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Title:
OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE AND PROTECTION METHOD FOR ALTERNATING CURRENT SIDE OF FLEXIBLE DIRECT CURRENT TRANSMISSION SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/166130
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to an overvoltage protection device and protection method for an alternating current side of a flexible direct current transmission system. The protection device is connected to both ends of a grounding resistor at a valve side of a converter transformer in parallel, and is used for conducting an action to draw away fault current when the direct current line (8) is overvoltage because an alternating current line I (4) or a direct current line (8) has failed or when a valve base controller detects that the alternating current line I (4) has failed, thereby restraining the overvoltage level of the alternating current line I (4) and protecting a valve body (9) of a converter valve. The protection device proposed in the present invention has rapid action, strong through-flow energy and large absorbed energy, and can quickly protect the valve body without the need for a control protection device with complicated structure and function. The protection device has a simple structure and low costs, and is easy to realize, reduces the insulation costs of the alternating current line and the converter valve, ensures the security of the alternating current line and the converter valve device, improves the fault-resistant capability of a converter station and ensures the safe and stable operation of the flexible direct current transmission system.

Inventors:
JING PING (CN)
QIU YUFENG (CN)
ZHOU FEI (CN)
LU ZHENGANG (CN)
Application Number:
CN2013/074826
Publication Date:
October 16, 2014
Filing Date:
April 26, 2013
Export Citation:
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Assignee:
STATE GRID CORP CHINA (CN)
STATE GRID SMART GRID RES INST (CN)
International Classes:
H02H9/06
Domestic Patent References:
WO2012116738A12012-09-07
Foreign References:
CN102354969A2012-02-15
CN202503433U2012-10-24
CN2907023Y2007-05-30
CN102130441A2011-07-20
Attorney, Agent or Firm:
AMBOYNA INTELLECTUAL PROPERTY AGENT LTD. (CN)
北京安博达知识产权代理有限公司 (CN)
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Claims:
权利要求

1、 一种用于柔性直流输电系统交流侧过电压保护装置, 所述保护装置包含在柔性 直流换流站(1 ), 包括在交流线路 I (4)与直流线路(8)间切换的柔性直流换流阀(5), 所述交流线路 I (4)与交流线路 II (2)之间设有换流变压器(3), 所述换流变压器(3) 在交流线路 I (4) 阀侧为星型连接, 其中性点通过接地电阻 (6) 接地; 所述换流变压 器 (3) 在交流线路 II (2) 网侧为三角型或星型连接;

其特征在于, 所述保护装置 (7), 并联于换流变压器 (3) 的接地电阻 (6) 两端, 用于在交流线路 I (4) 或直流线路(8)发生故障导致交流线路(8)过电压或当阀基控 制器检测到交流线路 I (4) 发生短路故障时, 进行动作引开故障电流, 抑制交流线路 I (4) 过电压水平, 保护换流阀阀体 (9)。

2、 如权利要求 1所述的交流侧过电压保护装置, 其特征在于所述保护装置 (7)采 用如火花间隙的导通元件; 所述火花间隙接地。

3、 如权利要求 1所述的交流侧过电压保护装置, 其特征在于, 所述换流阀 (5) 为 三相六桥臂结构; 每个桥臂均由换流阀阀体 (9) 组成; 所述换流阀阀体 (9)采用半导 体开关元件实现, 包括可关断的半导体器件以及与其反并联的二极管。

4、 一种用于柔性直流输电系统交流侧过电压保护方法, 其特征在于, 所述方法用 的保护装置 (7 ) 并联于换流变压器 (3) 的接地电阻 (6) 两端; 所述方法包括下述步 骤:

A、 检测交流线路是否发生故障, 所述故障包括交流线路 I (4) 单相、 两相接地故 障、 直流线路 (8) 单极接地故障和双极短路故障;

B、 当发生交流线路 I (4) 单相接地故障或直流线路单极接地故障时, 火花间隙两 端电压升高至击穿电压, 将火花间隙击穿;

或当控制装置检测到交流线路短路故障时, 所述控制装置向续流间隙发送触发命 令, 强制触发续流间隙, 将火花间隙击穿;

火花间隙击穿后将故障电流引至大地;

C、 火花间隙击穿后, 向控制装置发送返回状态信息, 并向换流阀 (5)下发闭锁信 号, 实现保护换流阀阀体 (9)。

5、 根据权利要求 1所述的交流侧过电压保护方法, 其特征在于, 检测到交流线路 1(4)电压过压的保护配置方法为交流线路 I (4) 电压超过预先设定值, 且持续时间也达 到预先设定值, 则保装置立即导通, 同时阀基控制器立即闭锁换流器的触发脉冲。

