CN105388374A - 一种换流站直流场中性母线避雷器带电分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换流站直流场中性母线避雷器带电分析装置，包括中性母线避雷器；直流中性母线；能量吸收校核仪；电流不均匀性分析仪，在直流***调试时直流中性母线产生操作过电压信号；中性母线避雷器的一次侧与直流中性母线电性连接，操作过电压信号在流经中性母线避雷器后，在中性母线避雷器的接地侧产生放电电流信号；冲击分压器的高压端与直流中性母线电性连接，在冲击分压器的测量端产生变换后的冲击电压信号；电流采样模块，该电流采样模块的输入端与中性母线避雷器的接地回路电性连接；该电压采样模块的输入端与冲击分压器的测量端电性连接。本发明的有益效果：能够在调试和运行期间实时监测避雷器吸收能量和放电电流不均匀性。

Description

一种换流站直流场中性母线避雷器带电分析装置及方法

技术领域

本发明涉及直流***调试及带电监测技术领域，尤其涉及换流站直流场中性母线避雷器带电分析技术领域。

背景技术

随着中国社会经济的腾飞和科技的不断进步，整个社会对电能的需求越来越大，因此电网规模不断的扩大。然而中国能源分布和经济发展存在严重不对称的问题，东部和南部经济发达能源少，西部能源丰富但经济较落后，因此将西部能源有效的输送到东部和南部，有助于国家经济的可持续发展。高电压直流输电技术因其在远距离大容量输送中优势明显，在中国的大地上已有多条超特高压直流输电***投入运行。

中性母线避雷器是高电压直流输电技术中主要的一次电力设备，避雷器主要用于限制由线路传来的雷电过电压或有操作引起的内部过电压，是保证电力***安全运行的重要保护设备之一，它的正常运行对保证***的安全供电起着重要的作用。直流换流站中性母线安装有冲击电容器、直流断路器等一次主设备，中性母线避雷器主要用于限制中性母线设备的过电压。当在中性母线产生较高过电压时，中性母线避雷器将产生较大能量应力，因此中性母线避雷器一般采用多台并联的结构，即会在直流中性母线上同时并联多台中性母线避雷器，各中性母线避雷器的一端分别与直流中性母线连接，各中性母线避雷器的另一端分别接地。运行过程中发现中性母线避雷器故障率较高，一方面由于中性母线避雷器需要泄放的能量大；另一方面由于中性母线避雷器并联安装的台数多，均流特性控制较困难。但是在现场未安装中性母线避雷器放电电流监视器，无法对每次中性母线避雷器故障电流和能量进行分析和预警，从而严重影响了直流输电***的安全运行。

发明内容

本发明提供了一种换流站直流场中性母线避雷器带电分析装置，应用该装置在调试和运行期间实时监测换流站直流场中性母线避雷器，便于及时发现中性母线避雷器故障，保证直流输电***的安全运行。

本发明提供了一种换流站直流场中性母线避雷器带电分析方法，该方法可对每次中性母线避雷器故障电流和能量进行分析和预警，保证直流输电***的安全运行。

本发明所采用的技术方案为：

一种换流站直流场中性母线避雷器带电分析装置，用于对并联在换流站直流场中性母线上的复数个中性母线避雷器进行带电分析，在直流***调试时，中性母线产生操作过电压信号，该装置包括：复数个电流采样模块，各电流采样模块的输入端分别与各所述中性母线避雷器的接地回路电性连接，用于对操作过电压的输出信号进行多次采样，获取并发送采样的电流数据序列；冲击分压器，该冲击分压器的高压端与所述中性母线电性连接，用于变换操作过电压信号，在冲击分压器的测量端产生变换后的冲击电压信号；电压采样模块，该电压采样模块的的输入端与冲击分压器的测量端电性连接，用于对操作过电压的输出信号进行多次采样，获取并发送采样的电压数据序列；能量吸收校核仪，用于接收并显示电流数据序列、电压数据序列的信息并显示流经所述中性母线避雷器的吸收能量；电流不均匀性分析仪，用于接收电流数据序列的信息并显示各所述中性母线避雷器之间的泄漏电流分布不均匀系数。

