本發(fā)明涉及一種高壓直流斷路器并聯(lián)電容器不平衡電流監(jiān)測裝置及方法。

背景技術(shù)：

在高壓直流裝置運(yùn)行過程中，斷路器開斷轉(zhuǎn)換電流的能力對高壓直流裝置的正常運(yùn)行具有決定性作用。以常規(guī)±500kV高壓直流裝置為例，雙極直流共包含8臺直流斷路器，由于例行檢修等原因，每年都會對各臺直流斷路器進(jìn)行分合閘操作若干次，如果出現(xiàn)分合閘操作失敗情況，將沒有旁路斷路器可以替換運(yùn)行，此時對直流斷路器進(jìn)行檢修處理，會直流導(dǎo)致相應(yīng)直流裝置的持續(xù)停止運(yùn)行，造成直流輸送功率的中斷。因此，提高直流斷路器的運(yùn)行可靠性，對提高高壓直流裝置的能量可用率具有重要意義。由于高壓直流斷路器的開斷電流沒有自身過零點(diǎn)，因此開斷直流電流必須強(qiáng)迫過零?，F(xiàn)有直流工程中運(yùn)行的高壓直流斷路器采用并聯(lián)疊加電流法進(jìn)行電流強(qiáng)迫過零。疊加電流法通過在直流斷路器上并聯(lián)電容和電感，形成電流過零的振蕩回路，并采用并聯(lián)避雷器進(jìn)行能量吸收。

高壓直流斷路器的并聯(lián)回路電流振蕩過零方式是：利用電弧電壓隨電流增大而下降的非線性負(fù)電阻效應(yīng)，在與電弧間隙并聯(lián)的電容、電感(LC)回路中產(chǎn)生自激振蕩，使電弧電流疊加上增幅振蕩電流，從而實(shí)現(xiàn)總電流過零時進(jìn)行遮斷。由于這種方式是根據(jù)斷弧間隙電弧的不穩(wěn)定性，利用電弧電壓波動使LC回路與電弧之間存在一個充放電過程，電弧的負(fù)阻特性使得在開斷裝置QB斷口之間產(chǎn)生一個幅值不斷增加的高頻諧波電流當(dāng)自波電流幅值達(dá)到要轉(zhuǎn)換的直流電流值時，產(chǎn)生電流過零點(diǎn)，電弧熄滅，實(shí)現(xiàn)總電流強(qiáng)迫過零。但是，由于是依賴于間隙電弧的不穩(wěn)定性和電弧的負(fù)阻特性而產(chǎn)生電流過零的，要求斷路器與LC回路的參數(shù)配合要具備良好的契合。且采用這種方式的斷路器即使在開斷過程中電流過零后電弧又重燃，也不會對隨后的電流過零點(diǎn)的形成造成影響。

為達(dá)到振蕩過零目的，直流斷路器并聯(lián)電容器通常采用多支分組并聯(lián)方式，常規(guī)高壓直流斷路器采用4串8并方式。在近年來發(fā)生的直流斷路器故障事故中，曾多次發(fā)生電容器本體爆炸、引線燒毀、電纜頭擊穿等惡性事故，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了極大的威脅，并嚴(yán)重的影響到了直流負(fù)荷的持續(xù)輸送，對人員的人身安全也構(gòu)成了極大的威脅。這些事故的產(chǎn)生，究其原因是由于并聯(lián)電容器組在斷路器的投切過程產(chǎn)生了嚴(yán)重的過電壓?，F(xiàn)場運(yùn)行表明，由于直流裝置發(fā)生的異常故障，如直流線路過電壓、閥短路、交直流碰線等，會導(dǎo)致直流保護(hù)動作，自動進(jìn)行直流斷路器的分合操作，此時直流斷路器并聯(lián)電容器的運(yùn)行特性會發(fā)生異常，分支電容器兩端會承受嚴(yán)重的過電壓，從而對電容器設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生一定程度的損耗。如果電容器由于設(shè)備自身材料缺陷或受熱、受潮等異常運(yùn)行工況等原因，導(dǎo)致電容器承受的損耗超過自身耐受水平，不能持續(xù)完成對應(yīng)斷路器的振蕩過零過程。

