CN108414862A - 高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，它的第一直流电压测量接口柜的直流电压测量结果信号输出端连接第一光纤配线架柜的电信号输入端，第一光纤配线架柜的光信号输出端连接电压测量装置光信号处理器的第一光信号输入端，暂态电流传感器的信号输出端连接示波记录仪的电流采集口，所述示波记录仪的时标和电流采样信号输出端连接上位机的时标和电流采样信号接口，电压测量装置光信号处理器的时标和电压采样信号输出端连接上位机的时标和电压采样信号；暂态电流传感器的传感线圈套在中性母线避雷器的接地引下线上。本发明能有效监测与评估避雷器在动作过程中的能量耐受情况，有效提高了高压直流***运行的安全可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及避雷器监测技术领域，具体涉及一种高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***及方法。
背景技术
随着我国电力***“西电东送、南北互供、全国联网”战略的稳步推进，高压直流输电***在电网中的应用范围越来越广泛。相比于高压交流输电，高压直流输电具有输送容量大、传输距离远、损耗小等优点，且不存在同步运行的稳定问题。换流站是高压直流输电工程的枢纽并对整个直流输电工程起着关键的作用，但站内的交、直流设备造价昂贵，因此对主设备的过电压保护离不开避雷器。
中性母线避雷器是安装于换流站中性母线上的并联避雷器组，当***线路发生故障或换流器发生局部误触发等不当操作时中性母线上易产生较大过电压且能量巨大，为保护设备不受过电压损伤中性母线避雷器需具备吸收兆焦级能量的能力。尽管中性母线避雷器组在出厂时会进行均流特性试验，但在实际运行过程中随着遭受冲击电流次数的增加及环境温度的影响，各阀片性能会发生不同程度地劣化且其不均匀系数可能超过允许值，从而导致均流特性逐步发生较大差异且其能量耐受能力随之降低。针对中性母线避雷器运行中的检修及试验项目、周期及标准目前各类规程中均缺乏相关要求。同时在已投运直流工程中，对于中性母线避雷器性能的在线评估方法主要是测量避雷器在持续运行电压下的泄漏电流及冲击动作次数，但中性母线避雷器正常运行时承受的电压极低且泄漏电流为微安级，因此无法有效监测与评估避雷器在动作过程中的能量耐受情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***及方法，本发明实现了对中性母线避雷器组动作过程中运行性能的在线监测，通过故障录波与计算分析各柱中性母线避雷器的过电压耐受、能量耐受等参数对避雷器做出评估预警，有效降低中性母线避雷器无征兆事故及直流***因避雷器故障导致的闭锁和强迫停运次数，提高***运行的安全可靠性。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，其特征在于：它包括示波记录仪、电压测量装置光信号处理器、上位机和暂态电流传感器，其中，暂态电流传感器的信号输出端连接示波记录仪的电流采集口，所述示波记录仪的时标和电流采样信号输出端连接上位机的时标和电流采样信号接口，电压测量装置光信号处理器的时标和电压采样信号输出端连接上位机的时标和电压采样信号接口，电压测量装置光信号处理器的第一光信号输入端用于连接第一光纤配线架柜的光信号输出端，第一光纤配线架柜的电信号输入端用于连接第一直流电压测量接口柜的直流电压测量结果信号输出端；
所述暂态电流传感器的传感线圈套在中性母线避雷器的接地引下线上。
一种上述***的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：当中性母线避雷器动作时，暂态电流传感器从中性母线避雷器的接地引下线上获取避雷器的暂态电流；
第一直流电压测量接口柜和第二直流电压测量接口柜分别从换流站内的极线1直流电压测量装置和换流站内的极线2直流电压测量装置中获取直流电压测量值；