本发明以中性母线避雷器为试验对象，以换流站直流场中性母线、电流采样模块、电压采样模块、能量吸收校核仪和电流不均匀性分析仪为硬件条件，通过电流采样模块获取中性母线避雷器接地回路的电流序列信号以及通过电压采样模块获取直流中性母线电压序列信号，再将相关电流序列信号和电压序列信号传送给能量吸收校核仪和电流不均匀性分析仪，通过能量吸收校核仪获得中性母线避雷器的吸收能量值，判定中性母线避雷器的能量状态。判定方法是：当中性母线避雷器的吸收能量值E大于避雷器厂家规定的能量吸收值时，停止调试开展停电测试，确定中性母线避雷器设备状态。通过电流不均匀性分析仪显示流过不同中性母线避雷器的泄漏电流不均匀系数，判定中性母线避雷器的放电特性。判定方法是：当流过不同中性母线避雷器的泄漏电流不均匀系数大于10％时，停止调试，更换放电特性差异较大的避雷器。从而保证直流中性母线避雷器的有效监测与保护，具有直观、快速、安全等先进的特点。

所述电流采样模块包括霍尔电流传感器、#1数模转换装置、#1中央处理器和#1无线发射器；霍尔电流传感器的取样钳口钳在所述中性母线避雷器的接地回路中，霍尔电流传感器的输出端通过#1数模转换装置与#1中央处理器的输入端相连；用于将霍尔电流传感器对冲击放电电流信号进行多次采样获取的电流数据序列经模数转换后传送至#1中央处理器；#1中央处理器的输出端与#1无线发射器的输入端电性连接；#1无线发射器用于将获取的模数转换后的电流数据序列传送至所述能量吸收校核仪和所述电流不均匀性分析仪。

所述电压采样模块包括电压传感器、#2数模转换装置、#2中央处理器和#2无线发射器；电压传感器的取样探头串接在所述冲击分压器的测量端中，电压传感器的输出端通过#2数模转换装置与#2中央处理器的输入端相连；用于将电压传感器对操作过电压输出信号进行多次采样获取的电压数据序列经模数转换后传送至#2中央处理器；#2中央处理器的输出端与#2无线发射器的输入端电性连接；#2无线发射器用于将获取的模数转换后的电压数据序列传送至所述能量吸收校核仪和所述电流不均匀性分析仪。

所述能量吸收校核仪和所述电流不均匀性分析仪均通过无线接收器与所述电压采样模块、所述电流采样模块进行无线通讯，无线接收器的输入端分别与#1无线发射器、#2无线发射器的输出端无线连接，无线接收器的输出端与所述能量吸收校核仪和所述电流不均匀性分析仪分别相连。

所述无线接收器、所述#1无线发射器、所述#2无线发射器均为无线路由器。

所述中性母线避雷器为氧化锌避雷器。

一种换流站直流场中性母线避雷器带电分析方法，包括以下步骤：

步骤1、对所述中性母线避雷器开展直流***调试，当所述中性母线避雷器的接地回路中采集到的电流信号大于或等于1mA时，自动触发所述电压采样模块和所述电流采样模块，分别开始电压和电流信号采集；当所述中性母线避雷器的接地回路中采集到的电流信号小于1mA时，自动停止电压和电流信号采集，采样时间为T；

步骤2、将所述电压采样模块从所述冲击分压器采集到的电压信号，经过模数转换后，形成电压数据序列U(t)；将各所述电流采样模块从各所述中性母线避雷器的接地回路中采集到的电流信号，经过模数转换后，形成电流数据序列I₁(t)、I₂(t)……I_n(t)；所述电压传感器和所述霍尔电流传感器的采样探头的采样频率均为4000Hz；

步骤3、对所述电压数据序列U(t)和电流数据序列I₁(t)、I₂(t)……I_n(t)进行整理，形成新的电流数据序列和电压数据序列U¹(t)：

$U^1\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}U\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}t}{T}}---\left(1\right)$

