一种直流接地极线路故障检测系统与方法与流程

本发明涉及一种直流接地极线路故障检测系统与方法，属于高压直流输电技术领域。

背景技术：

直流输电系统中直流接地极线路长度可能达到几十到一百多公里。接地极线短路或开路故障时，都会对直流系统运行造成安全隐患，因此需要对直流接地极线路进行故障检测，包括监视是否发生故障，以及进行故障测距。由于直流系统在直流单极金属回线和双极大地回线平衡运行时，接地极只作为直流侧的电位参考点，在直流接地极线路中没有电流流过，此时故障特征并不明显，不易检测。直流系统在直流单极大地回线运行时，直流接地极线路的电位虽然会因为流过负荷电流而抬高，但由于电压水平有限(通常15kV以内)，短路故障产生的行波信号幅度不大，因此常规的输电线路行波测距方法并不能适用于直流接地极线路。

目前直流接地极线路故障检测的实用方法主要有两种：一种是阻抗法，注入高频信号，检测故障时的阻抗变化情况；另一种是时域反射法，包括共模信号行波法和差模信号行波法，通过注入脉冲信号，检测故障时的脉冲信号反射时间变化，可以监视故障和进行故障测距。

阻抗法基本原理如专利EP0360109所述，系统结构如图1所示，该方法需要在直流接地极线路两端安装阻波器，工程造价较高，系统较为复杂，且只能监测是否存在故障，无法实现故障测距。

差模信号行波法是在两根直流接地极线路之间加入脉冲信号，例如SIEMENS公司的PEMO2000直流接地极线路故障监视装置使用的是差模信号法，系统结构图如图2所示。差模行波信号是在直流接地极线的2根导线之间传播，因此衰减小且波速恒定，有利于时域法的故障测距。但由于差模信号会在直流接地极线路分裂点处相互抵消(图2中v+和v-相互抵消)，因此目前差模信号行波法存在两大缺点：首先，该方法的实施受直流场地的限制，因为差模信号相互抵消的原因，该方法要求信号注入点与线路分裂点之间的距离足够大(见图2中a)，通常应大于50m，且应随直流接地极线路长度的增加而增加，直流现场可能不具备这样的安装条件；另外，即使信号注入点离分裂点有一定的距离，但差分信号的相互抵消依然无法避免，导致有效信号幅度大大降低，且信号波形变得更加复杂，不利于故障测距。

共模信号行波法是在直流接地极线路与大地之间加入共模脉冲信号，对信号注入点无距离要求，由于不存在差模法的信号抵消问题，因此共模信号的幅度较大且波形简单，因此有利于故障测距。但由于该脉冲信号会同时向接地极和直流场换流阀两个方向传播，因此容易受到换流阀方向的元件和线路的影响，且直流场固有的谐波和瞬变信号对注入的共模信号也存在很大的干扰，因此该方法难以直接在现场应用。另外，共模信号需流经大地，其行波波速并不恒定，信号衰减也较大，这也是共模信号行波法存在的技术难点。

此外，共模信号行波法与差模信号行波法各有其优缺点，例如共模信号由于幅度大、波形简单，因此故障判别的可靠性较高，但由于信号衰减大、波速不恒定，因此测距精度较低。但目前已有的系统和方法难以同时实现这两种方法，不能实现优势互补。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种直流接地极线路故障检测系统和方法，通过同一套一次设备和二次设备同时实现差模信号行波法和共模信号行波法，解决差模信号行波法工程实施受直流场地限制的问题，克服差模信号相互抵消导致的信号幅度低、波形复杂的问题，解决共模信号行波法受直流场换流阀方向元件和信号影响的问题，从而提高直流接地极线路故障检测的可靠性和测距精度。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种直流接地极线路故障检测系统，系统包括高压设备部分、户外低压设备部分和户内低压设备部分，高压设备部分包括配置在直流接地极线路上的高压电抗器和高压电容器，户外低压设备部分包含阻抗匹配模块和双层屏蔽两芯电缆，户内低压设备部分包含过压保护模块、带屏蔽层两芯电缆和故障检测装置；高压电容器通过导线分别连接到直流接地极线路和阻抗匹配模块，阻抗匹配模块通过双层屏蔽两芯电缆连接至过压保护模块，过压保护模块通过带屏蔽层两芯电缆连接至故障检测装置。

作为本发明的进一步优选方案，所述的高压电抗器的数量为两个，两个高压电抗器的电感值相同，分别串联配置于直流接地极线路分裂后的出口处；所述的高压电容器的数量为两个，两个高压电容器的电容值相同，与高压电抗器相邻，并联配置于直流接地极线路上；接地极线分裂点和高压电容器并联点分别位于高压电抗器的两侧。

