CN102640374A - 线路故障检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测HVDC系统中电极线路上的线路故障的故障检测系统，其中，电极线路包括并联的第一分支和第二分支。故障检测系统包括设置成生成分别到第一分支和第二分支上的电脉冲的第一脉冲生成电路和第二脉冲生成电路及设置成生成分别指示第一注入线路和第二注入线路上出现的电信号的信号的第一电流测量装置和第二电流测量装置。分别到第一分支和第二分支上的电脉冲的独立生成及分别表示第一注入线路和第二注入线路上电信号的第一信号图案和第二信号图案的独立记录的可能性增加了收集的数据中的信息内容，由此有利于关于电极线路上是否存在故障的更可靠分析。

Description

线路故障检测器

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，并且具体地说，涉及在高压直流输电系统的电极线路中的故障检测。

背景技术

在HVDC系统中，借助于一条或多条HVDC线路连接两个或更多个HVDC变流器站，其中，HVDC线路用于将高压直流电从一个HVDC变流器站携带到另一HVDC变流器站。在单极HVDC传输中，单条HVDC线路连接两个HVDC变流器站，并且电流能够经由地返回。在双极HVDC传输中，借助于两条HVDC线路连接两个HVDC变流器站。电流因此能够经由HVDC线路返回，并且在正常操作中，没有不平衡的接地或中性电流。然而，如果在双极系统中变流器之一中出现断电，则电流必须经由地或经由中性导线返回。

为避免任何不平衡电流造成不可接受的干扰或腐蚀，具有最接近地的电势（经常称为站中性部分）的HVDC变流器的部分通常经由电极线路连接到位于远处的接地电极，或者经由两个HVDC变流器站之间的金属回路导线连接到另一HVDC变流器站的站中性部分。在后一情况下，两个HVDC变流器站的站中性部分均仅在一个点接地，这例如可以是HVDC变流器站之一的接地栅极，并且因此没有接地电流。

电极线路的操作电压低。通常情况下，在HVDC线路中在额定电流的电极线路的操作电压是几千伏，而金属回路导线的操作电压经常更大，这是因为金属回路导线通常情况下更长。在双极HVDC系统中，电极线路电流在平衡操作时为零且因此电极线路电压在平衡操作时为零。因此，由于故障不暗示电极线路电压的任何显著降低，因此，除非采取特殊措施，否则，在电极线路上的任何故障能够长时间保持未检测到。

电极线路的长度经常达20公里或更长，以便确保任何强电流将被引导到在接地电极中线路电流的注入将对HVDC站或周围环境造成很少干扰或不造成干扰（例如，通过腐蚀）的地理位置。电极线路的接地电极通常位于具有对远程地（例如，对地球的岩浆）的低阻抗，并且离任何城镇、地下管道、铁路等有足够距离的地理位置。

在下述内容中，术语电极线路将用于表示金属回路导线，及连接HVDC站的DC站中性部分到接地电极的电极线路。

有接地故障的电极线路能够造成安全危险，这是因为经由电极线路引导的电流随后将被引导到不受控制的地理位置，可能伤害人类以及造成当地基础设施的腐蚀。此外，在双极系统中发生某个极断电的情况下，如果电极线路具有接地故障，则剩余的极将通常也要跳闸以便清除电极线路接地故障。两个极的此类停电一般对社会及对HVDC线路运营商均会造成严重损失。此外，在正常操作条件下，有接地故障的电极线路能够对周围环境造成损坏，例如，地下管道的腐蚀。

因此，需要用于监视在HVDC系统中的电极线路以便检测诸如接地故障或短路等故障的方式。此外，由于电极线路通常延伸超过数十公里，因此，经常希望不但检测线路故障的存在，而且确定故障的大约位置，以便能够轻松、快速地处理故障。

US 6518719中公开了一种检测在双极HVDC系统中包括两条引线的故障电极线路的方法。通过使用具有两个高压绕组和一个低压绕组（低压绕组连接到脉冲生成器的输出端）的变换器，在推/拉模式中从对地不平衡脉冲形成对地平衡脉冲。随后，将脉冲馈送到两个电极引线中，记录回波曲线并将其与目标回波曲线进行比较。脉冲进入电极引线的点的位置距分支点（即，电极线路分叉进入两条引线的点）有对应于λ/4的距离，λ是馈送脉冲的中心频率的波长。在回波差异曲线周围放置的容限带被超过时，生成故障信号。