直流斷路器并聯(lián)電容器如果出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)部故障，可能會出現(xiàn)電容器外殼鼓肚變形、滲漏油、溫度過高等現(xiàn)象，運(yùn)維人員可以及時發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處理。但在本發(fā)明提出之前，缺乏有效的手段提前檢測出運(yùn)行工況趨向異常的并聯(lián)電容器。如果在電容器劣化早期進(jìn)行發(fā)現(xiàn)處理，例如利用直流裝置的年度例行檢修進(jìn)行集中檢查處理，可以有效避免由于直流斷路器并聯(lián)電容器工作異常導(dǎo)致的直流裝置停運(yùn)事故。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一是提供一種高壓直流斷路器并聯(lián)電容器不平衡電流監(jiān)測裝置，能夠?qū)Σ杉降牧鬟^每支電容器的電流進(jìn)行對比分析，從而及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常不平衡電流的電容器，提前將故障電容器進(jìn)行檢修更換處理；

本發(fā)明的目的之二是提供一種高壓直流斷路器并聯(lián)電容器不平衡電流監(jiān)測監(jiān)測方法，能夠盡早發(fā)現(xiàn)運(yùn)行工況異常的電容器。

一種高壓直流斷路器并聯(lián)電容器不平衡電流監(jiān)測裝置，其特別之處在于：包括至少一個無線電流傳感錄波裝置，該所有無線電流傳感錄波裝置均通過無線方式與數(shù)據(jù)采集單元連接，從而將采集到的測量點(diǎn)的瞬時電流數(shù)據(jù)波形無線傳送至數(shù)據(jù)采集單元，該數(shù)據(jù)采集單元通過無線或有線方式與計算分析平臺連接，從而由計算分析平臺對前述瞬時電流數(shù)據(jù)波形進(jìn)行分析處理并且在發(fā)現(xiàn)異常時給出提示。

其中無線電流傳感錄波裝置采用帶有無線通信功能的故障錄波器，計算分析平臺采用計算機(jī)。

一種高壓直流斷路器并聯(lián)電容器不平衡電流監(jiān)測方法，其特別之處在于，包括如下步驟：

(1)當(dāng)換流站的測控裝置接收到直流斷路器分閘或合閘的操作指令以后，立即發(fā)送啟動指令給權(quán)利要求1中記載的監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)采集單元；

(2)當(dāng)數(shù)據(jù)采集單元收到啟動指令以后立即發(fā)送啟動指令給所有的無線電流傳感錄波裝置，從而使其進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；

(3)當(dāng)任意一個無線電流傳感錄波裝置根據(jù)電流的突變檢測到并聯(lián)電容器的動作之后，將發(fā)生電流突變時刻的時間標(biāo)簽通過數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送給計算分析平臺；

(4)當(dāng)計算分析平臺在收到無線電流傳感錄波裝置發(fā)來的突變量啟動的時間標(biāo)簽以后，會根據(jù)該時間標(biāo)簽從所有無線電流傳感錄波裝置調(diào)取與該時間同步的電流波形；

(5)計算分析平臺根據(jù)所有無線電流傳感錄波裝置時間同步的電流波形和并聯(lián)電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算流過每一支電容器的動作電流，并且根據(jù)這些電流值計算并聯(lián)電容器的電流分布不均勻系數(shù)β；

該電流分布不均勻系數(shù)β具體定義為：β＝nImax/Iarr；式中Iarr為總電流峰值，Imax為通過任意支路電容的最大電流峰值，n為并聯(lián)電容數(shù)；

(6)計算分析平臺進(jìn)行判斷，若任意一支并聯(lián)電容器的電流分布不均勻系數(shù)β＞2.5％，則向監(jiān)控后臺發(fā)出報警，提示對應(yīng)支路電容器的運(yùn)行特性異常。

經(jīng)過試用證明，采用本發(fā)明的裝置和方法后，可以通過采集、分析各支路電容器的電流參數(shù)，分析判斷流過各支并聯(lián)電容器的不平衡電流差值是否接近異常范圍，可以盡早發(fā)現(xiàn)運(yùn)行工況異常的電容器，并及時進(jìn)行檢修更換處理，從而有效提高高壓直流輸電裝置的運(yùn)行可靠性。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明的電路原理示意圖。

具體實(shí)施方式

如附圖1所示，本發(fā)明包括三部分：無線傳感錄波裝置，具體可以采用現(xiàn)有常規(guī)的帶有無線通信功能的故障錄波器，然后安裝于直流斷路器并聯(lián)電容器的各支路電容器引線處，與直流斷路器并聯(lián)電容器所在設(shè)備區(qū)的數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行無線通訊；數(shù)據(jù)采集單元與計算分析平臺通過光纖連接，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及指令的中轉(zhuǎn)傳輸；計算分析平臺的后臺軟件可以橫向比較流過各支電容器的不平衡電流值，并判斷所測量電流值是否偏離安全閾值范圍的要求，從而快速準(zhǔn)確的診斷出工作異常的電容器。本發(fā)明中的無線傳感錄波器可以安裝于每個分支電容器的引線處。

