一种可控避雷器装置及控制方法与流程 专利技术说明

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明涉及电网混合级联直流系统消能装置技术领域，尤其涉及一种可控避雷器装置及控制方法。背景技术：2.近年来，基于电网换相换流器lcc和电压源换流器vsc串联的lcc-vsc混合直流系统快速发展，其既包括常规直流的优势，又有着柔性直流灵活的运行方式。但由于lcc-vsc混合直流系统结构复杂，给交流故障穿越策略提出了新的挑战，当受端交流部分发生严重故障时，可能无法实现交流故障穿越。3.目前，利用可控消能装置，当受端出现故障时吸收送端发出的功率是交流故障穿越的常用策略。可控消能装置主要包括直流斩波电路dc chopper、泄流晶闸管和可控避雷器cmoa三种，由于泄流晶闸管会导致故障穿越过程中功率中断且工程中性能检测及巡检难度大，dc chopper在大容量输电系统工程背景下经济成本高，而cmoa方案能够兼顾经济效益和性能需求，更适用于受端混联lcc-vsc特高压直流输电系统的工程应用。4.现有技术中，cmoa在针对故障时间小于25ms的故障效果较好，但针对长时间未清除的故障，当开关一次动作后，由于故障并未消除，电压再次上升，导致开关再一次动作，此后不断循环，而开关的不停动作将导致以下问题：5.开关寿命大幅减少，长期耗资高，经济性差；6.每一次开关动作都将产生较大的冲击电压和电流，影响系统内部元件的寿命与绝缘；7.当故障消除后，由于故障时冲击电压的存在，依旧使电压超出阈值，使开关继续动作，系统不能快速恢复运行，有换相失败的风险。8.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。技术实现要素：9.本发明提供了一种可控避雷器装置及控制方法，从而有效解决背景技术中的问题。10.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种可控避雷器装置，包括：11.并联设置在直流母线与中性线之间的避雷器的固定部分和避雷器的可控部分，所述固定部分和所述可控部分串联设置；12.开关组件，所述开关组件并联设置在所述可控部分的两端，且包括开关，通过控制所述开关可对所述可控部分进行短接；13.稳压元件，所述稳压元件与所述固定部分和可控部分串联；14.其中，当系统中过电压时，所述开关对所述可控部分进行短路，所述固定部分对盈余功率进行消耗。15.进一步地，所述固定部分和所述可控部分分别并联设置一分压电阻。16.进一步地，所述固定部分和所述可控部分为非线性电阻元件，所述固定部分和所述可控部分的电阻随电压的增加快速减小。17.进一步地，所述固定部分和所述可控部分为氧化锌避雷器。18.进一步地，所述氧化锌避雷器包括多个串联的电阻片，多个所述电阻片构成单柱结构，所述固定部分和所述可控部分包括若干并联的氧化锌避雷器柱。19.进一步地，所述稳压元件包括平波电抗器，所述平波电抗器的额定工作电压为400kv。20.进一步地，所述平波电抗器通过无磁性紧固件固定。21.进一步地，所述稳压元件串联设置于靠近直流母线的一端。22.进一步地，所述开关包括触发开关、快速机械开关和旁路开关，所述触发开关、快速机械开关和旁路开关分别与所述可控部分并联，所述触发开关、快速机械开关和旁路开关中的任意一个或多个闭合时，所述可控部分两端被短路。23.进一步地，所述触发开关、快速机械开关和旁路开关在系统过电压时，响应闭合时间逐渐增加。24.本发明还包括一种可控避雷器控制方法，包括如下步骤：25.检测vsc直流侧电压；26.当vsc直流侧电压超出设定阈值时，判断发生过电压故障，可控避雷器开始动作；27.将开关闭合，使所述可控部分两端短路；28.当直流侧电压下降，将开关断开，可控避雷器退出运行；29.检测系统电压是否升高并超出阈值；30.若系统电压超出阈值，则判断故障未消除，可控避雷器重复开始动作；31.若系统电压未超出阈值，则判断故障消除，系统恢复运行，完成交流故障穿越。32.本发明的有益效果为：本发明通过在直流母线和中性线之间并联固定部分和可控部分，将固定部分和可控部分串联设置，且在可控部分上并联开关组件，开关组件对可控部分两端的通路或短路进行控制，当系统中过电压时，开关闭合，对可控部分进行短路，固定部分对系统中的盈余功率进行消耗，通过串联设置了稳压元件后，限制电压与电流的波动，降低电气量变化的程度，进而减少开关动作次数，在故障清除后，由于稳压元件限制了电压的上升，给开关一定的关断时间，保证了交流故障穿越的成功。