高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量裝置及方法和應用
【專利摘要】本發明涉及一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量裝置及其測量方法和應用。該測量裝置包括精密電流傳感器，高精度模數轉換器，自動頻率校準單元和定位導航單元。通過該裝置采用本發明方法測量電流，實現對并聯避雷器中單支避雷器動作電流的高精度采樣，并且，基于定位導航單元實現自動頻率校準，保證了各支避雷器電流的測量同步。
【專利說明】
高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量裝 置及方法和應用
技術領域
[0001] 本發明屬于電子技術領域，具體設及一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷 器動作電流的及其測量方法和應用。
【背景技術】
[0002] 直流轉換開關是高壓/特高壓直流工程直流場的關鍵設備，主要用于直流輸電系 統各種運行方式的轉換，接地系統的轉換、故障處理等。由于直流電流的開斷不像交流電流 那樣可W利用交流電流的過零點，因此開斷直流電流必須強迫過零。但是，直流電流強迫過 零時，由于直流系統存儲著巨大的能量需要釋放出來，而釋放出的能量又會在回路上產生 過電壓，引起斷路器斷口間的電弧重燃，W致造成開斷失敗。
[0003] 直流開關并聯避雷器的設計目的就是用于吸收直流回路中儲存的能量。直流開關 并聯避雷器一般采用金屬氧化物避雷器，同時由于需要吸收的能量很大且持續時間較長， 單支避雷器的熱容量無法滿足，一般采用多支相同特性的避雷器并聯的方式。而當采用多 支避雷器并聯時，不能隨意使用同樣額定參數的避雷器直接并聯，并聯的避雷器必須具有 完全一致的特性，通常采用同一配方甚至同一爐燒制的忍片，并進行特性測試和匹配，運樣 可W保證避雷器動作時各支避雷器分攤的電流比較平均，也不會導致避雷器被擊穿（熱崩 潰)。
[0004] 跟交流避雷器類似，每年在換流站檢修期間，都會通過測量直流開關并聯避雷器 ImA條件下的直流參考電壓和0.75倍該電壓下的泄漏電流來判斷避雷器的狀態。由于避雷 器安裝于離地面至少上的構架上，安裝排布比較密集，試驗引線連接難度較大，且室外 避雷器高壓試驗受天氣等客觀因素影響較大。因此，運種測試方法一方面難度大、復雜度 高，另一方面該測試結果對于并聯避雷器一致性的檢查來說并無實際意義，即使試驗數據 正常也無法確定該支避雷器與其他避雷器特性一致。為了準確測量各支避雷器的一致性， 需要將多支避雷器同時施加標準波形，幅值接近保護殘壓的沖擊電壓，測量出流過多支并 聯避雷器的電流波形，要求差異在設計允許的范圍內。而運個實驗在現有條件下是現場無 法進行的。
[0005] 由于直流開關并聯避雷器的設計目的是為了吸收直流開關斷開時直流回路中儲 存的能量，因此，在每次換流站進行單級大地/金屬回路轉換操作的時都會發生直流開關并 聯避雷器動作的情況。雖然每年換流站會有少則幾次或多則幾十次的單級大地/金屬回路 轉換操作，但是僅僅依靠檢修期間的現場試驗無法準確獲得避雷器特性變化。因此，如何開 發一種全面準確掌握避雷器特性變化的避雷器動作電流的測量方法及其裝置成為亟待解 決的問題。
【發明內容】
[0006] 鑒于上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的是提供一種高壓/特高壓換流站直 流轉換開關避雷器動作電流的及其測量方法和應用，主要解決了高壓/特高壓換流站直流 轉換開關避雷器在操作過電壓下的動作電流測量問題，從而可W獲得直流轉換開關避雷器 每次動作時的電流，進而分析每支避雷器的特性及其變化趨勢。為實現前述發明目的，本發 明采用的技術方案包括：
[0007] -種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量裝置，包括精密電 流傳感器，高精度模數轉換器，自動頻率校準單元和定位導航單元。其中，精密電流傳感器， 用于對避雷器電流采樣或對避雷器頂端連線各支路電流采樣，高精度模數轉換器，與所述 電流傳感器連接，用于對電流傳感器采集的信號進行采樣，自動頻率校準單元，與所述高精 度模數轉換器連接，用于精確同步各采樣點電流，定位導航單元，向所述高精度模數轉換器 和所述自動頻率校準單元分別發射脈沖信號。