作为本发明的进一步优选方案，所述的阻抗匹配模块内部包含变压器组件实现阻抗匹配和电位隔离，变压器组件有两组耦合线圈，两组线圈的原边、副边均有一公共端，原边、副边对外均呈现为三端口网口，变压器组件高压侧公共端接地，另两端分别连接至两个高压电容器；两变压器低压侧公共端连接至双层屏蔽两芯电缆的内屏蔽层，另两端分别连接至双层屏蔽两芯电缆的两根芯线。

作为本发明的进一步优选方案，所述的过压保护模块内部设有三组防雷器和一组接地端子排，双层屏蔽两芯电缆的内屏蔽层和带屏蔽层两芯电缆的屏蔽层均连接到接地端子排，三组防雷器分别并接在两根电缆芯线和接地端子排之间。

作为本发明的进一步优选方案，所述的故障检测装置包含信号发生器、信号检测器和控制分析模块，控制分析模块控制信号发生器发出差模脉冲信号和共模脉冲信号，信号检测器用于采集差模脉冲信号和共模脉冲信号，控制分析模块对采集的差模信号和共模信号进行分析，实现故障检测。

6、一种直流接地极线路故障检测方法，其特征在于：

采用时域反射法进行直流接地极线路故障检测，通过高压电抗器的高频信号阻隔作用提高共模、差模行波信号的幅度和信噪比，分别采用差模信号行波法和共模信号行波法实现直流接地极线路故障检测，并将差模信号行波法与共模信号行波法结合使用以提高直流接地极线路故障检测的可靠性和测距精度。

7、如权利要求6所述的直流接地极线路故障检测方法，其特征在于：所述方法还包括，利用电抗器的电抗值与信号频率正相关的特性，信号频率越高，阻抗值越大；

采用时域反射法采集和分析信号中的高频成份，采用高压电抗器对差模和共模信号中的高频信号进行拦截。

8、如权利要求6所述的直流接地极线路故障检测方法，其特征在于：

当故障检测装置工作于差模模式时，控制分析模块控制信号发生器发出差模脉冲信号，带屏蔽层两芯电缆的两根芯线之间存在电位差信号，该差模信号经双层屏蔽两芯电缆、阻抗匹配模块和高压电容器注入到直流接地极线路的两根导线上；

当故障检测装置工作于共模模式时，控制分析模块控制信号发生器发出共模脉冲信号，带屏蔽层两芯电缆的两根芯线对地之间存在电位差信号，该共模信号经双层屏蔽两芯电缆、阻抗匹配模块和高压电容器注入到直流接地极线路的两根导线上；

上述差模信号或共模信号在故障点形成的反射行波经高压电容器、阻抗匹配模块、双层屏蔽两芯电缆、带屏蔽层两芯电缆进入故障检测装置的信号检测器，由控制分析模块对应实现差模分析或共模分析。

9、如权利要求7所述的直流接地极线路故障检测方法，其特征在于：

所述的故障检测装置根据设置的模式选择单独或是同时使用差模或者共模两种故障检测方法；

同时使用两种方法时，按设定的周期交替使用两种方法；或者，使用共模信号行波法作为故障判别主方法，使用差模信号行波法作为行波测距主方法，在主方法失效时使用另一种方法作为补充。

采用本发明所述的系统与方法，可以利用同一套一次设备和二次设备同时实现差模信号行波法和共模信号行波法。按照本系统结构，差模脉冲信号的注入点不必距离直流接地极线路分裂点50m以上，可紧挨分裂点就近注入，因此可以提高差模信号行波法的工程适应性。本系统使用的高压电抗器可以提高差模信号注入到直流接地极线路的有效幅度，可以提高故障反射信号的幅度，可以降低差模信号的复杂性，有利于提高差模信号行波法的故障检测的可靠性和测距精度。本系统可以降低直流场换流阀方向的元件和信号对共模测距信号的影响，有利于提高共模信号行波法的故障检测的可靠性和测距精度。本方法可以将差模信号行波法与共模信号行波法结合实现优势互补，从而提高直流接地极线路故障检测的可靠性和测距精度。

附图说明

图1为阻抗法的直流接地极线路故障检测系统结构图；

图2为差模行波信号法的直流接地极线路故障检测系统结构图；

图3为本发明涉及的直流接地极线路故障检测系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行进一步说明。

如图3所示,一种直流接地极线路故障检测系统和方法，系统包括高压设备部分、户外低压设备部分和户内低压设备部分，高压设备部分包括配置在直流接地极线路上的高压电抗器11、12和高压电容器21、22，户外低压设备部分包含阻抗匹配模块3和双层屏蔽两芯电缆4，户内低压设备部分包含过压保护模块5、带屏蔽层两芯电缆6和故障检测装置7；高压电容器通过导线分别连接到直流接地极线路和阻抗匹配模块，阻抗匹配模块通过双层屏蔽两芯电缆连接至过压保护模块，过压保护模块通过带屏蔽层两芯电缆连接至故障检测装置。