发明内容

本发明涉及的一个问题是如何改进用于检测HVDC系统中电极线路中的故障的故障检测系统的可靠性。

此问题通过用于检测HVDC系统中电极线路上的线路故障的故障检测系统而得以解决，其中，电极线路包括并联的第一分支和第二分支。线路故障检测系统包括：

第一脉冲生成电路，具有经由第一注入线路可连接到第一分支的触发输入端和输出端，第一脉冲生成电路设置成在接收到触发信号时在输出端生成第一电脉冲；

第二脉冲生成电路，具有经由第二注入线路可连接到第二分支的触发输入端和输出端，第二脉冲生成电路设置成在接收到触发信号时在输出端生成与第一脉冲有相反极性的电脉冲；

第一电流测量装置，设置成生成指示第一分支线路中出现的电信号的信号；

第二电流测量装置，设置成生成指示第二分支线路中出现的电信号的信号；以及

监视装置，具有到第一电流测量装置和第二电流测量装置的连接，监视装置设置成记录：

来自第一电流测量装置的第一已记录信号图案，第一已记录信号图案包括第一分支线路上响应电脉冲信号的生成而出现的信号，以及

来自第二电流测量装置的第二已记录信号图案，第二已记录信号图案包括第二分支线路上响应电脉冲信号的生成而出现的信号。

该问题还通过一种检测HVDC系统中电极线路中线路故障的方法而得以解决，其中，电极线路包括并联的第一分支和第二分支。该方法包括：

生成经由第一注入线路到第一分支上的第一电脉冲；

生成经由第二注入线路到第二分支上的第二电脉冲；

响应电脉冲信号的生成，记录表示第一分支线路上出现的电信号的第一已记录信号图案；以及

响应电脉冲信号的生成，记录表示第二分支线路上出现的电信号的第二已记录信号图案。

通过故障检测系统和方法，实现了能够改进由用于检测电极线路中故障的故障检测系统收集的数据的质量，基于这些数据，执行故障检测。分别到第一分支和第二分支上电脉冲的独立生成及分别表示第一注入线路和第二注入线路上电信号的第一信号图案和第二信号图案的独立记录的可能性增加了收集的数据中的信息内容，由此有利于关于电极线路上是否存在故障的更可靠分析。

不同于如在例如US 6518719中所述现有技术电极线路故障检测系统，其中只能够获得表示极模式传送的信号图案，第一信号图案和第二信号图案的独立记录允许从单个故障检测事件中推导表示极模式传送、接地模式传送和组合的极模式与接地模式传送的信号图案。其中能够最好地辨认故障的传送模式通常在不同故障类型之间改变。因此，通过提供获得表示不同传送模式的信号图案的可能性，改进了检测到不同类型的故障的可能性。

到第一分支和第二分支上的电脉冲的独立生成的可能性允许在称为同时注入模式、其中同时传送两个互补脉冲的情形中和在称为单一信号注入模式、其中在某个时间将电脉冲注入到一个分支线路中的情形中收集数据。在同时注入模式中，两个互补脉冲在磁性和电容上耦合，并且因此检测到的信号图像在两种情形之间不同。与其中仅同时注入模式可用的US 6518719的电极线路故障检测系统相比，能够获得有关线路故障检测系统的状态的另外的信息。

本故障检测系统优于US 6518719中公开的系统的又一优点是可设置本故障检测系统，以便能够使用单极性的电脉冲。通过提供单独的脉冲生成电路，在脉冲生成电路的输出侧不需要在生成的电脉冲包括DC分量的情况下受饱和的影响的组件。一般而言，与在要生成双极性的脉冲的情况下相比，设置成生成单极性脉冲的脉冲生成电路能够保持得更简单。

在一个实施例中，故障检测系统还包括比较机构，比较机构设置成从第一已记录信号图案和第二已记录信号图案的相加和/或相减中生成至少一个另外的已记录信号图案。由此实现了在故障检测系统内能够执行对电极线路的状态的改进分析。

在一个实施例中，故障检测系统包括样本寄存器，样本寄存器设置成存储至少一个样本信号图案，至少一个样本信号图案指示在特定情形中预期的预期信号图案。由此实现了能够比较电极线路的当前电行为与不同情形中的预期电行为。在此实施例中，故障检测系统可包括比较机构，比较机构设置成比较至少一个已记录信号图案和至少一个样本信号图案，并且设置成如果检测到超过偏差门限的偏差，则生成故障指示信号。由此实现了HVDC系统的操作员可自动接收到有关检测到的电极线路上的问题的指示。此外，比较机构可设置成如果检测到超过偏差门限的偏差，则推导到引发偏差的故障的距离的估计，并且设置成生成指示所述距离估计的故障指示信号。由此实现了HVDC系统的操作员可自动接收到检测到的问题的大致距离的指示。

故障检测系统可还包括触发装置，触发装置具有经由触发输出端到第一脉冲生成电路的触发输入端和第二脉冲生成电路的触发输入端的连接，触发装置设置成在触发输出端生成至少一个触发信号以启动故障检测事件。例如能够设置触发装置，以便触发信号能够选择性地发送到第一脉冲生成电路和第二脉冲生成电路之一；有序地发送到第一脉冲生成电路和第二脉冲生成电路；或同时发送到第一脉冲生成电路和第二脉冲生成电路。由此实现了故障检测系统可在不同注入模式中操作：同时注入模式，其中信号的衰减小，并且其中第一已记录信号图案包括源于第二电脉冲的信号，且反之亦然；以及单一信号注入模式，其中，第一信号图案和第二信号图案包括源于脉冲信号只到一个线路分支205a或205b中的注入的信号。通过应用两种注入模式，可从已记录信号图案提取另外的信息。

