阅读说明：本技术 一种直流滤波器高压电容器接地故障保护方法 (Ground fault protection method for high-voltage capacitor of direct-current filter ) 是由 李永丽 张云柯 宋金钊 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种直流滤波器高压电容器接地故障保护方法,包括步骤如下：采集得到直流滤波器首端电压u和不平衡电流i<Sub>T2</Sub>,获得离散的首端电压和不平衡电流序列；计算虚拟电容C<Sub>zd</Sub>；根据高压电容器的桥臂电容确定保护整定值C<Sub>set</Sub>,当虚拟电容C<Sub>zd</Sub>大于保护整定值C<Sub>set</Sub>时,则保护判定为区内故障；反之,则保护判定为区外故障。(The invention relates to a ground fault protection method for a high-voltage capacitor of a direct-current filter, which comprises the following steps: acquiring a head end voltage u and an unbalanced current i of the direct current filter T2 Obtaining a discrete head end voltage and unbalanced current sequence; calculating a virtual capacitance C zd (ii) a Determining a protection setting value C according to the bridge arm capacitance of the high-voltage capacitor set When the virtual capacitor C zd Greater than the protection setting value C set If so, the protection is judged as an intra-area fault; otherwise, the protection is determined to be an out-of-area fault.)

一种直流滤波器高压电容器接地故障保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域,尤其涉及一种直流滤波器高压电容器接地故障保护方法。

背景技术

高压直流输电(highvoltage directcurrent，HVDC)技术以其输电距离远、输送容量大、损耗低、控制灵活等优点，在我国高压及特高压电网得到了广泛应用。在LCC-HVDC系统中，直流滤波器配置于直流输电线路两端，以滤除换流器向直流侧注入的特征谐波，有效避免了特征谐波造成通信干扰、直流侧电力设备发热、电能质量降低等危害。

高压电容器作为直流滤波器的核心元件，承担着大部分的直流侧电压。高压电容器发生接地故障后，滤波器谐振回路的改变使得调谐频率出现偏移，不仅会造成滤波效果变差，还会导致滤波器元件因过流或过压而损毁。实际工程中，差动保护用于判定直流滤波器各类接地故障，但难以明确故障位置，同时，保护受电流互感器暂态特性不一致影响而发生误动的现象时有发生。因此，研究直流滤波器高压电容器接地故障保护，提高保护动作的可靠性和灵敏性，对于提高直流系统的安全性和稳定性具有重大意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种直流滤波器高压电容器接地故障保护方法。本方法基于高压电容器区内、外故障时虚拟电容特征，构造直流滤波器高压电容器接地故障保护，不仅克服了差动保护难以明确故障位置的不足，且仅利用单端电气量。本发明的技术方案如下：

一种直流滤波器高压电容器接地故障保护方法，包括步骤如下：

(1)采集得到直流滤波器首端电压u和不平衡电流i_T2，获得离散的首端电压和不平衡电流序列

j和k为正整数，取1、2、…、N，N为总序列点数。

(2)计算虚拟电容C_zd，其计算公式为

式中，N_T为时间窗长内的采样点总数；

(3)根据高压电容器的桥臂电容确定保护整定值C_set，当虚拟电容C_zd大于保护整定值C_set时，则保护判定为区内故障；反之，则保护判定为区外故障。

进一步地，保护整定值C_set计算公式为

C_set＝k_setC

式中，k_set为保护动作的整定值，k_set取0.001～0.05。

本发明针对传统的直流滤波器高压电容器接地故障保护存在的缺陷，提出了一种直流滤波器高压电容器接地故障保护方法。与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明是基于高压电容器区内、外故障时虚拟电容特征，提出了直流滤波器高压电容器接地故障保护，保护理论完善、选择性好。

(2)本发明方法仅利用单端电气量，不受传感器变比特性不一致的影响。

附图说明

图1HP12/24型直流滤波器示意图。

图2高压电容器上桥臂接地故障等效电路。

图3高压电容器下桥臂接地故障等效电路。

图中标号说明：

图1中直流滤波器由高压电容器C₁、电阻R₁、电感L₁、电容C₂和电感L₂组成；高压电容器C₁各桥臂的电容为C；C_T1、C_T3分别为首端、尾端电流互感器；C_T2为不平衡电流互感器；f₁、f₂分别为高压电容器C₁右侧上桥臂、下桥臂接地故障点；f₃为高压电容器以下区域接地故障点；AC为交流系统电源；Z_AF为交流母线处滤波器等效阻抗；L_sr为平波电抗器。