6、 根据权利要求 1所述的交流侧过电压保护方法, 其特征在于, 预设的自击穿电 压大小在交流线路 I (4)电压未过压时未被击穿, 在交流线路 1 (4)电压过压时被击穿, 其该自击穿电压大小通过理论计算、 计算机仿真或试验确定。

7、 根据权利要求 1所述的交流侧过电压保护方法, 其特征在于, 击穿时放电电流 大小通过理论计算、 计算机仿真或试验确定。

8、 根据权利要求 1所述的交流侧过电压保护方法, 其特征在于, 击穿时吸收能量 大小通过理论计算、 计算机仿真或试验确定。

Description:
用于柔性直流输电系统交流侧过电压保护装置 及保护方法 技术领域

本发明涉及柔性直流输电系统领域,具体涉及 一种用于柔性直流输电系统交流侧过 电压保护装置及保护方法。 背景技术

柔性直流输电是一种新型的高压直流输电技术 , 其通过电压源型变流器, 在水电厂 或火电厂等电源处, 将传统交流电变为直流电, 通过架空线或电缆等传输线, 将电力送 至远方负荷处。 与传统高压直流输电相比, 具有可控性强, 潮流反转容易, 无需无功补 偿等优点。

柔性直流输电系统由三部分组成, 包括位于电源和负荷处的两个换流站, 及连接两 站的直流电缆或架空线, 其中核心设备是柔性直流换流阀, 其安全性需要通过保护系统 获得可靠的保证。

换流站中有一个可在交流线路 I及直流线路 8间切换的换流阀 5, 包括贯穿于交流 线路 I及直流线路 8间的功率半导体阀 9, 通过这样的功率半导体阀将电力参数在交流 和直流之间转换。 此外, 交流线路 I与交流线路 II之间有一个换流变压器 3, 它在交流 线路 I阀侧为星型接法, 其中性点通过电阻 6接地。

柔性直流换流站故障一般分为交流侧故障、 直流侧故障及换流阀故障三种, 交、 直 流侧故障保护由站控系统(由电压互感器、 电流互感器、 交直流侧滤波器保护、 变压器 保护等组件组成) 实现。

目前柔性直流换流站内直流保护系统主要通过 直流欠压、过压保护来判断直流系统 故障情况, 在换流站内部交流线路 I单相或直流线路 8发生单极接地短路故障时, 交流 线路 I的非故障相电压可能会提高到正常运行电压 1.5〜2倍,功率半导体阀 9可能会 承受过高的故障电压而损坏。

传统功率半导体阀 9 保护措施主要并联无间隙 MOV。 该保护方法通常将无间隙 MOV并联在功率半导体阀 9的两端, 利用 MOV的电压电流非线性特性, 将可能产生 过电压的能量通过 MOV消耗掉, 从而使被保护设备免受过压的冲击, 但该方法存在动 作参数难以整定、 能量应力过大、 导通无法控制等缺陷。 而其它传统线路保护装置如旁 路晶闸管开关存在结构复杂, 动作时间慢、 承受过电流能力低等缺点。 针对上述问题, 在换流变压器接地电阻上并联增加本发明的保 护装置可以有效降低交流线路过电压,避 免对换流阀阀体内部造成损害。

发明内容

针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一 种适用于柔性直流输电系统的交流侧 过电压保护装置及保护方法, 保护装置采用过压或强制击穿元件提高过电压 保护性能, 很好地解决了柔性直流输电系统故障引起的站 内交流线路过电压问题。

通常交流线路 I发生单相接地故障或直流线路发生单极接地 路故障时, 交流线路 I非故障相电压会升高。 根据预先定义的电压, 调整接地击穿间隙, 当电压小于设定击 穿电压时, 保护装置不导通, 输电系统可正常传送功率, 而一旦过电压达到设定值, 保 护装置被击穿, 产生电火花, 短路电流通过该间隙被导入大地, 抑制交流线路 I过电压, 避免换流阀阀体 9和交流线路 I因过电压而损坏。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的:

一种用于柔性直流输电系统交流侧过电压保护 装置,所述保护装置包含在柔性直流 换流站 1, 包括在交流线路 I与直流线路 8间切换的柔性直流换流阀 5, 所述交流线路 I 与交流线路 II之间设有换流变压器 3,所述换流变压器 3在交流线路 I阀侧为星型连接, 其中性点通过接地电阻 6接地;所述换流变压器 3在交流线路 II网侧为三角型或星型连 接;

其改进之处在于, 所述保护装置 7, 并联于换流变压器 3的接地电阻 6两端, 用于 在交流线路 I或直流线路 8发生故障导致交流线路 8过电压或当阀基控制器检测到交流 线路 I发生短路故障时, 进行动作引开故障电流, 抑制交流线路 I过电压水平, 保护换 流阀阀体 9。

