流及其参考方向。在电气连接上，相对于第二直流接地极引线103b的第二部分P22，第一部分P21更加靠近中性点102而远离接地极104。

当接地故障发生在第二直流接地极引线103b时，以上述电流参考方向，基于基尔霍夫定律，可得到如下等式：

-I2*PuL*R_Line2+I1*R_line1-I4*(1-PuL)*R_Line2＝0 (1)

其中，R_line1表示第一直流接地极引线103a的电阻值，R_line2表示第二直流接地极引线103b的电阻值，I1表示流经第一直流接地极引线103a的第一部分P11的电流值，I3表示流经第一直流接地极引线103a的第二部分P12的电流值，I2表示流经第二直流接地极引线103b的第一部分P21的电流值，I4表示流经第二直流接地极引线103b的第二部分P22的电流值。其中，PuL表示从换流站10到接地短路故障点距离的标幺值。

由于第一直流接地极引线103a和第二直流接地极引线103b的导体材料和长度基本相同，第一直流接地极引线103a和第二直流接地极引线103b的电阻值基本相同。基于上述事实，等式(1)可以简化为：

I1＝I2*PuL+I4*(1-PuL) (2)

PuL表示从换流站10到接地短路故障点距离的标幺值。将等式(2)做变形得到：

PuL＝(I1-I4)/(I2-I4) (3)

在第二直流接地极引线103b发生短路故障F2而第一直流接地极引线103a无故障的情况下，I1＝I3，等式(3)可变形为：

PuL＝(I1-I4)/(I2-I4)＝(I3-I4)/(I2-I4)＝Idiff2/(Idiff2-Idiff1) (4)

其中，Idiff1＝I1-I2；Idiff2＝I3-I4。

当接地故障发生在第一直流接地极引线103a时，类似地，以上述电流参考方向，基于基尔霍夫定律，可得到如下等式：

-I1*PuL1*R_Line1+I2*R_line2-I3*(1-PuL1)*R_Line1＝0 (5)

其中，R_line1表示第一直流接地极引线103a的电阻值，R_line2表示第二直流接地极引线103b的电阻值，I1表示流经第一直流接地极引线103a的第一部分P11的电流值，I3表示流经第一直流接地极引线103a的第二部分P12的电流值，I2表示流经第二直流接地极引线103b的第一部分P21的电流值，I4表示流经第二直流接地极引线103b的第二部分P22的电流值。PuL1表示从换流站10到第一直流接地极引线接地短路故障点距离标幺值。

由于第一直流接地极引线103a和第二直流接地极引线103b的导体材料和长度基本相同，第一直流接地极引线103a和第二直流接地极引线103b的电阻值基本相同。基于上述事实，等式(5)可以简化为：

I2＝I1*PuL1+I3*(1-PuL1) (6)

PuL1表示从换流站10到第一直流接地极引线接地短路故障点距离标幺值。将等式(6)做变形得到：

PuL1＝(I2-I3)/(I1-I3) (7)

在第一直流接地极引线103a发生短路故障F1而第二直流接地极引线

103b无故障的情况下，I2＝I4，等式(7)可变形为：

PuL1＝(I2-I3)/(I1-I3)＝(I4-I3)/(I1-I3)＝-Idiff2/(Idiff1-Idiff2) (8)

其中，Idiff1＝I1-I2；Idiff2＝I3-I4。

基于等式(4)和(8)的直流接地极引线的故障测距，仅需考虑流经第一直流接地极引线103a的第一部分P11的电流值和流经第二直流接地极引线103b的第一部分P21的电流值的第一差分电流值Idiff1，以及流经第一直流接地极引线103a的第二部分P12的电流值和流经第二直流接地极引线103b的第二部分P22的电流值的第二差分电流值Idiff2。

如图1所示，例如在本实施例中，高压直流输电系统1的直流接地极引线保护系统12包括第一光纤电流传感器120，第二光纤电流传感器121和与第一光纤电流传感器120和第二光纤电流传感器121的输出端连接的控制器单元122。

第一光纤电流传感器120用于测量第一差分电流值Idiff1。第一光纤电流传感器120的传感器测量头被布置为环绕第一直流接地极引线103a的第一部分P11和第二直流接地极引线103b的第一部分P21，并且以电流从第一直流接地极引线103a的第一部分P11流向第一直流接地极引线103a的第二部分P12为第一电流参考方向并且以电流从第二直流接地极引线103b的第一部分P21流向第二直流接地极引线103b的第二部分P22为第二电流参考方向，根据右手定则，在第一光纤电流传感器120的传感器测量头所环绕的空间内第一直流接地极引线103a的第一部分P11和第二直流接地极引线103b的第一部分P21所产生的磁场方向相反。

