一种换流变阀侧经过渡电阻单相接地故障分析方法与流程

1.本发明涉及电力系统继电保护领域，特别涉及一种换流变阀侧经过渡电阻单相接地故障分析方法。


背景技术：

2.随着分布式电源在电力系统中应用的增多，越来越多的配电网成为了交直流配电网。而配电网中的换流变压器，简称换流变，作为连接交流系统和直流系统的核心设备，其运行可靠性对配电网的安全运行尤为关键。然而，现有研究统计指出换流变由于运行环境的特殊性，故障率远高于普通电力变压器，大约是2倍的关系，特别是阀侧穿墙套管已发生多起单相接地故障。但目前的文献未能将换流变阀侧单相接地故障的全部可能发生时刻进行分类分析，进而归纳故障特征，且目前文献的分析均未考虑过渡电阻的影响。有文献将换流变的阀侧单相接地故障分为四个阶段，结合故障录波图对每个阶段的直流电流回路和电流特征进行了分析描述。另有文献对逆变侧换流变套管单相接地故障的电流回路进行了分析描述，并指出故障特征与换相失败部分特征相似，但阀侧套管单相接地故障时换流变存在交流两相短路的特征。另有文献推导了换流变低压桥、高压桥和交流母线分别发生单相接地、两相接地故障和两相短路后换流阀电流的变化函数，指出接地故障时故障电流呈现交流多相短路的特点。另有文献给出了一种换流变阀侧单相接地故障发生时刻的时段划分方法，给出了故障点分别位于低压桥和高压桥时的电流流通路径，并结合阀的换相规律分析了阀侧电流变化情况。另有文献考虑了直流系统控制作用和换流器工作状态切换，利用回路叠加法构建了交流侧分别发生对称性故障、单相接地和两相短路时的故障分析模型，但并未求解回路电流的大小。另有文献结合国际大电网会议模型的仿真，根据换流器交流侧发生单相接地短路后故障演化过程的不同特征，将单相接地故障发生时刻划分为4个特征时段，仿真得到每个特征时段内电气量的波形图，并依据仿真结果分析了交流侧、直流高压端、低压端和中点发生单相接地时的电气量特征。另有文献从磁链变化角度和换流变发生故障后电流流通路径角度，分析指出逆变侧换流变阀侧单相接地故障将导致其产生故障性涌流。
3.由上述分析可知，现有技术缺乏对过渡电阻影响的判断，因此急需完善。


技术实现要素：

4.针对现有技术中分析过程未考虑过渡电阻影响的问题，本发明提供了一种换流变阀侧经过渡电阻单相接地故障分析方法，通过根据故障发生时刻和换流阀的通断情况建立换流变阀侧经过渡电阻单相接地故障的等值电路，提出故障分析方法并得到电气特征，为继电保护的研究奠定基础，对于保证配电网的安全运行具有重要的理论意义和工程实用价值。
5.以下是本发明的技术方案。
6.一种换流变阀侧经过渡电阻单相接地故障分析方法，包括以下步骤：
故障特征归纳：预先根据换流阀的导通次序将导通类型分为若干种通断类别，参照配电网逆变侧的交流系统和换流站接线电路图，预设每种通断类别的电流回路特征；故障分析：根据故障时换流阀的阳极电位与阴极电位判断对应换流阀的通断情况，得到故障发生时的通断类别并建立等值电路和电流流通路径；结合电流流通路径和预设的电流回路特征进行分析得到相关电流大小与方向以及过渡电阻，整理相关故障特征得到故障情况。
7.本发明将故障发生时刻根据换流阀的导通次序分为多种情况；对应于每种情况，根据故障后换流阀的阳极电位与阴极电位判断其通断情况，建立等值电路和电流流通路径；基于电流流通路径分析得到电流互感器中电流的大小与方向，进而归纳故障特征。
8.作为优选，当故障发生在非换相期间时，共阳极阀和共阴极阀各有一个阀导通，具有六种通断类别；当故障发生在换相期间时，共阳极阀和共阴极阀共有三个阀导通，也具有六种通断类别。不同的通断类别具有不同的电流回路，因此需要单独考虑每种情况。