步骤2：示波记录仪记录暂态电流数据的绝对时标信息，并和暂态电流数据一并送到上位机；
电压测量装置光信号处理器采集并保存第一光纤配线架柜和第二光纤配线架柜输出的两路直流电压测量值光纤信号；
电压测量装置光信号处理器将两路直流电压测量值光纤信号转换为对应的具有两路直流电压测量值的以太网信号，并将两路直流电压测量值进行相应时间标定后，通过网口与上位机进行通信将两路直流电压测量值及其绝对时标信息一并送到上位机；
步骤3：所述上位机对示波记录仪和电压测量装置光信号处理器输送的暂态电流数据、暂态电流数据的绝对时标信息、两路直流电压测量值、以及两路直流电压测量值的绝对时标信息进行时标对齐，并对中性母线避雷器的均流特性、能量耐受性能进行同步分析与监测评估。
本发明的有益效果：
1、本发明具备实时高精度同步采集高压直流***单回24台中性母线避雷器暂态电流的功能；
2、依据采集的各支路避雷器暂态电流、暂态电压，本发明可自动计算分析各柱避雷器的电流分布特性、过电压耐受与能量耐受情况，并依据监测判据完成对中性母线避雷器的性能评估预警；
3、本发明中，上位机提取电压实时采集值后可在内存保存10秒钟数据10万点，并根据电压幅值超过设定值等告警限制自动启动录波，保存扰动录波数据。
4、本发明依据直流输电***运行方式选择有效接入分析的避雷器组，对实际运行的避雷器组暂态数据进行自动分析、生成和导出报表波形。
5、本发明能对中性母线避雷器的性能做出评估预警，能有效监测与评估避雷器在动作过程中的能量耐受情况，有效提高了高压直流***运行的安全可靠性。
附图说明
图1为本发明的***原理图；
图2为本发明中故障时流经中性母线避雷器暂态电流波形。
图2中横轴为时间，纵轴为电流。
其中，1—第一直流电压测量接口柜、1.1—第二直流电压测量接口柜、2—第一光纤配线架柜、2.1—第二光纤配线架柜、3—中性母线避雷器、4—示波记录仪、5—电压测量装置光信号处理器、6—上位机、7—暂态电流传感器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明所设计的一种高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，如图1所示，它包括示波记录仪4、电压测量装置光信号处理器5、上位机6和暂态电流传感器7(配置有电源模块、电源线、信号线、防淋雨、防潮护套等附件)，其中，暂态电流传感器7的信号输出端连接示波记录仪4的电流采集口，所述示波记录仪4的时标和电流采样信号输出端连接上位机6的时标和电流采样信号接口，电压测量装置光信号处理器5的时标和电压采样信号输出端连接上位机6的时标和电压采样信号接口，电压测量装置光信号处理器5的第一光信号输入端用于连接第一光纤配线架柜2的光信号输出端，第一光纤配线架柜2的电信号输入端用于连接第一直流电压测量接口柜1的直流电压测量结果信号输出端；
所述暂态电流传感器7的传感线圈套在中性母线避雷器3的接地引下线上。
上述技术方案中，示波记录仪4、电压测量装置光信号处理器5及上位机布置于直流继电器室在线监测柜内。
上述技术方案中，暂态电流传感器7的信号线通过预埋镀锌钢管经同轴屏蔽电缆沟接到直流继电器室在线监测柜内，其BNC(Bayonet Nut Connector，卡扣配合型连接器)输出接口与示波记录仪4电压采集模块BNC输入接口直接相连；
上述技术方案中，直流继电器室在线监测柜与两路电压信号输出点通过铠装光纤缆线经电缆沟连接，电压测量装置光信号处理器5具备上层协议并通过网口与后台监控分析***通信，其转换模块将FT3光纤信号转换为IEC61850-9-2以太网信号后上传避雷器暂态电流与电压瞬时值、有效值、平均值、历史录波等实时数据；
上述技术方案中，所述第一直流电压测量接口柜1的直流电压测量端用于接入换流站内的极线1直流电压测量装置。
上述技术方案中，所述暂态电流传感器7为有源霍尔电流传感器。
上述技术方案中，所述暂态电流传感器7有多个，每个暂态电流传感器7的传感线圈分别套在对应的中性母线避雷器3的接地引下线上。
