CN104502740A - 一种直流输电***换流站雷电侵入波采样装置及采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流输电***换流站雷电侵入波采样装置及采样方法，所述装置包括金属圆盘、金属支柱和采样电阻；所述金属圆盘水平置于换流站直流母线正下方，通过金属支柱支撑；所述金属支柱一端与金属圆盘中心相连，另一端接地；所述采样电阻设置于金属支柱中间段；所述雷电侵入波采样方法采用本发明装置，当雷电侵入换流站时，获取采样电阻两端电压，根据杂散电容与采样电阻两端电压获取换流站母线雷电侵入波分量。采用本发明提供的装置以及方法能够实现对换流站雷电侵入波的在线监测，对换流站设备影响小、结构简单、体积小、成本低、易于安装；而且本发明装置具有隔直取交的功能，采用本发明的装置进行雷电侵入波采样的方法具有较高测量精度。

Description

一种直流输电***换流站雷电侵入波采样装置及采样方法

技术领域

本发明属于电力***过电压监测技术领域，具体涉及一种直流输电***换流站雷电侵入波采样装置及采样方法。

背景技术

雷击是影响高压直流输电工程安全运行的主要原因之一，雷击引起的电磁暂态过程易导致换流站主设备绝缘损坏、控制保护失灵，甚至诱发严重事故。监测直流输电***换流站的雷电侵入波，能有效支撑高压直流输电工程雷击事故过程的复原分析，并能有针对性地采取相应的防护措施，从而提高直流输电***的安全性能。

目前，雷电侵入波在线采样方法包括：套管末屏法、CVT(电容式电压互感器)响应电流法、罗氏线圈法等。这些方法均有一定的局限性：套管末屏法中末屏接地线解开后，改变了一次设备接地方式，易因接触不良、套管末屏悬浮电位等原因造成末屏放电，引起绝缘或***事故；CVT内部含有补偿电抗器和阻尼器，较难准确获得其宽频等效电路，影响测量精度；罗氏线圈法需要将传感器安装在高压端，安装、维护等均不方便，而且在直流***中无法利用罗氏线圈兼做取能器件。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种直流输电***换流站雷电侵入波采样装置及采样方法，其目的在于通过阻容分压回路获取雷电侵入波分量，由此解决现有技术安全性不高、测量精度较低、安装维护不便的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种直流输电***换流站雷电侵入波采样装置及采样方法，所述装置包括金属圆盘、金属支柱和采样电阻；所述金属圆盘水平置于换流站直流母线正下方，通过金属支柱支撑；所述金属支柱一端与金属圆盘中心相连，另一端接地；所述采样电阻设置于金属支柱中间段，将金属支柱分割成不相连的上、下两段，采样电阻通过上段金属支柱与金属圆盘相连、通过下段金属支柱与大地相连；所述金属圆盘与换流站直流母线形成杂散电容，杂散电容与采样电阻构成阻容分压回路。

优选的，所述金属圆盘采用镀锌铜板，所述铜板半径范围为500mm～1000mm，厚度范围为2mm～5mm；铜板半径与厚度的选取主要考虑以下因素：铜板与换流站直流母线形成的杂散电容大小合适，便于现场安装。

优选的，所述金属支柱采用铜管，外径范围为40mm～60mm，内径范围为30mm～50mm，长度1000mm；金属支柱直径与长度参数选取主要考虑以下因素：选取的金属支柱能够稳定支撑顶端金属圆盘，支柱粗细便于安装采样电阻，避免金属圆盘离换流站直流母线距离太近导致母线对地放电。

优选的，所述采样电阻等效阻值为1Ω，设计成鼠笼结构，由8～12个无感电阻并联组成，电阻两端信号通过BNC接头(同轴电缆连接器)引出。

优选的，所述金属圆盘采用镀锌铜板，厚度2mm，半径500mm。

优选的，所述金属支柱采用的铜管，外径40mm，内径30mm，长度1000mm。

优选的，所述采样电阻由10个阻值为10Ω的无感电阻并联而成。

本发明提供的一种直流输电***换流站雷电侵入波采样方法，采用本发明的雷电侵入波采样装置，包括以下步骤：

(1)获取金属圆盘与换流站直流母线之间的杂散电容值；

(2)获取采样电阻两端的电压值；

(3)根据所述杂散电容值与所述电压值，采用贝杰龙(Bergeron)法获取换流站母线雷电侵入波分量。

优选的，所述雷电侵入波采样方法的步骤(2)进一步包括以下子步骤：

(2.1)将所述装置的采样电阻连上电光转换器；

(2.2)当雷电侵入换流站时，采样电阻两端电压信号通过电光转换器转换为光学信号，解调光学信号获取采样电阻两端电压值。

本发明的工作原理为：金属圆盘置于直流母线下方，两者之间形成杂散电容，然后与采样电阻串联构成阻容分压回路；***正常运行时，母线电压为直流，杂散电容等效于开路，采样电阻没有信号输出；雷电侵入换流站时，母线电压由直流分量和高频雷电波分量叠加，高频雷电波在采样电阻上产生压降，测量采样电阻两端电压，根据波传播理论，计算出直流母线上的高频雷电波分量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的装置构成的阻容分压回路与换流站高压直流母线无直接的电气连接，可避免在换流站中安装分压设备给电网带来潜在性危险，安全性高，且安装方便，维护简单；

(2)本发明的装置构成的阻容分压回路在换流站正常运行时，采样电阻没有电压输出，因此采用本发明方法实现对换流站雷电侵入波的在线监测，对换流站设备影响小；

(3)本发明的装置构成的阻容分压回路，只在雷电侵入换流站时才有电压输出，采用本发明的方法进行雷电侵入波采样时，使用基于光电效应的电光转换器测量采样电阻电压时，不会因为电光转换器晶体极化而影响测量精度，测量精度较高；