[0008] 本發明高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量裝置，進一步地， 所述自動頻率校準單元包括晶體振蕩器、高頻計數器、誤差計算單元和數模轉換器，其中， 所述晶體振蕩器輸入端與所述高頻計數器連接、輸出端與所述數模轉換器連接，所述高頻 計數器的輸出端與誤差計算單元的輸入端連接，所述誤差計算單元的輸出端與模數轉換器 的輸入端連接。
[0009] 本發明測量裝置進一步地，所述晶體振蕩器輸入端連接至所述高精度模數轉換器 的輸入端，所述誤差計算單元接收所述定位導航單元的脈沖信號。
[0010] 本發明測量裝置更進一步地，所述精密電流傳感器包括高精度羅氏線圈或高精度 霍爾互感器。
[0011] 本發明測量裝置更進一步地，所述定位導航單元包括全球定位系統或北斗衛星導 航系統。
[0012] 本發明還包括上述測量裝置的應用，設及一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關 避雷器動作電流的測量系統，該測量系統包括若干避雷器，還包括若干測量裝置，所述避雷 器并聯連接，每個避雷器的電流進入端相對應設置至少一個測量裝置。
[0013] 本發明測量系統進一步地，每個所述測量裝置包括定位導航單元，高精度模數轉 換器，及分別與所述高精度模數轉換器連接的精密電流傳感器和自動頻率校準單元，其中， 所述定位導航單元向所述高精度模數轉換器和所述自動頻率校準單元分別發射脈沖信號。
[0014] 此外，本發明還包括一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測 量方法，具體為下述步驟：
[0015] 若干精密電流傳感器接收相應采集點的電流信號；
[0016] 對應的高精度模數轉換器對電流傳感器接收的電流信號進行采樣；
[0017] 對高精度模數轉換器采樣信號進行校準：當定位導航單元的脈沖信號發射至誤差 計算單元時，誤差計算單元讀取高頻計數器計數值，所述計數值與晶體振蕩器理想數值相 減得當前頻偏，累加多段秒沖區間的當前頻偏得到平均頻偏，
[0018] 平均頻偏小于目標值時，則判定自動頻率校準單元收斂，流程結束，平均頻偏大于 目標值時，晶體振蕩器斜率表計算出當前控制電壓并設置數模轉換器，流程重新開始，直到 平均頻偏小于或等于目標值，由此控制晶體振蕩器的頻率保持在一定范圍內；
[0019] 高精度模數轉換器將校準后的信號轉換成輸出數據，即可測得采集點的電流。
[0020] 本發明測量方法進一步地，對高精度模數轉換器采樣信號進行校準的流程，間隔 預設時間執行一次。
[0021] 本發明測量方法進一步地，高精度模數轉換器采樣的數據先存放在緩沖區域再進 行校準。
[0022] 借由上述方案，通過該裝置采用本發明方法測量電流，本發明至少具有W下優點：
[0023] (1)利用精密電流傳感器和高精度模數轉換器，實現對并聯避雷器中單支避雷器動 作電流的高精度采樣。
[0024] 間基于定位導航單元，包括全球定位系統或北斗衛星導航系統，可實現自動頻率 校準，保證了各支避雷器電流的測量同步，基于運些精確同步采樣的電流數據，可W計算出 并聯避雷器組的電流不均勻系數W及動作電流的互相關和自相關值。
[0025] 間由于本發明及時掌握每支避雷器特性的變化，合理安排直流轉換開關避雷器的 檢修周期，不僅縮短了換流站的檢修時間，而且可W及時發現并更換避雷器組中特性蟻化 的避雷器，避免避雷器被擊穿，進而保證特高壓換流站的安全高效運行。
[0026] 上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段， 并可依照說明書的內容予W實施，W下W本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發明測量裝置的結構示意圖；
[0028] 圖2是本發明測量裝置中自動頻率校準單元結構示意圖；
[0029] 圖3是本發明直接測量時測量裝置安裝及避雷器電流示意圖；
[0030] 圖4是本發明間接測量時測量裝置安裝及避雷器電流計算示意圖；
[0031 ]圖5是換流站單級金屬轉大地操作GRTS斷開并聯避雷器的動作電流波形圖；
[0032] 圖6是換流站單級金屬轉大地操作GRTS斷開時避雷器動作電流的互相關分析圖 表；
[0033] 圖7是換流站單級金屬轉大地操作GRTS斷開時避雷器動作電流的自相關分析圖 表。
[0034] 圖中各附圖表記的含義如下。
[0035] 1測量裝置 2避雷器
[0036] 101精密電流傳感器 102高精度模數轉換器
[0037] 103自動頻率校準單元104定位導航單元
[0038] 201晶體振蕩器 202高頻計數器