优选的, 所述保护装置 7采用火花间隙的导通元件; 所述火花间隙接地。

优选的, 所述换流阀 5为三相六桥臂结构; 每个桥臂均由换流阀阀体 9组成; 所述 换流阀阀体 9采用半导体开关元件实现, 包括可关断的半导体器件 (如 IGBT、 IGET、

IGCT或 GTO) 以及与其反并联的二极管。

本发明基于另一目的提供的一种用于柔性直流 输电系统交流侧过电压保护方法,其 改进之处在于, 所述方法用的保护装置 7并联于换流变压器 3的接地电阻 6两端; 所述 方法包括下述步骤:

A、 检测交流线路是否发生故障, 所述故障包括交流线路 I单相、 两相接地故障、 直流线路 8单极接地故障和双极短路故障; B、 当发生交流线路 I单相接地故障或直流线路单极接地故障时, 火花间隙两端电 压升高至击穿电压, 将火花间隙击穿;

或当控制装置检测到交流线路短路故障时, 所述控制装置向续流间隙发送触发命 令, 强制触发续流间隙, 将火花间隙击穿;

火花间隙击穿后将故障电流引至大地;

C、火花间隙击穿后, 向控制装置发送返回状态信息, 并向换流阀 5下发闭锁信号, 实现保护换流阀阀体 9。

优选的, 检测到交流线路 I电压过压的保护配置方法为交流线路 I电压超过预先设 定值, 且持续时间也达到预先设定值, 则保装置立即导通, 同时阀基控制器立即闭锁换 流器的触发脉冲。

优选的, 预设的自击穿电压大小在交流线路 I电压未过压时未被击穿, 在交流线路 I电压过压时被击穿,其该自击穿电压大小( 击穿电压大小为 1.3-1.8倍线路额定电压) 通过理论计算、 计算机仿真或试验确定。

优选的, 击穿时放电电流大小(击穿时放电电流大小为 1.5-20线路额定电流)通过 理论计算、 计算机仿真或试验确定。

优选的, 击穿时吸收能量大小(击穿时吸收能量大小为 上述电压与电流的乘积在时 间上的积分) 通过理论计算、 计算机仿真或试验确定。 与现有技术比, 本发明达到的有益效果是:

1、 本发明提出的保护装置动作迅速, 通流能量强, 吸收能量大, 能快速保护阀体。

2、 本发明提出的无需结构和功能复杂的控制保护 装置。

3、 本发明提出的保护装置结构简单, 成本低, 易于实现。

4、 降低交流线路和换流阀绝缘成本;

5、 保障交流线路和换流阀设备安全;

6、 提高换流站抗故障能力;

7、 保障柔性直流输电系统安全稳定运行。

附图说明

图 1是用于柔性直流输电系统交流侧过电压保护 置示意图;

其中: 1-柔性直流换流站; 2-交流线路 II; 3-换流变压器; 4-交流线路 I; 5-换流阀; 6-电阻; 7-保护装置; 8-直流线路; 9-换流阀阀体。 具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一 步的详细举例说明。

本发明提供的用于柔性直流输电系统交流线路 I和换流阀过电压保护装置如图 1所 示, 保护装置包括在交流线路 I与直流线路 8间切换的换流阀 5, 所述交流线路 I与交 流线路 II之间设有换流变压器 3, 所述换流变压器 3在交流线路 I阀侧为星型连接, 其 中性点通过接地电阻 6接地;所述换流变压器 3在交流线路 II网侧为三角型或星型连接。

换流阀 5为三相六桥臂结构; 每个桥臂均由换流阀阀体 9组成; 所述换流阀阀体 9 采用半导体开关元件实现, 包括 IGBT以及与其反并联的二极管。 其结构形式包括但不 限于模块化多电平、 H桥链式、 IGBT串联。

所述保护装置 7并联换流变压器的中性点接地电阻 6两端上, 用于在交流线路 I、 直流线路故障导致过电压或当阀基控制器检测 到交流线路 I故障短路时, 进行动作引开 故障电流, 抑制交流线路 I过电压水平, 保护换流阀阀体 9。

保护装置 7采用火花间隙导通元件; 火花间隙接地。

本发明提供的采用的火花间隙的工作原理如下 :