上述技术方案中，中性母线避雷器3安装在高压直流电网的直流变流器附近，用于保护保护直流逆变器和整流器。
上述技术方案中，所述电压测量装置光信号处理器5的第二光信号输入端用于连接第二光纤配线架柜2.1的光信号输出端，第二光纤配线架柜2.1的电信号输入端用于连接第二直流电压测量接口柜1.1的直流电压测量结果信号输出端。
所述第二直流电压测量接口柜1.1的直流电压测量端用于接入换流站内的极线2直流电压测量装置。
上述技术方案中，第一直流电压测量接口柜1、第二直流电压测量接口柜1.1、第一光纤配线架柜2、第二光纤配线架柜2.1、中性母线避雷器3、示波记录仪4、电压测量装置光信号处理器5、上位机6和暂态电流传感器7均为现有常规设备，其中，第一直流电压测量接口柜1的型号为AII2-205J，第二直流电压测量接口柜1.1的型号为AII1-209J，第一光纤配线架柜2的型号为AII2-204J，第二光纤配线架柜2.1的型号为AII1-208J，示波记录仪4的型号为横河DL850E，电压测量装置光信号处理器5可完成对合并单元的光纤信号数据(IEC60044-8协议)采集、录波并具有与DL850E同步触发对时的功能，上位机6为普通电脑，暂态电流传感器7为GMW的CPCO-1000-77-BP5传感器。
上述技术方案中，所述示波记录仪4用于通过GPS时钟模块及天线记录并保存电流数据的绝对时标信息；电压测量装置光信号处理器采集两路中性母线电压FT3光纤信号并转换为IEC61850-9-2以太网信号，通过相应时间标定与暂态电压数据一并送到上位机。
上述技术方案中，所述上位机6用于对示波记录仪4和电压测量装置光信号处理器5存储的电流信号和中性母线电压信号进行数据提取，并利用时标对齐，从而对中性母线避雷器的均流特性、能量耐受性能进行同步分析与监测评估。
上述技术方案中，所述上位机6对中性母线避雷的能量耐受能力预设评估策略为避雷器同步电流与电压之积对时间的积分，当各柱避雷器实际能量吸收小于预设值时***提示该避雷器能量耐受情况正常；当各柱避雷器实际能量吸收大于预设值时***提示该避雷器能量耐受情况异常。
一种上述***的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测方法，它包括如下步骤：
步骤1：当中性母线避雷器3动作时(避雷器一旦故障就会触发电压的采集工作)，暂态电流传感器7从中性母线避雷器3的接地引下线上获取避雷器的暂态电流；
第一直流电压测量接口柜1和第二直流电压测量接口柜1.1分别从换流站内的极线1直流电压测量装置和换流站内的极线2直流电压测量装置中获取直流电压测量值；
步骤2：示波记录仪4记录暂态电流数据的绝对时标信息，并和暂态电流数据一并送到上位机6；
电压测量装置光信号处理器5通过站内两极中性母线电压直流测量装置采集并保存第一光纤配线架柜2和第二光纤配线架柜2.1输出的两路直流电压测量值光纤信号；
电压测量装置光信号处理器5将两路直流电压测量值光纤信号转换为对应的具有两路直流电压测量值的IEC61850-9-2以太网信号，并将两路直流电压测量值进行相应时间标定后，通过网口与上位机进行通信将两路直流电压测量值及其绝对时标信息一并送到上位机6；
步骤3：所述上位机6对示波记录仪4和电压测量装置光信号处理器5输送的暂态电流数据、暂态电流数据的绝对时标信息、两路直流电压测量值、以及两路直流电压测量值的绝对时标信息进行时标对齐，并对中性母线避雷器的均流特性、能量耐受性能进行同步分析与监测评估。
上述技术方案中，示波记录仪通过数据采集通道记录各柱避雷器暂态电流信号，其电流采样通道通过“或触发”模式实现当任意通道电流超越设定限值时自动触发各电流采样通道同时录波；
上位机提取示波记录仪和电压测量装置光信号处理单元中的电流信号和电压信号数据，并进行时标解析、对齐，然后通过计算对中性母线避雷器的均流特性、能量耐受性能进行同步分析与监测评估。