图2中(a)图为高压电容器上桥臂接地故障复频域等效电路；(b)图为高压电容器上桥臂接地故障时域等效电路；U(s)和u(t)分别为频域、时域等效电压源；I_T1(s)和i_T1(t)分别为频域、时域首端电流；I_T3(s)和i_T3(t)分别为频域、时域尾端电流；I_T2(s)为频域不平衡电流；I_f1(s)和I_f2(s)分别为流经高压电容器上桥臂顶部与故障点f₁之间电容的故障电流、故障点f₁与不平衡桥之间电容的故障电流；i_f(t)为时域等效故障电流；Z(s)为高压电容器以下区域元件的频域等效阻抗；λ为高压电容器上桥臂顶部到故障点f₁间电容占右侧上桥臂电容C的百分比(0<λ<1)；Z_eq为等效阻抗；C_eq为等效电容。

图3中(a)图为高压电容器下桥臂接地故障复频域等效电路；(b)图为高压电容器下桥臂接地故障时域等效电路；U(s)和u(t)分别为频域、时域等效电压源；I_T1(s)和i_T1(t)分别为频域、时域首端电流；I_T3(s)和i_T3(t)分别为频域、时域尾端电流；I_T2(s)为频域不平衡电流；I_f1(s)和I_f2(s)分别为流经高压电容器下桥臂尾部与故障点f₂之间电容的故障电流、不平衡桥与故障点f₂之间电容的故障电流；i_f(t)为时域等效故障电流；Z(s)为高压电容器以下区域元件的频域等效阻抗；为高压电容器不平衡桥到故障点f₂间电容占右侧下桥臂电容C的百分比Z′_eq为等效阻抗；C′_eq为等效电容。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

本发明的直流滤波器高压电容器接地故障保护方法，主要利用虚拟电容特征实现高压电容器区内、外故障的判别，其具体步骤如下：

(1)如图1所示，为本实施例具体应用的高压直流滤波器示意图。通过电压、电流采集装置采集得到直流滤波器首端电压u和不平衡电流i_T2，获得离散的首端电压和不平衡电流序列

j和k为正整数，可取1、2、…、N，N为总序列点数；

(2)计算虚拟电容C_zd，其计算公式为

式中，N_T为时间窗长5ms内的采样点总数；

(3)当虚拟电容C_zd大于保护整定值C_set时，则保护判定为区内故障；反之，则保护判定为区外故障；保护整定值C_set计算公式为

C_set＝k_setC

式中，k_set为保护动作的整定值，综合考虑电压互感器、电流互感器的测量误差，k_set取0.001～0.05，C是高压电容器的桥臂电容。

基于虚拟电容特征实现高压电容器区内、外故障的识别，原理为：

高压电容器上桥臂接地故障等效电路，如图2所示。根据图2(a)和基尔霍夫定律，可得

式中，I_f(s)为未流经电流互感器C_T3的故障电流。

将式(1)整理化简，并进行拉普拉斯反变换，可得

电流i_f1和i_f2仅流过电容元件，可认为故障电流i_f流过等效电容C_eq。结合上述分析，将直流滤波器简化等效为阻抗Z_eq和电容C_eq并联的形式，得到高压电容器上桥臂接地故障时域等效电路，如图2(b)所示。

根据图2(b)，可得电压u(t)与电流i_f(t)存在如下关系

联立式(2)和式(3)，可得虚拟电容C_zd计算公式如下

由式(4)可知，虚拟电容C_zd与等效电容C_eq成正比关系，且两者之间的比值为λ/2；当高压电容器的上桥臂f₁点发生接地故障时，利用不平衡互感器C_T2测量的电流i_T2和直流滤波器首端电压u可实时计算得到虚拟电容C_zd；若直流滤波器参数固定不变，虚拟电容C_zd的数值大小仅取决于故障点位置，与直流系统运行方式无关。

高压电容器下桥臂接地故障等效电路，如图3所示。同理可得虚拟电容C_zd计算公式如下

由式(5)可知，虚拟电容C_zd与等效电容C′_eq成正比关系，且两者之间的比值为高压电容器的下桥臂f₂点发生接地故障后，利用不平衡互感器C_T2测量的电流i_T2和直流滤波器首端电压u可实时计算得到虚拟电容C_zd；若直流滤波器参数固定不变，虚拟电容C_zd的数值大小仅取决于故障点位置，与直流系统运行方式无关。

当高压电容器正常运行时，高压电容器C₁不平衡桥两端的电压始终相同，不平衡电流互感器CT₂测量电流的理论值为0，且不受直流系统运行方式的影响。因此，高压电容器正常运行时虚拟电容C_zd的理论值为0。

上述虽然结合具体的实施例对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。