静止无功补偿器晶闸管控制电抗器故障分析定位方法

摘要

本发明公开了一种静止无功补偿器晶闸管控制电抗器故障分析定位方法，步骤包括通过对故障期间录波波形的分析计算，逐步辨识定位故障源，分析母线线电压异常情况分辨内部故障或外部故障，通过分析三相电流是否同时出现异常，分辨控制系统主环节故障或其他环节/设备故障，通过计算电流三次谐波分量的方法分辨晶闸管阀组控制故障或电抗器故障。本发明无需依赖实验室检测或故障仿真模拟，能够快速分析定位静止无功补偿器的故障源，具有可简化故障分析、缩短停运时间、提高效率、降低成本、适应范围广的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电气工程领域，具体涉及一种静止无功补偿器晶闸管控制电抗器故障分析定位方法。

背景技术

静止无功补偿器(SVC)已经发展成为很成熟的FACTS装置，其被广泛应用于现代电力系统的发、输、配电各个环节。是作为目前技术最为先进的无功补偿装置之一，静止同步无功补偿器不再采用大容量的电容器、电感器来产生所需无功功率，而是通过电力电子器件的高频开关实现对无功补偿技术质的飞跃，特别适用于中高压电力系统中的动态无功补偿。作为一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置，静止无功补偿器是将可控的电抗器和电力电容器并联使用。其中电容器可发出无功功率，可控电抗器可吸收无功功率。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率，并且响应快速。

晶闸管控制电抗器(以下简称TCR)支路作为静止无功补偿器的核心部分，既有电抗器，又有晶闸管阀组，结构复杂。近年来已发生多起TCR支路电抗器损毁故障。因此，需要一种可以快速分析定位SVC电抗器故障的方法。现有的针对SVC故障的分析定位方法较少，如申请号为201120163744.7的专利公开的一种基于实时数字仿真平台的SVC仿真模拟装置，这些检测装置和方法应用于分析定位SVC故障，须进行实验室环境下的检测或仿真模拟，过于复杂繁琐，不适用于SVC故障的快速分析定位。

在静止无功补偿器寿命周期中，不可避免需要对其核心部分晶闸管控制支路的晶闸管控制性能开展现场检测。因此，需要一种适用于SVC运行现场环境的简单、有效的检测装置及方法。现有的针对静止无功补偿器(SVC)的检测方法较多，但一般只适用于实验室环境，如申请号为CN200510102658.4的中国专利文献公开的基于多模光纤的静止无功补偿器用光电触发与检测系统、申请号为CN201310495202.3的中国专利文献公开的一种风电场静止无功补偿器的参数检测方法及系统等。但是，这些检测装置和方法均过于复杂繁琐，检测环境与场地要求较高，不适用于SVC运行现场环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种无需依赖实验室检测或故障仿真模拟，能够快速分析定位故障源，可简化故障分析、缩短停运时间、提高效率、降低成本、适应范围广的静止无功补偿器晶闸管控制电抗器故障分析定位方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种静止无功补偿器晶闸管控制电抗器故障分析定位方法，步骤包括：

1)获取静止无功补偿器故障期间的录波波形，根据录波波形确定静止无功补偿器的TCR支路的角内三相电流I_ab、I_bc、I_ca及母线线电压U_ab、U_bc、U_ca；

2)根据录波波形找出电流波形出现明显异常的时间节点T，对比判断时间节点T时刻前后的电压波形是否存在明显变化，若电压波形存在明显变化且与电流异常的相一致，则执行步骤3)，否则跳转执行步骤4)；

3)调查电压波形变化是否由外部故障导致，如果确定电压波形变化为外部故障导致，则判定静止无功补偿器故障的故障源为外部故障并退出；否则，跳转执行步骤4)；

4)确定静止无功补偿器故障为内部故障导致，对比判断时间节点T时刻前后的电流波形是否三相同时出现异常，如果三相同时出现异常则跳转执行步骤5)；否则跳转执行步骤6)；

5)判定静止无功补偿器故障的故障源为静止无功补偿器控制系统主环节并退出，所述主环节包括控制系统的采样环节、触发角计算环节以及三相锁相环节；

6)判断电流波形异常是由于触发角变化引起还是由于额定等值电感变化引起，如果电流波形异常是由于触发角变化引起，则跳转执行步骤7)，否则跳转执行步骤8)；

7)确定静止无功补偿器故障为由TCR晶闸管阀组控制故障导致，判定静止无功补偿器故障的故障源为异常相的晶闸管阀组及阀控和异常相的锁相环节并退出；

8)确定静止无功补偿器故障为由TCR电抗器故障导致，判定静止无功补偿器故障的故障源为异常相的电抗器本体并退出。

优选地，所述步骤6)的详细步骤包括：

6.1)将时间节点T时刻TCR支路异常相电流通过傅里叶变换得到基波分量I'₀、三次谐波分量I'₃，将时间节点T时刻TCR支路非异常相电流通过傅里叶变换得到基波分量I₀；