实现了开关寿命的大幅提高，减少冲击电压和电流，增加系统内部元件的寿命，当故障消除后，系统能够快速恢复，保证交流故障穿越成功。附图说明33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。34.图1为本发明可控避雷器装置的示意图；35.图2为故障相电压、电流、功率变化图；36.图3为可控避雷器装置控制方法的流程图；37.图4为故障初期直流电压与开关动作波形的仿真结果；38.图5为现有技术故障结束时直流电压与开关动作波形的仿真结果；39.图6为电压与电流变化的仿真结果；40.图7为本技术中故障结束时直流电压与开关动作波形的仿真结果。具体实施方式41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。42.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。43.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。44.如图1所示：一种可控避雷器装置，包括：45.并联设置在直流母线与中性线之间的避雷器的固定部分moa1和避雷器的可控部分moa2，固定部分moa1和可控部分moa2串联设置；46.开关组件，开关组件并联设置在可控部分moa2的两端，且包括开关，通过控制开关可控制可控部分moa2的短接；47.稳压元件，稳压元件与固定部分moa1和可控部分moa2串联；48.其中，当系统中过电压时，开关对可控部分moa2进行短路，固定部分moa1对盈余功率进行消耗。49.当系统发生故障后，系统中直流电压、电流和功率变化如图2所示，图2中虚线2.5s处为故障开始时间点。50.通过在直流母线和中性线之间并联固定部分moa1和可控部分moa2，将固定部分moa1和可控部分moa2串联设置，且在可控部分moa2上并联开关组件，开关组件对可控部分moa2两端的通路或短路进行控制，当系统中过电压时，开关闭合，对可控部分moa2进行短路，固定部分moa1对系统中的盈余功率进行消耗，通过串联设置了稳压元件后，限制电压与电流的波动，降低电气量变化的程度，进而减少开关动作次数，在故障清除后，由于稳压元件限制了电压的上升，给开关一定的关断时间，保证了交流故障穿越的成功。实现了开关寿命的大幅提高，减少冲击电压和电流，增加系统内部元件的寿命，当故障消除后，系统能够快速恢复，保证交流故障穿越成功。51.在本实施例中，固定部分moa1和可控部分moa2分别并联设置一分压电阻，两个分压电阻的比值接近于固定部分moa1和可控部分moa2的电阻的比值。52.作为上述实施例的优选，固定部分moa1和可控部分moa2为非线性电阻元件，固定部分moa1和可控部分moa2的电阻随电压的增加快速减小。53.其中，固定部分moa1和可控部分moa2为氧化锌避雷器。54.氧化锌避雷器具有响应快、伏安特性平坦、性能稳定、通流容量大、残压低、寿命长、结构简单等优点。55.作为上述实施例的优选，氧化锌避雷器包括多个串联的电阻片，多个电阻片构成单柱结构，固定部分moa1和可控部分moa2包括若干并联的氧化锌避雷器柱。56.氧化锌的电阻片具有即为优越的非线性特征，正常工作电压下其电阻值很高，相当于一个绝缘体，而在过电压作用下，电阻片的电阻很小，残压很低。57.在本实施例中，稳压元件包括平波电抗器l，由于平波电抗器l的限幅特性，能够有效的限制电压与电流的波动，降低电气量变化的程度，进而减少开关动作次数。58.作为上述实施例的优选，稳压元件串联设置于靠近直流母线的一端。59.在本实施例中，开关包括触发开关k0、快速机械开关k1和旁路开关k2，触发开关k0、快速机械开关k1和旁路开关k2分别与可控部分moa2并联，触发开关k0、快速机械开关k1和旁路开关k2中的任意一个或多个闭合时，可控部分moa2两端被短路。60.作为上述实施例的优选，触发开关k0、快速机械开关k1和旁路开关k2在系统过电压时，响应闭合时间逐渐增加。61.在系统过电压时，触发开关k0、快速机械开关k1和旁路开关k2同时开始闭合，且触发开关k0首先完成导通，故障电流流经固定部分moa1与触发开关k0支路。62.在触发开关k0导通5ms后，快速机械开关k1完成合闸，流经触发开关k0的电流向快速机械触发开关k0转移，故障电流流经固定部分moa1与触发开关k0和快速机械开关k1。63.触发开关k0导通25ms后，旁路开关k2完成合闸，电流向旁路开关k2转移，此时电流流经固定部分moa1、触发开关k0、快速机械开关k1和旁路开关k2。