[0039] 203數模轉換器 204誤差計算單元
【具體實施方式】
[0040] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例，不用 來限制本發明的范圍。基于本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動 前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0041 ]【實施例1】高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量裝置
[0042]傳統測量避雷器電流的方式，只能通過分析每一次并聯避雷器的動作波形才能夠 全面準確的掌握避雷器特性的變化。本發明本實施例中采用高精度同步采樣方案。如圖I所 示，本發明高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量裝置，包括精密電流傳 感器101，高精度模數轉換器102,自動頻率校準單元103和定位導航單元104。其中，精密電 流傳感器101，用于對避雷器電流采樣或對避雷器頂端連線各支路電流采樣，高精度模數轉 換器102,與所述電流傳感器101連接，用于對電流傳感器101采集的信號進行采樣，自動頻 率校準單元103,與所述高精度模數轉換器102連接，用于精確同步各采樣點電流，定位導航 單元104,向所述高精度模數轉換器102和所述自動頻率校準單元103分別發射脈沖信號。
[0043] 應當說明的是，上述高精度模數轉換器102是一個16位的模數轉換器，它完成對電 流傳感器采集信號的高精度采樣，采樣的數據會存放在緩沖器中供后續分析。具體地，所述 晶體振蕩器201輸入端連接至所述高精度模數轉換器102的輸入端，所述誤差計算單元204 接收所述定位導航單元的脈沖信號。
[0044] 作為一種優選實施方案，所述自動頻率校準單元103包括晶體振蕩器201、高頻計 數器202、誤差計算單元204和數模轉換器203,其中，所述晶體振蕩器201輸入端與所述高頻 計數器202連接、輸出端與所述數模轉換器203連接，所述高頻計數器202的輸出端與誤差計 算單元204的輸入端連接，所述誤差計算單元204的輸出端與模數轉換器102的輸入端連接。
[0045] 應當說明的是，所述定位導航單元包括全球定位系統或北斗衛星導航系統。上述 自動頻率校準單元103W定位導航單元104的連續的兩個秒脈沖信號的間隔(如1秒鐘)為計 數基準，然后將各個測量點的晶體振蕩器的頻率收斂到所需要的精度范圍。該全球定位系 統或北斗衛星導航系統上電之后就會輸出一個精確的秒脈沖信號，該秒脈沖信號會輸入到 自動頻率校準單元103,作為時間基準。由于上述設置，該秒脈沖是一個寬度約為1毫秒周期 為1秒的高電平有效地脈沖信號。
[0046] 應當說明的是，所述精密電流傳感器101包括高精度羅氏線圈或高精度霍爾互感 器。羅氏線圈又稱微分電流傳感器，是一個均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環形線圈，輸出信 號是電流對時間的微分，通過一個對輸出的電壓信號進行積分的電路，就可W真實還原輸 入電流。而霍爾互感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器，它采用霍爾半導體片在通 電導線產生的磁場作用下會產生電位差的原理來測量導線中流過的電流信號。
[0047] 【實施例2】高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量系統
[0048] 如圖3和圖4所示，為本發明測量裝置的應用，其高壓/特高壓換流站直流轉換開關 避雷器動作電流的測量系統包括若干避雷器2,還包括若干測量裝置1，所述避雷器2并聯連 接，每個避雷器2的電流進入端相對應設置至少一個測量裝置1。優選地，每個所述測量裝置 1包括定位導航單元104,高精度模數轉換器102,及分別與所述高精度模數轉換器102連接 的精密電流傳感器101和自動頻率校準單元103,其中，所述定位導航單元104向所述高精度 模數轉換器102和所述自動頻率校準單元103分別發射脈沖信號。
[0049] 【實施例3】高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量方法
[0050] 如圖2所示，一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量方法， 包括下述步驟：