上述技术方案中，示波记录仪通过GPS时钟模块及天线记录并保存每个电流通道每个电流采样数据点的绝对时标信息，即每间隔1微秒保存1个采样数据，录波时刻设置在波形的中间位置保证录波数据的完整性并采用GPS或外部时钟输入方式与电压测量装置光信号处理单元进行时钟同步对时；电压测量装置光信号处理单元在“时分秒”绝对时标基础上通过新增微秒时标存放电压额定延时值，采样频率为10kHz即每间隔100微秒保存一个采样数据；后台监控分析***将同时上传的电压与电流采样数据点的时标信息和数据信息进行对齐与排列后根据预设评估策略计算分析中性母线避雷器能量耐受性能；
中性母线避雷器暂态电流分布不均匀系数β的计算方式为：
β＝n×Imax/Iarr
其中，n为中性母线避雷器并联柱数，Imax为通过各柱避雷器的最大电流峰值，Iarr为各柱避雷器的电流峰值。当电流分布不均匀系数β≤1.02时***提示该柱避雷器组均流性能正常，当电流分布不均匀系数1.05≥β>1.02时***提示该柱避雷器均流性能轻微异常，当电流分布不均匀系数1.1≥β>1.05时***提示该柱避雷器均流性能中度异常，当电流分布不均匀系数β>1.1时***提示该柱避雷器均流性能严重异常；
上位机对中性母线避雷的能量耐受能力预设评估策略为避雷器同步电流与电压之积对时间的积分，当各柱避雷器实际能量吸收小于预设值时***提示该避雷器能量耐受情况正常；当各柱避雷器实际能量吸收大于预设值时***提示该避雷器能量耐受情况异常；
暂态过程中中性母线避雷器实际吸收的能量E计算方式为：
其中，u(t)为中性母线暂态电压，i(t)为各柱避雷器暂态电流，t1和t2分别为避雷器动作暂态过程的开始与结束时间。当各柱避雷器实际能量吸收E≤1.5MJ时***提示该柱避雷器的能量耐受情况正常，当各柱避雷器实际能量吸收1.8MJ≥E>1.5MJ时***提示该柱避雷器的能量耐受情况轻度异常，当各柱避雷器实际能量吸收E≥1.8MJ时***提示该柱避雷器的能量耐受情况严重异常。
如图2所示，高压直流***故障时流经中性母线避雷器的暂态电流近视于锯齿波，周期与幅值分别约为20ms和1.25kA，电流持续时间>100ms。本发明的电流传感器电源输入端子Pin1和Pin3供电电压分别为DC 11V和DC 31V；直流继电器室在线监测柜内DC 24V开关电源正、负极经1.5*2电缆引至电流传感器Pin1和Pin3端子处供电；测量信号输出端子Pin1和Pin2电压输出范围为DC 0～5V，分别与BNC接线端子正、负极相连接后经屏蔽电缆沟将信号传输至示波记录仪；
上述技术方案中，电流传感器采用单电压供电方式，额定电流为±1000A，最大测量电流幅值为±1250A，精度为±1％，非线性度<±0.5％，带宽范围为DC～40kHz；
上述技术方案中，示波记录仪24个数据采集通道并行采样，录波时间为300ms，任意通道触发后自动保存采集数据，数据接口采用以太网、U盘或SD卡接口，内存250M硬盘500G，采样率1MS/s，分辨率16-bit，带宽0～300kHz；
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，其特征在于：它包括示波记录仪(4)、电压测量装置光信号处理器(5)、上位机(6)和暂态电流传感器(7)，其中，暂态电流传感器(7)的信号输出端连接示波记录仪(4)的电流采集口，所述示波记录仪(4)的时标和电流采样信号输出端连接上位机(6)的时标和电流采样信号接口，电压测量装置光信号处理器(5)的时标和电压采样信号输出端连接上位机(6)的时标和电压采样信号接口，电压测量装置光信号处理器(5)的第一光信号输入端用于连接第一光纤配线架柜(2)的光信号输出端，第一光纤配线架柜(2)的电信号输入端用于连接第一直流电压测量接口柜(1)的直流电压测量结果信号输出端；
所述暂态电流传感器(7)的传感线圈套在中性母线避雷器(3)的接地引下线上。
2.根据权利要求1所述的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，其特征在于：所述第一直流电压测量接口柜(1)的直流电压测量端用于接入换流站内的极线1直流电压测量装置。