$I_1^1\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}{I}_1\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}t}{T}}---\left(2\right)$

$I_2^1\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}{I}_2\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}t}{T}}---\left(3\right)$

……

步骤4、提取所述中性母线避雷器的泄漏电流不均匀系数β：

$\mathrm{\β}\left(t\right)=\frac{n\×\max \left(I_1^1\right(t),I_2^1\left(t\right),...I_n^1\left(t\right))}{\underset{N=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n^1\left(t\right)}---\left(4\right)$

β＝max(β(t)),t＝(0,T)(5)

步骤5、提取各所述中性母线避雷器的吸收能量E：

$E\left(n\right)={\∫}_o^T{U}^1\left(t\right)\×I_n^1\left(t\right)dt,n=1,2,...n---\left(6\right)$

步骤6、判定所述中性母线避雷器的设备状态，判定的方法为：

当满足下列条件之一时，停止直流***调试并开展中性母线避雷器的绝缘电阻和参考电压测试：

所述中性母线避雷器的泄漏电流不均匀系数β大于1.1；

所述中性母线避雷器的吸收能量E大于Er，其中，Er为避雷器制造商宣称的额定能量。

利用上述方法可保证直流中性母线避雷器的有效监测与保护，可对每次中性母线避雷器故障电流和能量进行分析和预警，保证直流输电***的安全运行。

本发明所带来的有益效果为：

应用该装置在调试和运行期间实时监测换流站直流场中性母线避雷器，便于及时发现中性母线避雷器故障，保证直流输电***的安全运行。保证直流中性母线避雷器的有效监测与保护，具有直观、快速、安全等先进的特点。

附图说明

图1为本发明换流站直流场中性母线避雷器带电分析装置的结构原理图；

附图标记：

1、中性母线；2、中性母线避雷器；3、冲击分压器；4、电流采样模块；41、霍尔电流传感器；42、#1数模转换装置；43、#1无线发射器；44、#1中央处理器；5、电压采样模块；51、电压传感器；52、#2数模转换装置；53、#2无线发射器；54、#2中央处理器；6、无线接收器；7、能量吸收校核仪；8、电流不均匀性分析仪。

具体实施方式

实施例：

参阅图1，一种换流站直流场中性母线避雷器带电分析装置，用于对并联在换流站直流场中性母线1上的复数个中性母线避雷器2进行带电分析，在直流***调试时，中性母线1产生操作过电压信号，该装置包括：复数个电流采样模块4，各电流采样模块4的输入端分别与各中性母线避雷器2的接地回路电性连接，用于对操作过电压的输出信号进行多次采样，获取并发送采样的电流数据序列；冲击分压器3，该冲击分压器3的高压端与中性母线1电性连接，用于变换操作过电压信号，在冲击分压器3的测量端产生变换后的冲击电压信号；电压采样模块5，该电压采样模块5的的输入端与冲击分压器3的测量端电性连接，用于对操作过电压的输出信号进行多次采样，获取并发送采样的电压数据序列；能量吸收校核仪7，用于接收并显示电流数据序列、电压数据序列的信息并显示流经中性母线避雷器2的吸收能量；电流不均匀性分析仪8，用于接收电流数据序列的信息并显示各中性母线避雷器2之间的泄漏电流分布不均匀系数。

本发明以中性母线避雷器2为试验对象，以换流站直流场中性母线1、电流采样模块4、电压采样模块5、能量吸收校核仪7和电流不均匀性分析仪8为硬件条件，通过电流采样模块4获取中性母线避雷器2接地回路的电流序列信号以及通过电压采样模块5获取直流中性母线1电压序列信号，再将相关电流序列信号和电压序列信号传送给能量吸收校核仪7和电流不均匀性分析仪8，通过能量吸收校核仪7获得中性母线避雷器2的吸收能量值，判定中性母线避雷器2的能量状态。判定方法是：当中性母线避雷器2的吸收能量值E大于避雷器厂家规定的能量吸收值时，停止调试开展停电测试，确定中性母线避雷器2设备状态。通过电流不均匀性分析仪8显示流过不同中性母线避雷器2的泄漏电流不均匀系数，判定中性母线避雷器2的放电特性。判定方法是：当流过不同中性母线避雷器2的泄漏电流不均匀系数大于10％时，停止调试，更换放电特性差异较大的避雷器。从而保证直流中性母线避雷器2的有效监测与保护，具有直观、快速、安全等先进的特点。