[0051] 若干精密電流傳感器101接收相應采集點的電流信號。
[0052] 對應的高精度模數轉換器102對電流傳感器101接收的電流信號進行采樣。
[0053] 對高精度模數轉換器102采樣信號進行校準：當定位導航單元104的脈沖信號發射 至誤差計算單元204時，誤差計算單元204讀取高頻計數器202計數值，所述計數值與晶體振 蕩器201理想數值相減得當前頻偏，累加多段秒沖區間的當前頻偏得到平均頻偏，該步驟中 高精度模數轉換器102采樣的數據可存放在緩沖區域再進行校準。
[0054] 為了防止程序處理延遲等因素引入不合理的頻偏，篩選口限W內的頻偏值作為有 效頻偏，n限是實驗所得晶體振蕩器頻率所能偏離的最大值。
[0055] 為得到精確的頻偏值，累加多段秒脈沖區間的有效頻偏并平均，W平均頻偏作為 后續判斷自動頻率校準單元103收斂的依據。
[0056] 平均頻偏小于目標值時，則判定自動頻率校準單元103收斂，流程結束，平均頻偏 大于目標值時，晶體振蕩器201斜率表計算出當前控制電壓并設置數模轉換器203,流程重 新開始，直到平均頻偏小于或等于目標值，由此控制晶體振蕩器201的頻率保持在一定范圍 內。
[0057] W上自動頻率控制流程每隔一段時間執行一次，即對高精度模數轉換器102采樣 信號進行校準的流程，間隔預設時間執行一次，W保證晶體振蕩器201的頻率始終保持在理 想范圍內。
[005引經過自動頻率校準單元103控制的晶體振蕩器控制高精度模數轉換器102實現采 樣，保證了各點采樣的精確同步。
[0059] 高精度模數轉換器102將校準后的信號轉換成輸出數據，即可測得采集點的電流。
[0060] 如圖3所示，為本實施例的針對存在直接測量條件的情形下，測量裝置1的安裝及 避雷器電流示意圖。
[0061] 如果每支避雷器2的頂端或底部存在足夠的空間來安裝測量裝置，每個測量點所 獲得的電流即對應該支避雷器的動作電流。
[0062] 如圖4所示，為本實施例的針對無直接測量點的情形，采用間接測量方法時測量裝 置1安裝及避雷器2電流計算示意圖。
[0063] 按照避雷器頂端接線拓撲結構，可W將測量裝置安裝在避雷器組入線、及各個支 路上。根據基爾霍夫定律，每支避雷器的電流可W根據它所連接的支路的輸入、輸出電流計 算得到
[0064]
[00化] 共中切1，切2，切3，切4，切5，切6，切7，切8叫尸幾巧測至的尷酉搞的電；^。[11]丄1，12，13，14， Is，16，17，18是避雷器組入線和各個分支線上的電流。
[0066] 由于上述測量系統中各個測量點的電流能夠精確同步，因此保證了經過計算得出 的各支避雷器電流的精度符合要求。
[0067] 如圖5所示，為本實施例實際測量得到的某換流站單級金屬轉大地操作斷開大地 回線開關(GRTS)時避雷器動作電流。
[0068] 該并聯避雷器由3支避雷器2組成，可W看出流過每支避雷器2的電流基本相同。
[0069] 如圖6所示，為本實施例根據某換流站四次單級金屬轉大地操作斷開大地回線開 關(GRTS)時避雷器動作電流計算的互相關圖表。
[0070] 如圖7為本實施例根據某換流站四次單級金屬轉大地操作斷開大地回線開關 (GRTS)時避雷器動作電流計算的自相關值圖表。
[0071] 該GRTS并聯避雷器組有3支避雷器2組成，圖中分別給出了四次操作時3支避雷器 動作電流的互相關值和四次操作之間的避雷器動作電流的自相關值，可W看出相關值都在 0.99W上，說明在同一時刻3支避雷器流過的電流是非常均衡的，另外不同時刻同一避雷器 流過電流也基本一致，避雷器特性完全正常。
[0072] 在現場實驗條件下，如施加標準波形，幅值接近保護殘壓的沖擊電壓，或者在每次 能夠產生過電壓的操作，如單極大地回線方式轉金屬回線方式的過程中，使用精密電流傳 感器101完成對避雷器2電流直接采樣或者避雷器2頂端連線各支路的電流采樣，通過自動 頻率校準單元103實現各點采樣電流的精確同步，基于運些精確同步的電流來直接獲得或 者計算出每支避雷器的電流。
[0073] 因此，本發明利用精密電流傳感器和高精度模數轉換器，實現對并聯避雷器中單 支避雷器動作電流的高精度采樣。且本發明基于定位導航單元，包括全球定位系統或北斗 衛星導航系統，可實現自動頻率校準，保證了各支避雷器電流的測量同步，基于運些精確同 步采樣的電流數據，可W計算出并聯避雷器組的電流不均勻系數W及動作電流的互相關和 自相關值。由于本發明及時掌握每支避雷器特性的變化，合理安排直流轉換開關避雷器的 檢修周期，不僅縮短了換流站的檢修時間，而且可W及時發現并更換避雷器組中特性蟻化 的避雷器，避免避雷器被擊穿，進而保證特高壓換流站的安全高效運行。本發明尚有多種實 施方式，凡采用等同變換或者等效變換而形成的所有技術方案，均落在本發明的保護范圍 之內。