實(shí)施例1：

本發(fā)明提供了一種高壓直流斷路器并聯(lián)電容器電流監(jiān)測裝置，可以實(shí)時定位運(yùn)行特性異常的直流斷路器并聯(lián)電容器。該直流斷路器用于高壓直流裝置極運(yùn)行與極隔離等運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，以及用于轉(zhuǎn)換直流大地/金屬回路，其中直流斷路器應(yīng)包括：斷路器本體、與本體并聯(lián)的電容器組、電感振蕩過零回路，以及用于釋放斷路器分合過程中生產(chǎn)能量的多支并聯(lián)避雷器組。

本發(fā)明裝置中的無線傳感錄波裝置被設(shè)置用于在直流斷路器大地/金屬回線轉(zhuǎn)換操作時，可以自動提前激活測量裝置進(jìn)行各分支電容器的電流量測量，并在操作結(jié)束后設(shè)定時間內(nèi)自動進(jìn)入休眠狀態(tài)。無線傳感錄波裝置被激活工作時，通過衛(wèi)星對時裝置與直流測控裝置進(jìn)行對時，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和準(zhǔn)確性。

本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對高壓直流斷路器并聯(lián)電容器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測和分析。更具體地說，本發(fā)明是提供一種用于高壓直流斷路器并聯(lián)電容器的實(shí)時故障監(jiān)測裝置，可以稱之為高壓直流斷路器并聯(lián)電容器在線監(jiān)測裝置。

本發(fā)明的高壓直流斷路器并聯(lián)電容器的故障檢測，可以通過分析在直流斷路器分合操作瞬間，流過每一支并聯(lián)電容器內(nèi)部的電流特性的差異，查找出運(yùn)行特性異常的電容器，并進(jìn)行檢查處理。可以在高壓直流裝置運(yùn)行時，根據(jù)并聯(lián)電容器每次動作時的電流流通情況，自動獲取流過每支電容器的動作電流波形并進(jìn)行存儲，并進(jìn)行分析處理。本發(fā)明提供一種基于基站/衛(wèi)星對時的直流斷路器并聯(lián)電容器電流測量裝置，利用本裝置可以在高壓直流斷路器分合操作時，實(shí)現(xiàn)對電容器不平衡電流的實(shí)時監(jiān)測，并對各支電容器的電流值進(jìn)行橫向比較，從而進(jìn)行電容器故障早期診斷。

本發(fā)明裝置具備無線數(shù)據(jù)傳輸功能，可以將測量信息傳至就近的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)基站(也可采用戶外式集中數(shù)據(jù)采集柜)，并由基站將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至控制中心的電容器故障分析平臺。

為了準(zhǔn)確測量各電容器特性的一致性，需要在多支并聯(lián)電容器同時承受斷路器斷開瞬間產(chǎn)生的沖擊電壓時，測量流過各支電容器的最小電流和最大電流，并通過計算其電流差異是否在允許的范圍內(nèi)(±2.5％)，查找出運(yùn)行工況異常的電容器。因此，需要在高壓直流裝置進(jìn)行直流斷路器分合操作時，由控制裝置自動向電容器電流測量裝置(無線傳感錄波裝置)發(fā)送激活命令，測量裝置開始工作，待斷路器分合操作完成后，測量裝置自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，待下一次裝置轉(zhuǎn)換操作時繼續(xù)進(jìn)行測量。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的高壓直流斷路器并聯(lián)電容器在線監(jiān)測裝置由無線電流傳感錄波裝置(WCS)、數(shù)據(jù)采集單元(DCU)和計算分析平臺三部分組成。無線電流傳感錄波裝置(WCS)采用帶有無線通信功能的故障錄波器，負(fù)責(zé)完成測量點(diǎn)的瞬時電流數(shù)據(jù)波形采集并經(jīng)短距離無線通信傳送到數(shù)據(jù)采集單元(DCU)，然后由DCU經(jīng)3G/4G網(wǎng)絡(luò)或光纖傳送至后臺計算分析平臺(云計算平臺)。云計算平臺是一個可裁剪的應(yīng)用平臺解決方案，負(fù)責(zé)接收存儲來自各節(jié)點(diǎn)傳感器的海量數(shù)據(jù)，同時集成了必要的工具軟件和應(yīng)用軟件。無線電流傳感錄波裝置(WCS)、集中數(shù)據(jù)采集單元(DCU)和云計算平臺一起構(gòu)成一套完整的并聯(lián)電容器在線監(jiān)測裝置。