64.在此过程中，由于可控部分moa2被开关短路，电压击穿固定部分moa1，盈余功率均由固定部分moa1吸收。65.当故障结束后，触发开关k0、快速机械开关k1和旁路开关k2依次断开，可控避雷装置退出运行。66.如图3所示，本实施例中还包括一种可控避雷器控制方法，包括如下步骤：67.检测vsc直流侧电压；68.当vsc直流侧电压超出设定阈值时，判断发生过电压故障，可控避雷器开始动作；69.将开关闭合，使可控部分moa2两端短路；70.触发开关k0首先完成导通，故障电流流经固定部分moa1与触发开关k0支路。71.在触发开关k0导通5ms后，快速机械开关k1完成合闸，流经触发开关k0的电流向快速机械触发开关k0转移，故障电流流经固定部分moa1与触发开关k0和快速机械开关k1。72.触发开关k0导通25ms后，旁路开关k2完成合闸，电流向旁路开关k2转移，此时电流流经固定部分moa1、触发开关k0、快速机械开关k1和旁路开关k2。73.在此过程中，由于可控部分moa2被开关短路，电压击穿固定部分moa1，盈余功率均由固定部分moa1吸收。74.当直流侧电压下降，将开关断开，触发开关k0、快速机械开关k1和旁路开关k2依次断开，可控避雷器退出运行；75.检测系统电压是否升高并超出阈值；76.若系统电压超出阈值，则判断故障未消除，可控避雷器重复开始动作；77.若系统电压未超出阈值，则判断故障消除，系统恢复运行，完成交流故障穿越。78.如图4所示，如果不设置平波电抗器l，当系统电压超出阈值，即440kv时，开关闭合，固定部分moa1的电压按照自身的u-i曲线，升高超出基准电压1.958倍，固定部分moa1的电阻减小，处于被击穿状态，流过固定部分moa1的电流迅速升高，此时可控避雷器开始消耗盈余功率，系统电压下降。当电压小于阈值时，开关断开，固定部分moa1和可控部分moa2依旧处于击穿状态，流过固定部分moa1的电流同样流过可控部分moa2，系统电压再次上升，继续超出阈值，开关再一次闭合，如此循环往复。79.如图5所示，当故障消失后，为成功恢复系统运行，最终强制利用旁路开关关断电流，将避雷器恢复为高阻状态，由于电压上升程度高，开关依旧动作，功率从lcc送端继续向可控避雷器传输，导致固定部分moa1过压，继续处于击穿状态，将换流站短路，无法恢复正常运行，故障穿越不成功，在此过程中，虽然故障结束，但是开关还在不断动作，大大增加了开关的动作次数，因此开关寿命大幅降低。80.由于系统电压的变化是根据避雷器的u-i曲线，如下表所示，基准电压为180.8kv，故障时，避雷器一直处于击穿状态，属于表中10至11之间的曲线，可近似为一次函数，根据该曲线的变化确定电感值的大小，具体值由公式确定。[0081][0082]如图6所示，在一个时间步长内，电压由390kv变化到450kv，电流的变化量为0.238ka，最后计算得到的电感值为0.082h至0.0945h。[0083]如图7所示，根据该电感值范围，取值0.09h在pscad中进行仿真验证，在添加平波电抗器l后，电抗器的限幅特性限制电压与电流的波动，降低电气量变化的程度，进而减少开关动作次数，在故障清除后，由于平波电抗器l限制了电压的上升，给开关一定的关断时间，保证了交流故障穿越的成功。由于不再需要旁路开关强行进行关断，但依旧需要其进行分流，易于剩余开关关断，故可减少旁路开关关断的延迟时间，实际中可根据技术程度选取旁路开关最快动作时间，本仿真中选取10ms进行仿真，根据仿真显示，在2.5s至3s的故障时刻中，现有技术中开关共动作4809次，而本技术中方案，开关共动作1873次，效果显著。[0084]vsc直流侧额定工作电压为400kv，故障时，电压可升至500kv，由于平波电抗器安装于消能装置中，考虑平波电抗器型号的选取，以额定电压为准，选取额定工作电压为400kv型号的平波电抗器。故障时，避雷器电阻降低，流过避雷器与电抗器的电流增大，且电流是快速变化的，快速变化的电流产生变化的磁场，从而在磁芯上产生环形电场。根据公式q＝i2r，环形电场在磁芯材料的电阻上产生大量热能，导致电感温升过高，而电感是正反馈器件，温度越高，电感越小，严重影响平波效果。通过调研，内部芯柱部分紧固件可采用无磁性材料，确保有着较低的温升。[0085]本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。









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