电流采样模块4包括霍尔电流传感器41、#1数模转换装置42、#1中央处理器44和#1无线发射器43；霍尔电流传感器41的取样钳口钳在中性母线避雷器2的接地回路中，霍尔电流传感器41的输出端通过#1数模转换装置42与#1中央处理器44的输入端相连；用于将霍尔电流传感器41对冲击放电电流信号进行多次采样获取的电流数据序列经模数转换后传送至#1中央处理器44；#1中央处理器44的输出端与#1无线发射器43的输入端电性连接；#1无线发射器43用于将获取的模数转换后的电流数据序列传送至能量吸收校核仪7和电流不均匀性分析仪8。

电压采样模块5包括电压传感器51、#2数模转换装置52、#2中央处理器54和#2无线发射器53；电压传感器51的取样探头串接在冲击分压器3的测量端中，电压传感器51的输出端通过#2数模转换装置52与#2中央处理器54的输入端相连；用于将电压传感器51对操作过电压输出信号进行多次采样获取的电压数据序列经模数转换后传送至#2中央处理器54；#2中央处理器54的输出端与#2无线发射器53的输入端电性连接；#2无线发射器53用于将获取的模数转换后的电压数据序列传送至能量吸收校核仪7和电流不均匀性分析仪8。

能量吸收校核仪7和电流不均匀性分析仪8均通过无线接收器6与电压采样模块5、电流采样模块4进行无线通讯，无线接收器6的输入端分别与#1无线发射器43、#2无线发射器53的输出端无线连接，无线接收器6的输出端与能量吸收校核仪7和电流不均匀性分析仪8分别相连。

无线接收器6、#1无线发射器43、#2无线发射器53均为无线路由器。

中性母线避雷器2为氧化锌避雷器。

一种换流站直流场中性母线避雷器带电分析方法，包括以下步骤：

步骤1、对中性母线避雷器2开展直流***调试，当中性母线避雷器2的接地回路中采集到的电流信号大于或等于1mA时，自动触发电压采样模块5和电流采样模块4，分别开始电压和电流信号采集；当中性母线避雷器2的接地回路中采集到的电流信号小于1mA时，自动停止电压和电流信号采集，采样时间为T；

步骤2、将电压采样模块5从冲击分压器3采集到的电压信号，经过模数转换后，形成电压数据序列U(t)；将各电流采样模块4从各中性母线避雷器2的接地回路中采集到的电流信号，经过模数转换后，形成电流数据序列I₁(t)、I₂(t)……I_n(t)；电压传感器51和霍尔电流传感器41的采样探头的采样频率均为4000Hz；

步骤3、对电压数据序列U(t)和电流数据序列I₁(t)、I₂(t)……I_n(t)进行整理，形成新的电流数据序列和电压数据序列U¹(t)：

$U^1\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}U\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}t}{T}}---\left(1\right)$

$I_1^1\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}{I}_1\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}t}{T}}---\left(2\right)$

$I_2^1\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}{I}_2\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}t}{T}}---\left(3\right)$

……

步骤4、提取中性母线避雷器2的泄漏电流不均匀系数β：

$\mathrm{\β}\left(t\right)=\frac{n\×max\left(I_1^1\right(t),I_2^1\left(t\right),...I_n^1\left(t\right))}{\underset{N=1}{\overset{n}{\Σ}}{I}_n^1\left(t\right)}---\left(4\right)$

β＝max(β(t)),t＝(0,T)(5)