6.2)假设一：触发角变化引起电流异常，异常相额定等值电感不变；根据式(1)计算时间节点T时刻异常相导通角α₁，再根据式(2)计算时间节点T时刻假设一理论上的三次谐波分量I'_3α；

${I^{\prime }}_0=\frac{U}{\omega L·\pi }(2\pi -2{\alpha }_1+sin2{\alpha }_1)---\left(1\right)$

${I^{\prime }}_{3\alpha }=\frac{U}{\omega L}\frac{4}{\pi }\left[\frac{{\mathrm{sin\alpha }}_{1}cos3{\alpha }_1-3{\mathrm{cos\alpha }}_{1}sin3{\alpha }_1}{3*(3^2-1)}\right]---\left(2\right)$

式(1)和(2)中，α₁表示时间节点T时刻异常相导通角，I'_3α表示时间节点T时刻假设一理论上的三次谐波分量，I'₀表示时间节点T时刻TCR支路异常相电流通过傅里叶变换得到基波分量，U表示时间节点T时刻TCR支路母线线电压有效值，L表示TCR支路异常相原额定等值电感，ω为频率；

6.3)假设二：额定等值电感变化引起电流异常；首先，根据式(3)计算时间节点T时刻非异常相的导通角α₀；

$I_0=\frac{U}{{\mathrm{\omega L}}_0·\pi }(2\pi -2{\alpha }_0+sin2{\alpha }_0)---\left(3\right)$

式(3)中，I₀表示时间节点T时刻TCR支路非异常相电流通过傅里叶变换得到基波分量，U表示时间节点T时刻TCR支路母线线电压有效值，L₀表示TCR支路非异常相额定等值电感，ω为频率，α₀表示时间节点T时刻非异常相的导通角。

假设二中异常相导通角与非异常相导通角一致，时间节点T时刻异常相导通角也为α₀，根据式(4)计算时间节点T时刻异常相额定等值电感L'，再根据式(5)计算时间节点T时刻假设二理论上的三次谐波分量I'_3L；

$I_0^{\prime }=\frac{U}{{\mathrm{\omega L}}^{\prime }·\pi }(2\pi -2{\alpha }_0+sin2{\alpha }_0)---\left(4\right)$

$I_{3L}^{\prime }=\frac{U}{{\mathrm{\omega L}}^{\prime }}\frac{4}{\pi }\left[\frac{{\mathrm{sin\alpha }}_{0}cos3{\alpha }_0-3{\mathrm{cos\alpha }}_{0}sin3{\alpha }_0}{3*(3^2-1)}\right]---\left(5\right)$

式(4)和式(5)中，L'表示时间节点T时刻异常相额定等值电感，I'_3L表示时间节点T时刻假设二理论上的三次谐波分量，α₀表示时间节点T时刻异常相的导通角，I'₀表示时间节点T时刻TCR支路异常相电流通过傅里叶变换得到基波分量，U表示时间节点T时刻TCR支路母线线电压有效值，ω为频率；

6.4)判断式(6)所示条件是否成立，如果成立则判定角内电流波形异常是由于触发角变化引起，如果角内电流波形异常是由于触发角变化引起，则跳转执行步骤7)；否则跳转执行步骤8)；

|I'_3α-I'₃|<|I'_3L-I'₃|>

式(6)中，I'_3α表示时间节点T时刻假设一理论上的三次谐波分量，I'_3L表示时间节点T时刻假设二理论上的三次谐波分量，I'₃表示时间节点T时刻TCR支路异常相电流通过傅里叶变换得到的三次谐波分量。

本发明静止无功补偿器晶闸管控制电抗器故障分析定位方法通过对故障期间录波波形的分析计算，逐步辨识定位故障源，通过分析母线电压异常情况，分辨内部故障或外部故障；通过分析三相电流是否同时出现异常，分辨控制系统主环节故障或其他环节/设备故障，能够分辨晶闸管阀组控制故障或电抗器故障，无需依赖实验室检测或故障仿真模拟，能够快速分析定位静止无功补偿器的TCR故障源，具有下述优点：