9.作为优选，所述结合电流流通路径和预设的电流回路特征进行分析的过程包括：根据导通阀所在支路的电流互感器的读数得到经过导通阀的电流大小，结合电流流通路径和读数计算得到桥间电流、各支路电流以及经过过渡电阻的电流，整理相关故障特征得到故障情况。由于过渡电阻的存在，其阻值大小直接影响相关电流互感器的读数，因此根据读数和电流回路可以判断得到过渡电阻的情况。
10.作为优选，还包括后故障时期的特征分析步骤，包括：在当前通断类别基础上，将各导通阀在后故障时期的每种关断情况细分为若干种类，则得到关断后的等值电路和电流流通路径，结合电流流通路径和预设的电流回路特征进行分析得到相关电流大小与方向以及过渡电阻，整理相关故障特征得到后故障时期的情况。由于故障后导通阀两极的电位可能会出现不同的情况，而不同的电位差直接影响阀的导通与否，进而影响其他电参数，因此后故障时期的分析也同样重要。
11.作为优选，所述非换相期间的六种通断类别包括：阀v12和阀v62导通；阀v12和阀v22导通；阀v22和阀v32导通；阀v32和阀v42导通；阀v42和阀v52导通；阀v52和阀v62导通。
12.作为优选，所述换相期间的六种通断类别包括：阀v12、阀v22和阀v62导通；阀v32、阀v42和阀v22导通；阀v52、阀v42和阀v62导通；阀v22、阀v32和阀v12导通；阀v62、阀v52和阀v12导通；阀v42、阀v52和阀v32导通。
13.本发明的实质性效果包括：涵盖了故障发生时刻的全部可能性，突破了目前对配电网中换流变压器阀侧经过渡电阻单相接地故障进行分析的简单化方法，将故障发生时刻分为换相期间和非换相期间的共12种情况依次分析，并引入后故障时期的分析，使得分析得到的故障特征更准确和全面。
附图说明
14.图1为本实施例交直流配电网中逆变侧的交流系统和换流站接线图；图2为本实施例换流变阀侧相电压和线电压及正常情况下阀的导通区间图；图3为本实施例非换相期间经过渡电阻单相接地故障时的局部电路图。
具体实施方式
15.下面将结合实施例，对本技术的技术方案进行描述。另外，为了更好的说明本发明，在下文中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
16.实施例：一种换流变阀侧经过渡电阻单相接地故障分析方法，包括以下步骤：故障特征归纳：预先根据换流阀的导通次序将导通类型分为若干种通断类别，参照配电网逆变侧的交流系统和换流站接线电路图，预设每种通断类别的电流回路特征；故障分析：根据故障时换流阀的阳极电位与阴极电位判断对应换流阀的通断情况，得到故障发生时的通断类别并建立等值电路和电流流通路径；结合电流流通路径和预设的电流回路特征进行分析得到相关电流大小与方向以及过渡电阻，整理相关故障特征得到故障情况。
17.本实施例将故障发生时刻根据换流阀的导通次序分为多种情况；对应于每种情况，根据故障后换流阀的阳极电位与阴极电位判断其通断情况，建立等值电路和电流流通路径；基于电流流通路径分析得到电流互感器中电流的大小与方向，进而归纳故障特征。
18.当故障发生在非换相期间时，共阳极阀和共阴极阀各有一个阀导通，具有六种通断类别；当故障发生在换相期间时，共阳极阀和共阴极阀共有三个阀导通，也具有六种通断类别。不同的通断类别具有不同的电流回路，因此需要单独考虑每种情况。
19.其中，结合电流流通路径和预设的电流回路特征进行分析的过程包括：根据导通阀所在支路的电流互感器的读数得到经过导通阀的电流大小，结合电流流通路径和读数计算得到桥间电流、各支路电流以及经过过渡电阻的电流，整理相关故障特征得到故障情况。由于过渡电阻的存在，其阻值大小直接影响相关电流互感器的读数，因此根据读数和电流回路可以判断得到过渡电阻的情况。