当火花间隙因交流线路 I单相接地或直流线路单极接地故障使其电压 过自触发电 压时, 密封间隙自动触发。

或当换流阀控制保护装置检测到换流交流线路 1(4)短路故障时, 通过光纤或电缆发 出强制触发命令使其间隙强制导通, 使短路电流快速流过密封间隙。

预设的击穿电压大小需保证装置在交流线路电 压未过压时不会被击穿,而在交流线 路电压过压时会被击穿, 其大小的配置方法为通过理论计算、 计算机仿真或试验确定。 击穿时放电电流大小的配置方法为通过理论计 算、 计算机仿真或试验确定。 击穿时吸收 能量大小的配置方法为通过理论计算、 计算机仿真或试验确定。

(一)根据柔性直流短路故障理论计算、 计算机仿真、 试验确定火花间隙的击穿电 压、 短路电流、 吸收能量具体内容如下:

理论计算的过程为:将换流变压器网侧交流母 2等效为一个电压源 t/ s 和内阻抗 Z s 的串联,根据换流变压器 3变比 、并考虑变压器阀侧漏抗 X ,将电压源 t/ s 和内阻抗 折算至变压器阀侧。

等效到变压器阀侧的电源电动势为: U s2 = kU s ',

内阻为: Z s2 = k 2 Z s + X L ',

以正常运行时的变压器阀侧电压 ί/ ϊ2 。作为初始条件, 根据故障接地处直流线路 (或 交流线路 II单相)电压为 0的特点, 建立反映交流母线非故障相的电压在接地故障 过程 的数学表达式, 根据初始条件和表达式计算得站内交流母线的 故障电压表达式;

故障后交流母线非故障相电压 (0为换流变压器阀侧初始电压 t/ s2 。、线路阻抗 z s2 和接地阻抗 2„的函数: αοι (0 = ^Ρ([/ χ2 。,Ζ χ2 ,Ζ„,0 ; 表示时间。 根据各相电压确定火花间隙的击穿电压,确保 该击穿电压高于正常运行时站内交流 线路电压峰值(优选的为 1.2倍), 低于故障时交流母线电压的最大值。 结合火花间隙的 数学模型, 可计算得在故障电压作用下火花间隙的放电电 流、 吸收能量。

计算机仿真的过程为: 在计算机仿真软件中建立包含等值系统、 变压器、 站内直流 线路、 换流阀和接地故障的仿真模型, 通过不同时刻的单相、 两相接地故障仿真, 得到 故障时站内交流母线非故障相电压的幅值。 根据该电压确定火花间隙的击穿电压, 确保 该击穿电压高于正常运行时站内交流母线电压 (优选的为 1.2倍),低于故障时交流电压 的最大值。 在仿真软件中建立火花间隙的模型, 根据故障时火花间隙流过的最大电流, 确定火花间隙允许的最大电流。根据最高击穿 电压和允许最大电流确定火花间隙需要吸 收的能量。

(二)根据击穿电压确定火花间隙的间隔距离 击穿电压 U是气体压力 Ρ以及两电 极间距离 d和绝对温度 T的函数: U=f (pd/T)。

(三)将火花间隙并联一端安装于换流变压器 侧中性点接地电阻 6上, 另一端接 地;

(四) 如附图 1当发生交流线路 I单相、 两相接地或直流线路单极接地故障时, 火 花间隙两端电压升高至击穿电压,从而将火花 间隙击穿;或当交流线路发生短路故障时, 电压测量装置或保护装置监测火花间隙两端电 压, 触发火花间隙, 通过触发间隙强制触 发续流间隙, 将火花间隙击穿。

(五)短路故障电流从火花间隙中流过, 抑制了站内交流线路过电压水平, 避免了 换流阀阀体的过压;

(六)火花间隙击穿后, 向控制保护装置返回状态信息, 控制保护装置检测到火花 间隙击穿的同时, 向换流阀下发闭锁信号。

本发明还涉及一种用于交流线路故障的换流阀 保护方法, 所述方法用的保护装置 7 并联于换流变压器阀侧中性点接地电阻 6两端; 所述方法包括下述步骤:

A、 检测保护装置是否发生故障, 所述故障包括交流线路 I单相接地 10、 直流线路 单极接地故障 10和双极短路故障; B、 当发生交流线路 I单相接地或直流线路单极接地故障时, 火花间隙两端电压升 高至击穿电压, 击穿火花间隙;

所述步骤 B中, 当发生交流线路单极接地故障时, 即火花间隙的电压超过其自触发 电压, 火花间隙自动触发。

或当发生交流线路短路故障时, 所述保护装置向火花间隙发送触发命令, 强制触发 续流间隙, 将火花间隙击穿;

C、火花间隙击穿后, 向控制装置发送返回状态信息, 并向换流阀 5下发闭锁信号, 实现保护换流阀阀体 9。

最后应当说明的是: 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非 对其限制, 尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明, 所属领域的普通技术人员应当理解: 依然可以 对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替 换,而未脱离本发明精神和范围的任何修 改或者等同替换, 其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。