步骤5、提取各中性母线避雷器2的吸收能量E：

$E\left(n\right)={\∫}_o^T{U}^1\left(t\right)\×I_n^1\left(t\right)dt,n=1,2,...n---\left(6\right)$

步骤6、判定中性母线避雷器2的设备状态，判定的方法为：

当满足下列条件之一时，停止直流***调试并开展中性母线避雷器2的绝缘电阻和参考电压测试：

中性母线避雷器2的泄漏电流不均匀系数β大于1.1；

中性母线避雷器2的吸收能量E大于Er，其中，Er为避雷器制造商宣称的额定能量。

本发明试验方法如下：

在进行直流***调试时，中性母线1将产生较高过电压，通过冲击分压器3将操作过电压信号转换为可用于分析的测量信号，使用电压传感器51在冲击分压器3测量端提取过电压信号，经#2数模转换装置52进行信号转换后的电压数据序列，传至#2中央处理器54，#2中央处理器54通过#2无线发射器53将电压数据序列通过无线发送。中性母线1产生的过电压使中性母线避雷器2流过电流，使用霍尔电流传感器41在中性母线避雷器2接地端提取放电电流信号，经#1数模转换装置42进行信号转换后的电流数据序列，传至#1中央处理器44，#1中央处理器44通过#1无线发射器43将电流数据序列通过无线发送。无线接收器6接收来自#2无线发射器53的电压数据序列和来自#1无线发射器4343的电流数据序列，将两数据序列进行对时后，一方面将电压数据序列与电流数据序列相乘求积分，计算得出流经中性母线避雷器2的吸收能量，并将能量数据传送至能量吸收校核仪7，另一方面比较来自不同中性母线避雷器2的放电电流，计算其泄漏电流不均匀系数，传送至电流不均匀性分析仪8。

上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种换流站直流场中性母线避雷器带电分析装置，用于对并联在换流站直流场中性母线(1)上的复数个中性母线避雷器(2)进行带电分析，在直流***调试时，该中性母线(1)产生操作过电压信号，其特征在于：该装置包括：

复数个电流采样模块(4)，各电流采样模块(4)的输入端分别与各所述中性母线避雷器(2)的接地回路电性连接，用于对操作过电压的输出信号进行多次采样，获取并发送采样的电流数据序列；

冲击分压器(3)，该冲击分压器(3)的高压端与所述中性母线(1)电性连接，用于变换操作过电压信号，在冲击分压器(3)的测量端产生变换后的冲击电压信号；

电压采样模块(5)，该电压采样模块(5)的的输入端与冲击分压器(3)的测量端电性连接，用于对操作过电压的输出信号进行多次采样，获取并发送采样的电压数据序列；

能量吸收校核仪(7)，用于接收并显示电流数据序列、电压数据序列的信息并显示流经所述中性母线避雷器(2)的吸收能量；

电流不均匀性分析仪(8)，用于接收电流数据序列的信息并显示各所述中性母线避雷器(2)之间的泄漏电流分布不均匀系数。

2.根据权利要求1所述的换流站直流场中性母线避雷器带电分板装置，其特征在于：所述电流采样模块(4)包括霍尔电流传感器(41)、#1数模转换装置(42)、#1中央处理器(44)和#1无线发射器(43)；

霍尔电流传感器(41)的取样钳口钳在所述中性母线避雷器(2)的接地回路中，霍尔电流传感器(41)的输出端通过#1数模转换装置(42)与#1中央处理器(44)的输入端相连；用于将霍尔电流传感器(41)对冲击放电电流信号进行多次采样获取的电流数据序列经模数转换后传送至#1中央处理器(44)；

#1中央处理器(44)的输出端与#1无线发射器(43)的输入端电性连接；#1无线发射器(43)用于将获取的模数转换后的电流数据序列传送至所述能量吸收校核仪(7)和所述电流不均匀性分析仪(8)。

3.根据权利要求1或2所述的换流站直流场中性母线避雷器带电分板装置，其特征在于：所述电压采样模块(5)包括电压传感器(51)、#2数模转换装置(52)、#2中央处理器(54)和#2无线发射器(53)；