第二光纤电流传感器121用于测量第二差分电流值Idiff2。第二光纤电流传感器121的传感器测量头被布置为环绕第一直流接地极引线103a的第二部分P12和第二直流接地极引线103b的第二部分P22，并且以电流从第一直流接地极引线103a的第一部分P11流向第一直流接地极引线103a的第二部分P12为第一电流参考方向并且以电流从第二直流接地极引线103b的第一部分P21流向第二直流接地极引线103b的第二部分P22为第二电流参考方向，根据右手定则，在第二光纤电流传感器121的传感器测量头所环绕的空间内第一直流接地极引线103a的第二部分P12和第二直流接地极引线103b的第二部分P22所产生的磁场方向相反。

鉴于相对于第一直流接地极引线103a的第二部分P12第一部分P11更加靠近中性点102而远离接地极104并且相对于第二直流接地极引线103b的第二部分P22，第一部分P21更加靠近中性点102而远离接地极104，第二光纤电流传感器121相对于第一光纤电流传感器120更加靠近高压直流输电系统的接地极104。

基于第一光纤电流传感器120输出的第一差分电流值Idiff和第二光纤电流传感器121输出的第二差分电流值Idiff2，控制器单元122可基于上述等式(4)和(8)监测是否存在故障，并且实现故障测距。在单极系统运行中，在第一直流接地极引线和第二直流接地极引线上会流过高达额定直流电流的电流；并且在双极系统单极大地回线运行中，在第一直流接地极引线和第二直流接地极引线上会流过高达额定直流电流的电流。如果单独测量每条直流接地极引线，光纤电流传感器需要较高的电流测量精度和范围。通过将第一直流接地极引线和第二直流接地极引线按照其电流方向反向布置于光纤电流传感器的传感器测量头中，其仅检测第一直流接地极引线和第二直流接地极的差分电流。尽管第一直流接地极引线和第二直流接地极引线上所流过的电流较高，但是所述差分电流值较小。这可以降低光纤电流传感器的数量及其电流测量范围，降低成本。

例如在本实施例中，如图1所示，第一直流接地极引线103a包括电气耦合其第一部分P11的第一弯折部B11和第二弯折部B12，并且第二直流接地极引线103b包括电气耦合其第一部分P21的第一弯折部B21和第二弯折部B22。第一直流接地极引线103a的第一弯折部B11和第二直流接地极引线103b的第一弯折部B21位于第一光纤电流传感器120的传感器测量头的两侧，并且第一直流接地极引线103a的第二弯折部B12和第二直流接地极引线103b的第二弯折部B22位于第一光纤电流传感器120的传感器测量头的两侧。第一直流接地极引线103a的第一弯折部B11和第二弯折部B12与第二直流接地极引线103b的第一弯折部B21和第二弯折部B22使得两条直流接地极引线103a，103b可以基本对称布置，进一步提高测量精度。

例如在本实施例中，如图1所示，第一直流接地极引线103a包括电气耦合其第二部分P12的第三弯折部B13和第四弯折部B14，并且第二直流接地极引线103b包括电气耦合其第二部分P22的第三弯折部B23和第四弯折部B24。第一直流接地极引线103a的第三弯折部B13和第二直流接地极引线103b的第三弯折部B23位于第二光纤电流传感器121的传感器测量头的两侧，并且第一直流接地极引线103a的第四弯折部B14和第二直流接地极引线103b的第四弯折部B24位于第二光纤电流传感器121的传感器测量头的两侧。第一直流接地极引线103a的第三弯折部B13和第四弯折部B14与第二直流接地极引线103b的第三弯折部B23和第四弯折部B24使得两条直流接地极引线103a，103b可以基本对称布置，进一步提高测量精度。

图2示出根据本实用新型的一个实施例的第一光纤电流传感器的传感头的布置。本领域的技术人员应当了解其也适用于第二光纤电流传感器的传感头的布置。

如图2所示，第一光纤电流传感器的传感头120的负载导体最大高度Hout大于或等于第一直流接地极引线103a的第一部分P11的截面的高度Hmax1，并且第一光纤电流传感器120的传感头的负载导体最大高度大于或等于第二直流接地极引线103b的第一部分P21的截面的高度Hmax2。

第一光纤电流传感器120的传感头的负载导体最大宽度Bout大于或等于第一直流接地极引线103a的第一部分P11的截面的宽度Bmax1与第二直流接地极引线103b的第一部分P21的截面的宽度Bmax2之和。

虽然已参照本实用新型的某些优选实施例示出并描述了本实用新型，但本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。