1、简化故障分析过程。无需拆卸静止无功补偿器的控制系统开展实验室检测或搭建仿真模型开展故障模拟，通过对录波数据的分析计算，快速定位故障源。

2、缩短设备停运时间。通过对于故障源的快速分析定位，更换故障部件，提高故障静止无功补偿器设备检修效率，缩短设备停运时间。

3、提高故障调查效率。通过对录波数据的分析计算，能够定位故障部件，如需进一步查明故障具体原因，可再针对故障部件开展检测或故障仿真模拟，有效地缩短整个故障调查分析时间，提高效率。

4、降低故障检修成本。缩短故障设备恢复时间和故障调查分析时间，减少了设备实验室检测、故障仿真模拟的工作，将降低故障调查和设备检修成本。

5、适应范围广。只需TCR支路角内三相电流、所接母线线电压等录波波形，即可开展故障分析定位，这也是本发明的关键点之一。

6、检测环境与场地要求低，尤其适用于静止无功补偿器的运行现场环境。

附图说明

图1为被检测静止无功补偿器(现有技术)的系统结构示意图。

图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图3为本发明实施例方法步骤6)的基本流程示意图。

具体实施方式

下文将以图1所示静止无功补偿器(SVC)为例，对本发明静止无功补偿器晶闸管控制电抗器故障分析定位方法进行进一步说明。

参见图1，该静止无功补偿器包括分别并联连接在35kV电力线路的母线上的三相晶闸管控制支路，每相晶闸管控制支路有24个晶闸管阀组(图1中简称为阀组)，静止无功补偿器的控制系统分别与各个晶闸管阀组的控制端相连，用于控制三相晶闸管控制支路进行无功补偿，该控制系统为分相锁相。每相晶闸管控制有两个相控电抗器，每相等值额定电感约为0.0275H(出厂实测值)。该TCR支路a相发生故障。

如图2所示，本实施例静止无功补偿器晶闸管控制电抗器故障分析定位方法的步骤包括：

1)获取静止无功补偿器故障期间的录波波形，根据录波波形确定静止无功补偿器的TCR支路的角内三相电流I_ab、I_bc、I_ca及母线线电压U_ab、U_bc、U_ca；

2)根据录波波形找出电流波形出现明显异常的时间节点T，对比判断时间节点T时刻前后的电压波形是否存在明显变化，若电压波形存在明显变化且与电流异常的相一致，则执行步骤3)，否则跳转执行步骤4)；本实施例中，前述电流波形出现明显异常、电压波形存在明显变化均为指角内三相电流波形、母线线电压波形在时间节点T时刻前后的变化量超出给出的阈值；

3)调查电压波形变化是否由外部故障导致，如果确定电压波形变化为外部故障导致，则判定静止无功补偿器故障的故障源为外部故障并退出；否则，跳转执行步骤4)；调查电压波形变化是否由外部故障导致时，可查询该时刻是否电网发生近区短路等严重故障以及近区电网保护动作情况，以便确定电压波形变化是否为外部故障导致；

4)确定静止无功补偿器故障为内部故障导致，对比判断时间节点T时刻前后的电流波形是否三相同时出现异常，如果三相同时出现异常则跳转执行步骤5)；否则跳转执行步骤6)；

5)判定静止无功补偿器故障的故障源为静止无功补偿器控制系统主环节并退出，所述主环节包括静止无功补偿器控制系统的采样环节、触发角计算环节以及三相锁相环节；判定故障源为主环节后，可逐一检查静止无功补偿器控制系统的采样环节、触发角计算环节以及三相锁相环节，以进一步定位故障源；

6)判断电流波形异常是由于触发角变化引起还是由于额定等值电感变化引起，如果电流波形异常是由于触发角变化引起，则跳转执行步骤7)，否则跳转执行步骤8)；

7)确定静止无功补偿器故障为由TCR晶闸管阀组控制故障导致，判定静止无功补偿器故障的故障源为异常相的晶闸管阀组及阀控和异常相的锁相环节并退出；判定故障源为异常相的晶闸管阀组及阀控和异常相的锁相环节后，可逐一检查异常相的晶闸管阀组及阀控，与异常相的锁相环节，以进一步定位故障源；

8)确定静止无功补偿器故障为由TCR电抗器故障导致，判定静止无功补偿器故障的故障源为异常相的电抗器本体并退出；判定故障源为异常相的电抗器本体后，应当检查异常相的电抗器本体，重点排查匝间短路。