高压电抗器11、12电感值相同0.1mH～10mH，分别串联配置于直流接地极线路分裂后的出口处；所述的高压电容器21、22电容值相同1nF～100nF，与高压电抗器相邻，并联配置于直流接地极线路上；接地极线分裂点和高压电容器并联点分别位于高压电抗器的两侧，高压电容器的并联点可紧挨高压电抗器,不必与接地极线分裂点拉开距离布置。

阻抗匹配模块3内部包含变压器组件实现阻抗匹配和电位隔离，变压器组件有两组耦合线圈31、32，两组线圈的原边、副边均有一公共端，原边、副边对外均呈现为三端口网口，变压器组件高压侧公共端接地，另两端分别连接至高压电容器21、22；两变压器低压侧公共端连接至双层屏蔽两芯电缆4的内屏蔽层，另两端分别连接至双层屏蔽两芯电缆的两根芯线。

过压保护模块5内部设有三组防雷器51和一组接地端子排52，双层屏蔽两芯电缆4的内屏蔽层和带屏蔽层两芯电缆6的屏蔽层均连接到接地端子排，三组防雷器分别并接在两根电缆芯线和接地端子排之间。

故障检测装置7包含信号发生器71、信号检测器72和控制分析模块73，控制分析模块可控制信号发生器发出差模脉冲信号和共模脉冲信号，信号检测器用于采集差模脉冲信号和共模脉冲信号，控制分析模块对采集的差模信号和共模信号进行分析，实现故障检测。

本方法采用时域反射法进行直流接地极线路故障检测，基于上述的故障检测系统，通过高压电抗器的高频信号阻隔作用提高共模、差模行波信号的幅度和信噪比，可分别采用差模信号行波法和共模信号行波法实现直流接地极线路故障检测，并可将差模信号行波法与共模信号行波法结合使用以提高直流接地极线路故障检测的可靠性和测距精度。

本方法利用电抗器的电抗值与信号频率正相关的特性，信号频率越高，阻抗值越大；时域反射法主要采集和分析信号中的高频成份，本方法利用高压电抗器(11、12)对差模和共模信号中的高频信号进行拦截；

由于高压电抗器(11、12)的存在，注入到直流接地极线路两根导线间的差模信号会因为高压电抗器的拦截作用而主要流向直流接地极线路，从故障点返回的信号也因为高压电抗器的拦截作用而主要经高压电容器流向故障检测装置，因此避免了差模信号通过导线分裂点而相互抵消，因此差模信号能量损失远小于不设置高压电抗器的情况；此外，由于高压电抗器的拦截作用，高压电容器可与高压电抗器相邻安装，不必距离直流接地极线路分裂点50m以上。因此，本方法可提高差模信号行波法的故障检测的可靠性和测距精度，同时提高该方法的工程适应性。

由于高压电抗器(11、12)的存在，来自直流场换流阀方向的高频干扰信号被拦截，与此同时，注入到直流接地极线路与大地之间的共模信号也因为高压电抗器的拦截作用而主要流向直流接地极线路，因此共模信号能量损失小，受直流场换流阀方向元件的影响也因为高压电抗器的存在而减小。因此，本方法可提高共模信号行波法的故障检测的可靠性和测距精度。

当故障检测装置工作于差模模式时，控制分析模块(73)控制信号发生器(71)发出差模脉冲信号，带屏蔽层两芯电缆6的两根芯线之间存在电位差信号，该差模信号经双层屏蔽两芯电缆4、阻抗匹配模块3和高压电容器21、22注入到直流接地极线路的两根导线上。

当故障检测装置工作于共模模式时，控制分析模块(73)控制信号发生器(71)发出共模脉冲信号，带屏蔽层两芯电缆6的两根芯线对地之间存在电位差信号，该共模信号经双层屏蔽两芯电缆4、阻抗匹配模块3和高压电容器21、22注入到直流接地极线路的两根导线上。

以上差模信号或共模信号在故障点形成的反射行波经高压电容器21、22、阻抗匹配模块3、双层屏蔽两芯电缆4、带屏蔽层两芯电缆6进入故障检测装置的信号检测器72，由控制分析模块(73)对应实现差模分析或共模分析。

故障检测装置可根据设置的模式选择单独或是同时使用两种故障检测方法；同时使用两种方法时，实际是按一定的周期和规律交替使用两种方法，例如每2秒交替一次检测方法；当同时采用两种方法时，可将两种方法结合使用，使用共模信号行波法作为故障判别主方法，使用差模信号行波法作为行波测距主方法，在主方法失效时使用另一种方法作为补充。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。