無線傳感錄波裝置(WCS)安裝于高壓直流斷路器的各支路電容器引線處，與高壓直流斷路器所在設(shè)備區(qū)的監(jiān)測基站進(jìn)行無線通訊。基站與直流控制裝置的測控裝置通過光纖連接，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及指令的中轉(zhuǎn)傳輸。

無線電流傳感錄波裝置采用等電位設(shè)計，無絕緣要求，可安裝在設(shè)備的高、低壓側(cè)連接導(dǎo)線或母排等任意位置。無線電流傳感錄波裝置采用非侵入，非破壞式的安裝方式，不需要拆除設(shè)備的連接引線，安裝方式簡單，不影響高壓直流設(shè)備的持續(xù)安全運(yùn)行。無線電流傳感錄波裝置內(nèi)有大容量的存儲器件，可以永久保存暫態(tài)電流錄波數(shù)據(jù)，并允許遠(yuǎn)程調(diào)取15分鐘以內(nèi)的實(shí)時電流波形。

無線電流傳感錄波裝置有兩種工作模式，分別為待機(jī)模式和實(shí)時監(jiān)測模式。其工作模式的切換由后臺軟件控制。在待機(jī)模式下，無線電流傳感錄波裝置以極低的功耗運(yùn)行，等待來自后臺軟件的啟動指令。在收到了后臺軟件的啟動指令之后，無線電流傳感錄波裝置進(jìn)入全速運(yùn)行狀態(tài)，即實(shí)時監(jiān)測模式。在實(shí)時監(jiān)測模式下，無線電流傳感錄波裝置會持續(xù)的采樣電流瞬時值并打上時間標(biāo)簽，一旦電流發(fā)生突變且超過預(yù)設(shè)定值，裝置就會記錄發(fā)生突變的時間點(diǎn)，并將該時間點(diǎn)前1個和后4個工頻周波共100ms的電流波形數(shù)據(jù)存入裝置內(nèi)部的FLASH，同時裝置會將發(fā)生電流突變事件信息上報給后臺。后臺軟件根據(jù)需要調(diào)取各裝置內(nèi)的錄波電流波形。此外，裝置也可根據(jù)后臺命令將當(dāng)前時間之前一個小時之內(nèi)任意時間點(diǎn)的電流波形發(fā)送給后臺。

集中數(shù)據(jù)采集單元(DCU)作為無線電流傳感錄波裝置和后臺云軟件平臺之間交互數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)單元，負(fù)責(zé)收集來自電流傳感錄波裝置的電流波形并遠(yuǎn)傳至后臺軟件，同時它還根據(jù)后臺軟件的命令控制和管理電流傳感錄波裝置。一臺集中數(shù)據(jù)采集單元(DCU)可以控制和管理多個無線電流傳感錄波裝置，也可以同時部署多個集中數(shù)據(jù)采集單元。

計算分析平臺采用計算機(jī)或服務(wù)器，用于對在線監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而查找出運(yùn)行特性異常的并聯(lián)電容器。該分析平臺可以集成部署于換流站在線監(jiān)測裝置站服務(wù)器或在線監(jiān)測云平臺。分析軟件與集中數(shù)據(jù)采集單元(DCU)之間以VPN組網(wǎng)，并基于TCP/IP協(xié)議通信，確保了數(shù)據(jù)通信的安全可靠。后臺分析軟件由Web服務(wù)程序，應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫三部分組成。Web服務(wù)程序以Web頁面的方式向運(yùn)行維護(hù)管理人員提供對監(jiān)測裝置的管理、配置、查詢等服務(wù)。

計算分析平臺數(shù)據(jù)庫用于保存數(shù)據(jù)波形和裝置的運(yùn)行參數(shù)，通過軟件綜合分析處理這些歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行單個電容器歷史數(shù)據(jù)的縱向、多支電容器當(dāng)前電流數(shù)據(jù)的橫向比較，從而判斷個別特性明顯不同的電容器并采取替換等預(yù)防措施。

上述高壓直流斷路器并聯(lián)電容器在線監(jiān)測裝置的工作過程如下:

(1)換流站測控裝置接收到直流斷路器分合的操作指令以后，立即發(fā)送啟動指令給并聯(lián)電容器工作電流在線監(jiān)測裝置。

(2)并聯(lián)電容器工作電流在線監(jiān)測裝置的DCU單元收到啟動指令以后立即發(fā)送啟動指令給WCS。待機(jī)模式下的WCS在收到啟動指令以后會立即激活整個裝置進(jìn)入全速運(yùn)行狀態(tài)。

(3)WCS根據(jù)電流的突變檢測到并聯(lián)電容器的動作之后，會將發(fā)生電流突變時刻的時間標(biāo)簽發(fā)送給后臺軟件。

(4)軟件分析平臺在收到某個WCS發(fā)來的突變量啟動的時間標(biāo)簽(如果多個WCS同時觸發(fā)會僅選取任意一個)以后會根據(jù)該時間標(biāo)簽從所有WCS調(diào)取時間同步的電流波形。

(5)軟件分析平臺根據(jù)所有WCS時間同步的電流波形和事先設(shè)置好的并聯(lián)電容器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算流過每一支電容器的動作電流。并且根據(jù)這些電流值計算并聯(lián)電容器的電流分布不均勻系數(shù)(β)。

多柱并聯(lián)電容器的電流分布不均勻系數(shù)(β)定義為

β＝nImax/Iarr

式中：Iarr為總電流峰值；Imax為通過任意支路電容的最大電流峰值；n為并聯(lián)電容數(shù)。

(6)軟件分析平臺進(jìn)行判斷，若任意一支并聯(lián)電容器的電流分布不均勻系數(shù)(β)超過2.5％，則向監(jiān)控后臺發(fā)出報警，提示對應(yīng)支路電容器的運(yùn)行特性異常，從而實(shí)現(xiàn)對高壓直流斷路器并聯(lián)電容器的實(shí)時故障監(jiān)測。

總之，本裝置的發(fā)明，提供了一種用于高壓直流斷路器電容器不平衡電流監(jiān)測裝置，通過準(zhǔn)確記錄特定時刻流過電氣設(shè)備的暫態(tài)電流波形數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，運(yùn)維人員能夠準(zhǔn)確掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，從而采取必要的預(yù)防措施防止事故的發(fā)生。

實(shí)施例2：

例如寧夏銀川東換流站直流場，共配置5臺直流斷路器，包括2臺中性母線斷路器，2臺大地/金屬回線轉(zhuǎn)換斷路器，1臺站接地極斷路器。上述斷路器由于直流裝置的例行檢修以及保護(hù)動作等原因，均會進(jìn)行分合操作。如果在操作過程中，2臺中性母線斷路器中任意1臺故障，將導(dǎo)致直流輸送功率減少2000MW；如果2臺大地/金屬回線轉(zhuǎn)換斷路器任意一臺故障，將會導(dǎo)致雙極直流裝置不可用，減少輸送功率4000MW。

為避免由于直流濾波器并聯(lián)電容器故障導(dǎo)致的直流裝置停運(yùn)事故，銀川東換流站利用年度檢修停電機(jī)會，采用本發(fā)明中的并聯(lián)電容器不平衡電流監(jiān)測裝置，對5臺斷路器的40臺并聯(lián)電容器分別加裝無線電流傳感采集裝置，并將采集數(shù)據(jù)集中傳輸至控制監(jiān)測后臺。通過該電容器故障監(jiān)測裝置，對采集到的流過每支電容器的電流進(jìn)行對比分析，就可以及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常不平衡電流的電容器，從而提前將故障電容器進(jìn)行檢修更換處理，避免由于電容器嚴(yán)重劣化導(dǎo)致直流裝置在滿負(fù)荷運(yùn)行時發(fā)生故障停運(yùn)事故，從而進(jìn)一步提高了高壓直流裝置的運(yùn)行可靠性。

本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識到，本發(fā)明絕不局限于上述的實(shí)施例。其它各類電壓等級的高壓直流換流站或變電站的電氣設(shè)備，均在在所附的權(quán)利要求的監(jiān)測范圍內(nèi)。例如，雖然本發(fā)明已經(jīng)按照包括在線電容器故障檢測單元來描述，但是可以設(shè)想本發(fā)明的設(shè)計為現(xiàn)有高壓直流斷路器的其它并聯(lián)設(shè)備監(jiān)測實(shí)例。例如，可以設(shè)想包括并聯(lián)避雷器和電抗器的運(yùn)行實(shí)時監(jiān)測。