如图3所示，步骤6)的详细步骤包括：

6.1)将时间节点T时刻TCR支路异常相电流通过傅里叶变换得到基波分量I'₀、三次谐波分量I'₃，将时间节点T时刻TCR支路非异常相电流通过傅里叶变换得到基波分量I₀；

6.2)假设一：触发角变化引起电流异常，异常相额定等值电感不变；根据式(1)计算时间节点T时刻异常相导通角α₁，再根据式(2)计算时间节点T时刻假设一理论上的三次谐波分量I'_3α；

${I^{\prime }}_0=\frac{U}{\omega L·\pi }(2\pi -2{\alpha }_1+sin2{\alpha }_1)---\left(1\right)$

${I^{\prime }}_{3\alpha }=\frac{U}{\omega L}\frac{4}{\pi }\left[\frac{{\mathrm{sin\alpha }}_{1}cos3{\alpha }_1-3{\mathrm{cos\alpha }}_{1}sin3{\alpha }_1}{3*(3^2-1)}\right]---\left(2\right)$

式(1)和(2)中，α₁表示时间节点T时刻异常相导通角，I'_3α表示时间节点T时刻假设一理论上的三次谐波分量，I'₀表示时间节点T时刻TCR支路异常相电流通过傅里叶变换得到基波分量，U表示时间节点T时刻TCR支路母线线电压有效值，L表示TCR支路异常相原额定等值电感，ω为频率；

6.3)假设二：额定等值电感变化引起电流异常；首先，根据式(3)计算时间节点T时刻非异常相的导通角α₀；

$I_0=\frac{U}{{\mathrm{\omega L}}_0·\pi }(2\pi -2{\alpha }_0+sin2{\alpha }_0)---\left(3\right)$

式(3)中，I₀表示时间节点T时刻TCR支路非异常相电流通过傅里叶变换得到基波分量，U表示时间节点T时刻TCR支路母线线电压有效值，L₀表示TCR支路非异常相额定等值电感，ω为频率，α₀表示时间节点T时刻非异常相的导通角。

假设二中异常相导通角与非异常相导通角一致，时间节点T时刻异常相导通角也为α₀，根据式(4)计算时间节点T时刻异常相额定等值电感L'，再根据式(5)计算时间节点T时刻假设二理论上的三次谐波分量I'_3L；

$I_0^{\prime }=\frac{U}{{\mathrm{\omega L}}^{\prime }·\pi }(2\pi -2{\alpha }_0+sin2{\alpha }_0)---\left(4\right)$

$I_{3L}^{\prime }=\frac{U}{{\mathrm{\omega L}}^{\prime }}\frac{4}{\pi }\left[\frac{{\mathrm{sin\alpha }}_{0}cos3{\alpha }_0-3{\mathrm{cos\alpha }}_{0}sin3{\alpha }_0}{3*(3^2-1)}\right]---\left(5\right)$

式(4)和式(5)中，L'表示时间节点T时刻异常相额定等值电感，I'_3L表示时间节点T时刻假设二理论上的三次谐波分量，α₀表示时间节点T时刻异常相的导通角，I'₀表示时间节点T时刻TCR支路异常相电流通过傅里叶变换得到基波分量，U表示时间节点T时刻TCR支路母线线电压有效值，ω为频率；

6.4)判断式(6)所示条件是否成立，如果成立则判定角内电流波形异常是由于触发角变化引起，如果角内电流波形异常是由于触发角变化引起，则跳转执行步骤7)；否则跳转执行步骤8)；

|I'_3α-I'₃|<|I'_3L-I'₃|>

式(6)中，I'_3α表示时间节点T时刻假设一理论上的三次谐波分量，I'_3L表示时间节点T时刻假设二理论上的三次谐波分量，I'₃表示时间节点T时刻TCR支路异常相电流通过傅里叶变换得到的三次谐波分量。

参见图1，本实施例中T时刻前后U_ab、U_bc、U_ca无明显变化，认为故障为内部故障源引起；T时刻前后只有I_ab波形出现异常，I_bc、I_ca波形正常，排查故障由控制系统主环节故障导致；通过录波数据得到U＝36kV、I₀≈1010A、I'₀≈1675A、I'₃≈580A，按照静止无功补偿器晶闸管控制电抗器模拟故障计算方法，计算得到α₀＝130°、α₁≈119°、I'_3α≈176A、L'≈0.0166H、I'_3L≈596A；|I'_3α-I'₃|>|I'_3L-I'₃|，电流异常为额定等值电感变化引起。因此，认为故障由TCR电抗器故障导致。通过检查a相电抗器本体，发现电抗器匝间短路痕迹，证实故障分析定位正确。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。