3.根据权利要求1所述的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，其特征在于：所述暂态电流传感器(7)为有源霍尔电流传感器。
4.根据权利要求1所述的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，其特征在于：所述暂态电流传感器(7)有多个，每个暂态电流传感器(7)的传感线圈分别套在对应的中性母线避雷器(3)的接地引下线上。
5.根据权利要求1所述的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，其特征在于：所述电压测量装置光信号处理器(5)的第二光信号输入端用于连接第二光纤配线架柜(2.1)的光信号输出端，第二光纤配线架柜(2.1)的电信号输入端用于连接第二直流电压测量接口柜(1.1)的直流电压测量结果信号输出端。
6.根据权利要求5所述的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，其特征在于：所述第二直流电压测量接口柜(1.1)的直流电压测量端用于接入换流站内的极线2直流电压测量装置。
7.根据权利要求1所述的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，其特征在于：所述示波记录仪(4)用于通过GPS时钟模块及天线记录并保存电流数据的绝对时标信息；电压测量装置光信号处理器(5)用于将接收到的电压光信号转换成对应的电压数字信号，并对电压数字信号进行相应的时间标定。
8.根据权利要求7所述的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，其特征在于：所述上位机(6)用于对示波记录仪(4)和电压测量装置光信号处理器(5)存储的电流信号和中性母线电压信号进行数据提取，并利用时标对齐，从而对中性母线避雷器的均流特性、能量耐受性能进行同步分析与监测评估。
9.根据权利要求7所述的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测***，其特征在于：所述上位机(6)对中性母线避雷的能量耐受能力预设评估策略为避雷器同步电流与电压之积对时间的积分，当各柱避雷器实际能量吸收小于预设值时***提示该避雷器能量耐受情况正常；当各柱避雷器实际能量吸收大于预设值时***提示该避雷器能量耐受情况异常。
10.一种权利要求1所述***的高压直流中性母线避雷器能量耐受在线监测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：当中性母线避雷器(3)动作时，暂态电流传感器(7)从中性母线避雷器(3)的接地引下线上获取避雷器的暂态电流；
第一直流电压测量接口柜(1)和第二直流电压测量接口柜(1.1)分别从换流站内的极线1直流电压测量装置和换流站内的极线2直流电压测量装置中获取直流电压测量值；
步骤2：示波记录仪(4)记录暂态电流数据的绝对时标信息，并和暂态电流数据一并送到上位机(6)；
电压测量装置光信号处理器(5)采集并保存第一光纤配线架柜(2)和第二光纤配线架柜(2.1)输出的两路直流电压测量值光纤信号；
电压测量装置光信号处理器(5)将两路直流电压测量值光纤信号转换为对应的具有两路直流电压测量值的以太网信号，并将两路直流电压测量值进行相应时间标定后，通过网口与上位机进行通信将两路直流电压测量值及其绝对时标信息一并送到上位机(6)；
步骤3：所述上位机(6)对示波记录仪(4)和电压测量装置光信号处理器(5)输送的暂态电流数据、暂态电流数据的绝对时标信息、两路直流电压测量值、以及两路直流电压测量值的绝对时标信息进行时标对齐，并对中性母线避雷器的均流特性、能量耐受性能进行同步分析与监测评估。
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