【主權項】
1. 一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量裝置，其特征在于包 括： 精密電流傳感器(101 )，用于對避雷器電流采樣或對避雷器頂端連線各支路電流采樣， 高精度模數轉換器（102)，與所述電流傳感器（101)連接，用于對電流傳感器（101)采集 的信號進行采樣， 自動頻率校準單元（103)，與所述高精度模數轉換器（102)連接，用于精確同步各采樣 點電流， 定位導航單元（104)，向所述高精度模數轉換器（102)和所述自動頻率校準單元（103) 分別發射脈沖信號。2. 根據權利要求1所述的一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測 量裝置，其特征在于：所述自動頻率校準單元（103)包括晶體振蕩器（201)、高頻計數器 (202) 、誤差計算單元(204)和數模轉換器(203)， 所述晶體振蕩器(201)輸入端與所述高頻計數器(202)連接、輸出端與所述數模轉換器 (203) 連接，所述高頻計數器(202)的輸出端與誤差計算單元(204)的輸入端連接，所述誤差 計算單元(204)的輸出端與模數轉換器(102)的輸入端連接。3. 根據權利要求2所述的一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測 量裝置，其特征在于:所述晶體振蕩器(201)輸入端連接至所述高精度模數轉換器（102)的 輸入端，所述誤差計算單元(204)接收所述定位導航單元的脈沖信號。4. 根據權利要求1所述的一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測 量裝置，其特征在于:所述精密電流傳感器（101)包括高精度羅氏線圈或高精度霍爾互感 器。5. 根據權利要求1所述的一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測 量裝置，其特征在于:所述定位導航單元包括全球定位系統或北斗衛星導航系統。6. -種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量系統，包括若干避雷 器(2 )，其特征在于:還包括若干測量裝置（1 )，所述避雷器(2)并聯連接，每個避雷器(2)的 電流進入端相對應設置至少一個測量裝置(1)。7. 根據權利要求6所述的一種直接測量系統，其特征在于:每個所述測量裝置（1)包括 定位導航單元（104)，高精度模數轉換器（102)，及分別與所述高精度模數轉換器（102)連接 的精密電流傳感器（101)和自動頻率校準單元（103)，其中，所述定位導航單元（104)向所述 高精度模數轉換器(102)和所述自動頻率校準單元(103)分別發射脈沖信號。8. -種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測量方法，其特征在于包 括下述步驟： 收集若干采集點的電流信號； 對每個采集點的電流信號進行采樣； 對采樣信號進行校準:誤差計算單元(204)讀取高頻計數器(202)計數值，所述計數值 與晶體振蕩器(201)理想數值相減得當前頻偏，累加多段秒沖區間的當前頻偏得到平均頻 偏， 平均頻偏小于目標值時，則判定自動頻率校準單元（103)收斂，流程結束，平均頻偏大 于目標值時，晶體振蕩器(201)斜率表計算出當前控制電壓并設置數模轉換器(203)，流程 重新開始，直到平均頻偏小于或等于目標值； 高精度模數轉換器(102)將校準后的信號轉換成輸出數據，即可測得采集點的電流。9. 根據權利要求1所述的一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測 量方法，其特征在于:對高精度模數轉換器（102)采樣信號進行校準的流程，間隔預設時間 執行一次。10. 根據權利要求1所述的一種高壓/特高壓換流站直流轉換開關避雷器動作電流的測 量方法，其特征在于:高精度模數轉換器(102)采樣的數據先存放在緩沖區域再進行校準。
【文檔編號】G01R19/00GK105954562SQ201610293595
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】張民, 葉遠, 張斌, 方明
【申請人】蘇州銀蕨電力科技有限公司