20.本实施例还包括后故障时期的特征分析步骤，包括：在当前通断类别基础上，将各导通阀在后故障时期的每种关断情况细分为若干种类，则得到关断后的等值电路和电流流通路径，结合电流流通路径和预设的电流回路特征进行分析得到相关电流大小与方向以及过渡电阻，整理相关故障特征得到后故障时期的情况。由于故障后导通阀两极的电位可能会出现不同的情况，而不同的电位差直接影响阀的导通与否，进而影响其他电参数，因此后故障时期的分析也同样重要。
21.以下结合附图对本实施例的原理进行说明。
22.附图1为交直流配电网中逆变侧的交流系统和换流站接线图，包括交流三相等值系统、交流母线、换流变压器和电网换相换流器。其中，l
t
为换流变压器的漏抗，l
s
为交流等值系统的阻抗，r为直流中性线接地电阻；u
dc
为直流电压；i
dh
、i
dn
和i
m
分别为直流侧电流、中性线电流和桥间电流，正常运行时三个电流之间满足下列关系i
dh
＝i
dn
＝i
m
ꢀꢀ
(1)附图1中的i为阀侧三相电流，i’为网侧三相电流，ct为电流互感器，r
g
为过渡电阻，f1为高压桥故障，f2为低压桥故障。高压桥各量下标为1，低压桥各量下标为2。
23.换流变阀侧相电压和线电压的波形以及正常运行时换流阀的导通区间如附图2所
示，其中高压桥阀侧各相电压滞后低压桥30
°
，对应的各阀导通区间也滞后30
°
，图中β为越前触发角，γ＝7
°
:19
°
为关断角，μ＝20
°
:30
°
为换相重叠角，且β＝γ+μ。
24.下面以f2经过渡电阻r
g
发生单相接地为例，给出配电网中换流变压器阀侧经过渡电阻单相接地故障的分析方法。
25.当故障发生在非换相期间时，共阳极阀和共阴极阀各有一个阀导通。根据阀的导通情况将故障发生时刻分为6类，如附图3所示，分别对6类情况进行分析并画出等值电路和电流流通路径，进而得到故障特征。
26.(1)故障发生在阀v12和阀v62导通期间，等值电路和电流流通路径如附图3(a)。由于过渡电阻r
g
的存在，阀v12的阳极电位高于阴极电位，所以阀v12在故障后继续导通。电流i
m
依次流经阀v62、b相电流互感器ct
b2
、换流变的b相和a相绕组后分成两条支路：第一条支路为故障点的对地支路，电流i
g
经过渡电阻r
g
后注入大地；第二条支路流经a相电流互感器ct
a2
后过阀v12。若过渡电阻足够大，则故障后的回路阻抗与故障之前相差不大，电流i
m
和故障前基本相等。由附图3(a)可知，ct
b2
测得电流i
b2
＝i
m
，方向为正；ct
a2
测得电流大小i
a2
＝i
m
‑
i
g
，方向为负。若过渡电阻越大，则电流i
g
越小，ct
a2
和ct
b2
测得电流大小越接近，即i
a2
≈i
m
；若过渡电阻越小，则ct
a2
和ct
b2
测得电流值相差越大。
27.(2)故障发生在阀v12和阀v22导通期间，等值电路和电流流通路径如附图3(b)。阀v12在故障后继续导通，电流i
m
依次流经阀v22、c相电流互感器ct
c2
、换流变c相和a相绕组后分成两条支路：第一条支路电流i
g
经过渡电阻r
g
后注入接地故障点；第二条支路流经a相电流互感器ct
a2
后过阀v12。在过渡电阻足够大时，故障后i
m
≈1.0pu.。可知ct
c2
测得电流为i
c2
＝i
m
，方向为正；ct
a2
测得电流为i
a2
＝i
m
‑
i
g
，方向为负。且过渡电阻越大，电流i
g
越小，ct
a2
和ct
b2
测得电流值大小越接近。
28.(3)故障发生在阀v22和阀v32导通期间，等值电路和电流流通路径如附图3(c)。根据附图2和附图3(c)可知发生接地故障后阀v32的阳极电位为由附图2可知，线电压u
b2a2
在阀v32导通的前γ+μ角度范围内为正，在γ+μ角度之后为负。由于接地电阻r的存在，所以共阴极阀的阴极电位均为u