(4)本发明的装置为无源装置，对换流站设备的影响小；

(5)本发明的装置结构简单、体积小、成本低。

附图说明

图1换流站雷电侵入波采样装置以及原理示意图；

图2是本发明的采样装置的贝杰龙等值网络示意图。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示一种直流输电***换流站雷电侵入波采样装置及其原理的示意图，所述装置包括：金属圆盘、金属支柱和采样电阻。

实施例1：金属圆盘采用镀锌铜板，厚度2mm，半径500mm，距离地面高度1000mm；金属支柱采用铜管，外径40mm，内径30mm，长度1000mm，通过螺丝将金属支柱上端与金属圆盘中心相连；采样电阻采用鼠笼结构，由10个阻值10Ω无感电阻并联而成，电阻两端电压信号通过BNC头输出，电阻设置于金属支柱中间段，将金属支柱分割成不相连的上、下两段，采样电阻通过上段金属支柱与金属圆盘相连、通过下段金属支柱与大地相连；所述装置的采样电阻的BNC接头通过屏蔽电缆与基于BGO(锗酸铋)晶体的电光转换器相连。

所述装置的金属圆盘位于换流站直流母线正下方，特高压直流输电工程直流母线对地高度17m，半径100mm，利用COMSOL仿真软件获取金属圆盘与直流母线之间的杂散电容C为1.5pF。

实施例2至3，所述装置的参数还可选取如下表1所列的值：

表1采样装置参数列表

直流输电***正常工作时，换流站母线为直流电压，杂散电容C和采样电阻R构成的阻容分压回路中，低压侧R上没有电压输出；当雷电侵入换流站，经过换流站母线，杂散电容C和采样电阻R构成的阻容分压回路中电压端R上输出电压，经电光转换器将电压信号转换成光信号，光信号解调后获得采样电阻两端的电压。

利用贝杰龙法计算换流站母线雷电波分量，采样装置的贝杰龙等值网络如图2所示，其中，U_bus为换流站直流母线雷电侵入波分量；U_mea为采样电阻输出电压；R_c为电容C的等值电阻，I_c为电容C的等值电流源；t为采样时间，Δt为计算步长；根据以下公式(1)获取R_c，根据公式(2)获取I_c：

$R_c=\frac{\mathrm{\Δt}}{2C}---\left(1\right)$

$I_C(t-\mathrm{\Δt})=-I_C(t-2\mathrm{\Δt})-\frac{2}{R_C}[U_{\mathrm{bus}}(t-\mathrm{\Δt})-U_{\mathrm{mea}}(t-\mathrm{\Δt})]---\left(2\right)$

根据图2所示的贝杰龙等值网络可得：

$\frac{U_{\mathrm{bus}}\left(t\right)-U_{\mathrm{mea}}\left(t\right)}{R_C}+I_C(t-\mathrm{\Δt})=\frac{U_{\mathrm{mea}}\left(t\right)}{R}---\left(3\right)$

根据式(2)和式(3)对该等值网络进行计算，获取每个时刻的U_bus值，其步骤如下：

先计算t＝0时刻的I_c和U_bus；然后依次计算t＝Δt，t＝2Δt，t＝3Δt……时刻的I_c和U_bus，直到取得所需时刻的I_c和U_bus，某一时刻t的U_bus和等值电流源的计算步骤如下：

(1)根据时刻t以前的计算结果求得等值电流源；

(2)计算各时刻雷电侵入波分量U_bus；

(3)计算各时刻的等值电流源。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流输电***换流站的雷电侵入波采样装置，其特征在于，所述装置包括金属圆盘、金属支柱和采样电阻；

所述金属圆盘水平置于换流站直流母线正下方，由所述金属支柱支撑；所述金属支柱一端与金属圆盘中心相连，另一端接地；

所述采样电阻设置于金属支柱中间段，将金属支柱分割成不相连的上、下两段。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属圆盘采用镀锌铜板，所述铜板半径范围为500mm～1000mm，厚度范围为2mm～5mm。

3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述金属支柱采用铜管，外径范围为40mm～60mm，内径范围为30mm～50mm，长度1000mm。

4.按照权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，所述采样电阻等效阻值为1Ω，设计成鼠笼结构，由8～12个无感电阻并联而成；所述采样电阻两端信号通过BNC接头引出。

5.按照权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述镀锌铜板厚度2mm，半径500mm，距离地面高度1000mm。

6.按照权利要求5所述的装置，其特征在于，所述铜管外径40mm，内径30mm，长度1000mm。

7.按照权利要求1至6任一项所述的装置，其特征在于，所述采样电阻由10个阻值10Ω的无感电阻并联而成。

8.按照权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述金属圆盘与换流站直流母线形成杂散电容，所述杂散电容与采样电阻构成阻容分压回路。

9.一种直流输电***换流站雷电侵入波采样方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1至8任一项所述的装置，具体步骤如下：

(1)获取金属圆盘与换流站直流母线之间的杂散电容的值；

(2)获取雷电侵入换流站时采样电阻两端电压的值；

(3)根据所述杂散电容与所述电压，采用贝杰龙法获取换流站母线雷电侵入波分量。

10.按照权利要求9所述的直流输电***换流站雷电侵入波采样方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括以下步骤：

(2.1)将所述装置的采样电阻连上电光转换器；

(2.2)当雷电侵入换流站时，采样电阻两端电压信号通过电光转换器转换为光学信号，解调光学信号获取采样电阻两端电压值。