电压传感器(51)的取样探头串接在所述冲击分压器(3)的测量端中，电压传感器(51)的输出端通过#2数模转换装置(52)与#2中央处理器(54)的输入端相连；用于将电压传感器(51)对操作过电压输出信号进行多次采样获取的电压数据序列经模数转换后传送至#2中央处理器(54)；

#2中央处理器(54)的输出端与#2无线发射器(53)的输入端电性连接；#2无线发射器(53)用于将获取的模数转换后的电压数据序列传送至所述能量吸收校核仪(7)和所述电流不均匀性分析仪(8)。

4.根据权利要求3所述的换流站直流场中性母线避雷器带电分板装置，其特征在于：所述能量吸收校核仪(7)和所述电流不均匀性分析仪(8)均通过无线接收器(6)与所述电压采样模块(5)、所述电流采样模块(4)进行无线通讯，无线接收器(6)的输入端分别与#1无线发射器(43)、#2无线发射器(53)的输出端无线连接，无线接收器(6)的输出端与所述能量吸收校核仪(7)和所述电流不均匀性分析仪(8)分别相连。

5.根据权利要求4所述的换流站直流场中性母线避雷器带电分析装置，其特征在于：所述无线接收器(6)、所述#1无线发射器(43)、所述#2无线发射器(53)均为无线路由器。

6.根据权利要求1或2所述的换流站直流场中性母线避雷器带电分析装置，其特征在于：所述中性母线避雷器(2)为氧化锌避雷器。

7.一种基于权利要求1-4所述装置的换流站直流场中性母线避雷器带电分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、对所述中性母线避雷器(2)开展直流***调试，当所述中性母线避雷器(2)的接地回路中采集到的电流信号大于或等于1mA时，自动触发所述电压采样模块(5)和所述电流采样模块(4)，分别开始电压和电流信号采集；当所述中性母线避雷器(2)的接地回路中采集到的电流信号小于1mA时，自动停止电压和电流信号采集，采样时间为T；

步骤2、将所述电压采样模块(5)从所述冲击分压器(3)采集到的电压信号，经过模数转换后，形成电压数据序列U(t)；将各所述电流采样模块(4)从各所述中性母线避雷器(2)的接地回路中采集到的电流信号，经过模数转换后，形成电流数据序列I₁(t)、I₂(t)……I_n(t)；所述电压传感器(51)和所述霍尔电流传感器(41)的采样探头的采样频率均为4000Hz；

步骤3、对所述电压数据序列U(t)和电流数据序列I₁(t)、I₂(t)……I_n(t)进行整理，形成新的电流数据序列和电压数据序列U¹(t)：

$U^1\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}U\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}t}{T}}---\left(1\right)$

$I_1^1\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}{I}_1\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}t}{T}}---\left(2\right)$

$I_2^1\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{T}{\Σ}}{I}_2\left(t\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}t}{T}}---\left(3\right)$

……

步骤4、提取所述中性母线避雷器(2)的泄漏电流不均匀系数β：

$\mathrm{\β}\left(t\right)=\frac{n\×max(I_1^1\left(t\right),I_2^1\left(t\right),...I_n^1\left(t\right))}{\underset{N=1}{\overset{n}{\Σ}}{I}_n^1\left(t\right)}---\left(4\right)$

β＝max(β(t)),t＝(0,T)(5)

步骤5、提取各所述中性母线避雷器(2)的吸收能量E：

$E\left(n\right)={\∫}_o^T{U}^1\left(t\right)\×I_n^1\left(t\right)dt,n=1,2,...n---\left(6\right)$

步骤6、判定所述中性母线避雷器(2)的设备状态，判定的方法为：

当满足下列条件之一时，停止直流***调试并开展中性母线避雷器(2)的绝缘电阻和参考电压测试：

所述中性母线避雷器(2)的泄漏电流不均匀系数β大于1.1；

所述中性母线避雷器(2)的吸收能量E大于Er，其中，Er为避雷器制造商宣称的额定能量。