‑
＝u
r
ꢀꢀ
(3)则故障后阀v32阳极电位u
32
与阴极电位u
‑
＝u
r
的大小关系取决于电压u
g
和u
b2a2
的大小。
29.若故障后u
32
＞u
‑
，则阀v32继续导通，电流回路如附图3(c)所示。电流i
m
依次流经阀v22、c相电流互感器ct
c2
、换流变c相绕组后，分成两条支路：第一条支路为故障点的对地支路，电流i
g
经换流变a相绕组和过渡电阻r
g
后注入大地；第二条支路电流经b相电流互感器ct
b2
后过阀v32。第二条支路为正常运行时的回路，故障后在它的基础上并联了第一条支路，造成故障后的回路阻抗比故障前小，故ct
c2
测得电流i
c2
＝i
m
＞1.0pu.，方向为正；ct
b2
测得电流大小i
b2
＝i
m
‑
i
g
，方向为负。且过渡电阻越小，电流i
g
越大，ct
c2
和ct
b2
测得电流值相差越大。ct
a2
无电流流过，i
a2
＝0。
30.若故障后u
32
＜u
‑
，则阀v32承受反压而关断，电流i
m
依次流经阀v22、c相电流互感器ct
c2
、换流变c相绕组后，全部流经换流变a相绕组和过渡电阻r
g
后注入大地。故障后的回
路阻抗与正常运行时的回路阻抗大小相比发生了变化，导致电流i
m
的大小与正常运行时不同。故ct
c2
测得电流i
c2
＝i
′
m
，方向为正；ct
a2
和ct
b2
无电流流过，i
a2
＝i
b2
＝0。
31.(4)故障发生在阀v32和阀v42导通期间，等值电路和电流流通路径如附图3(d)。同理依据式(2)中故障后阀v32阳极电位u
32
和阴极电位u
‑
的大小划分为阀v32继续导通和阀v32关断两种情况。
32.若故障后阀v32继续导通，故障后的电流回路如附图3(d)所示。电流i
m
依次流经阀v42、a相电流互感器ct
a2
后，分成两条支路：第一条支路电流i
g
经过渡电阻r
g
后注入接地故障点；第二条支路电流经换流变的a相和b相绕组、b相电流互感器ct
b2
后过阀v32。第一条支路与正常运行时回路相同，第二条支路的并联使得故障后的回路阻抗小于正常运行时的值，则ct
a2
测得电流i
a2
＝i
m
＞1.0pu.，方向为正；ct
b2
测得电流大小i
b2
＝i
m
‑
i
g
，方向为负。且过渡电阻越大，ct
a2
和ct
b2
测得电流大小越接近。ct
c2
无电流流过，i
c2
＝0。
33.若故障后阀v32关断，则电流i
m
依次流经阀v42、a相电流互感器ct
a2
后，全部经过渡电阻r
g
后注入大地。此种情况只有ct
a2
测得电流i
a2
＝i
′
m
。故障后电流大于正常运行时电流，则i
′
m
＞i
m
。
34.(5)故障发生在阀v42和阀v52导通期间，等值电路和电流流通路径如附图3(e)。根据附图2和附图3(e)可知故障后阀v52的阳极电位为所以故障后阀v52阳极电位u
52
与阴极电位u
‑
＝u
r
的大小关系取决于电压u
g
和u
c2a2
的大小。
35.若故障后u
52
＞u
‑
，则阀v52继续导通，电流回路如附图3(e)所示。电流i
m
依次流经阀v42、a相电流互感器ct
a2
后，分成两条支路：第一条支路电流i
g
经过渡电阻r
g
后注入接地故障点；第二条支路电流经换流变的a相和c相绕组、c相电流互感器ct
c2
后过阀v52。同理ct
a2
测得电流i
a2
＝i
m
＞1.0pu.，方向为正；ct
c2
测得电流大小i
c2
＝i
m
‑
i
g
，方向为负。且过渡电阻越大，电流i
g
越小，ct
a2
和ct
c2
测得电流值大小相差越小。ct
b2
无电流流过，i
b2
＝0。
36.若故障后u
52
＜u
‑
，则阀v52承受反压而关断，电流i
m
依次流经阀v42、a相电流互感器ct
a2
后，全部流经过渡电阻r
g
后注入大地。此时ct
a2
测得电流i
a2
＝i
′
m
＞i
m
，方向为正；ct
b2
和ct
c2
无电流流过，i
b2
＝i
c2
＝0。
37.(6)故障发生在阀v52和阀v62导通期间，等值电路和电流流通路径如附图3(f)。同理可依据式(4)中故障后阀v52的阳极电位u
52
和阴极电位u
‑
＝u
r
的高低将电流回路分为阀v52继续导通和阀v52关断两种情况。
38.若故障后阀v52继续导通，电流回路如附图3(f)所示。电流i
m
依次流经阀v62、b相电流互感器ct
b2
、换流变b相绕组后，分成两条支路：第一条支路电流i
g
经换流变a相绕组和过渡电阻r
g
后注入短路点；第二条支路流经换流变c相绕组和c相电流互感器ct
c2
后过阀v52。ct
b2
测得电流i
b2
＝i
m
＞1.0pu.，方向为正；ct
c2
测得电流大小i
c2
＝i
m
‑
i
g
，方向为负。且过渡电阻越大，电流i
g
越小，ct
b2
和ct
c2
测得电流值大小越接近。ct
a2
无电流流过，i
a2
＝0。
39.若故障后阀v52承受反压而关断，电流i
m
依次流经阀v62、b相电流互感器ct
b2
后，全部流经换流变a相绕组和过渡电阻r
g
后注入短路点。此时ct
b2
测得电流i
b2
＝i
′
m
＞i
m
，方向为正；ct
a2
和ct
c2
无电流流过，i
a2
＝i
c2
＝0。
40.综上所述，通过建立故障后的等值电路对换流变阀侧经过渡电阻单相接地故障发生时刻的6种情况进行分析，可以得出以下故障特征。
41.(1)配电网中换流变压器阀侧经过渡电阻单相接地故障后，过渡电阻r
g
的支撑作用使得故障相共阴极阀v12继续导通，非故障相共阴极阀v32、阀v52的通断情况取决于过渡电阻r
g
上的压降u
g
和线电压u
b2a2
、u
c2a2
的大小。
42.(2)故障后最多有两相电流互感器能够测得电流，且电流值分别为i
m
和i
m
‑
i
g
。当过渡电阻r
g
越小，两者差值越大；当过渡电阻r
g
越大，两者差值越小。当过渡电阻r
g
＝0时，为金属性接地故障，此时i
g
＝i
m
，两相电流互感器测得的电流值分别为i
m
和0，差值最大。
43.(3)若发生故障导致非故障相共阴极阀关断，则只有非故障相中的某一相电流互感器能够测得电流，其值为i
′
m
，i
′
m
是故障电流，大于正常运行时的电流i
m
。
44.当故障发生在换相期间时，故障特征的分析方法与故障发生在非换相期间的分析方法相同，两者的区别在于换相期间有三个换流阀导通。根据换流阀的导通情况及故障后的通断变化规律将故障发生时刻划分为6种情况，分别对6类情况进行分析并画出等值电路和电流流通路径，进而得到故障特征，这里不再赘述。
45.同理，f1故障也可根据故障发生时刻和故障后阀的通断情况建立电流回路进行故障分析，得到换相期间和非换相期间的故障特征。整流侧同样适用。
46.通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，本实施例的全部或部分也可以以软件产品的形式体现出来，并存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本技术各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
47.以上内容，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。