故障检测系统可包括第一注入线路和第二注入线路，其中，可变电感分别与第一注入线路和第二注入线路串联。因此，例如能够设置故障检测系统，以便如果第一电脉冲和第二电脉冲同时进入电极线路，则可变电感采用比如果第一电脉冲和第二电脉冲在不同时间点进入分支线路更低的值；或者能够在第一故障检测事件中应用电感的更高值，并且如果检测到可疑故障，则能够降低电感，以及能够执行第二故障检测事件以便更好地确定可疑故障的位置。

可能以使得生成的电脉冲的幅度可改变的方式设置任何一个上述权利要求的线路故障检测系统的脉冲生成电路。如果已记录信号图案的改进分辨率是符合需要的，则这可以是有利的。

在下面的详细描述和附图中阐明本发明的另外的方面。

附图说明

图1a是单极HVDC系统的示例的示意图。

图1b是双极HVDC系统的示例的示意图。

图2是用于检测HVDC系统的电极线路中故障的故障检测系统的示例的示意图。

图3a是在故障检测系统中能够记录的信号图案的示例的示意图。

图3b是在已发生电极线路故障时与图3a的信号图案对应的信号图案的示意图。

图4是监视装置的示例的示意图。

图5是设置成生成电脉冲的脉冲生成电路的示例的图示。

图6是故障检测系统的一实施例的示例的示意图，其中，注入线路的阻抗可以不同。

图7a-c是脉冲生成电路的不同实施例的图示，其中，生成的电脉冲的幅度可以不同。

图8是以示意图方式示出检测HVDC系统中电极线路中故障的方法的流程图。

图9是以示意图方式示出监视装置的示例的备选方式。

具体实施方式

在图1a中以示意图方式示出其中借助于HVDC线路110连接两个HVDC变流器站105的HVDC系统100的示例。为便于说明，在图1a中只示出一个HVDC变流器站105或简称HVDC站105。

图1a所示HVDC站105连接到AC电源107（系统100的HVDC站105通常连接到AC电源107或AC网络）。图1a的HVDC系统100示为单极HVDC系统，其中，两条接地电极线路115用于回路电流。虽然在图1a中只示出电极线路115之一，但类似的电极线路115连接到HVDC线路110的另一端处的HVDC站105。图1a的系统100的电极线路115的一端连接到接地电极120，而另一端连接到HVDC站105的DC站中性部分125。图1a的系统的每个HVDC站105具有一个HVDC变流器135和分隔HVDC系统100的DC侧与AC侧的变换器145。HVDC系统100通常包括另外的设备，而为简明起见，这些设备已被省略。

在图1b中，以示意图方式示出了HVDC系统100的另一示例。图1b的HVDC系统100示为双极HVDC系统，其中，两条HVDC线路110a和110b用于在两个HVDC站105之间携带主电流。如图1a中一样，为简明起见，只示出一个HVDC站105。图1b的双极HVDC系统100的HVDC站105包括设置成具有不同极性的两个HVDC变流器135a和135b。在双极HVDC系统100中，HVDC站105通常经由DC站中性部分125连接到电极线路115。在一些（未示出的）配置中，经由两条HVDC线路110a和110b连接的两个双极HVDC站105具有公共接地电极120，以便连接到HVDC站105之一的电极线路115能够视为扩展到另一HVDC站105的接地电极120，在此配置中的电极线路经常称为金属回路导线。

在双极HVDC系统100的正常操作期间，HVDC线路的电流是均衡的，并且在电极线路115中没有电流。在HVDC线路110a或110b中发生接地故障的情况下，电极线路115中的电流将等于额定电流。在图1b的HVDC变流器135a停电的情况下，HVDC线路110a中的电流将为零，并且在电极线路115中的电流幅值等于在HVDC线路110b中电流的幅值。经由电极线路115和接地电极120，以安全方式将电流引导到地。如果HVDC变流器135a或105b不操作，则电极线路115能够用于回路电流，并且图1b的HVDC系统100仍能够保持操作。

如上所提及的一样，除非采取特殊措施，否则在电极线路115中的故障可长时间保持未检测到，这是因为在双极HVDC系统的正常操作期间，或者在单极HVDC系统的低负载时，通过电极线路115发生低压降或无压降。

在图2中示出了用于检测电极线路115上的线路故障的故障检测系统200的示例，电极线路115分别包括第一分支和第二分支205a和205b。图2的电极线路115的第一分支和第二分支205a和205b并联在HVDC站105的DC站中性部分125或简称的站中性部分125与DC接地电极120之间。

图2的故障检测系统200分别包括第一脉冲生成电路和第二脉冲生成电路210a和210b。第一脉冲生成电路210b的输出端213a经由具有串联注入电容器215a的注入线路214a在进入点212a连接到第一分支205a。第二脉冲生成电路210b的输出端213b经由具有串联注入电容器215b的注入线路214b在进入点212b连接到第二分支205b。注入电容器215a和215b用于保护故障检测系统200，防止例如由于打雷、电极线路115连接到的HVDC站105中的极停电等而在电极线路115中出现的任何强DC电流。在进入点212a与接地电极120之间的距离能够有利地与在进入点212b与接地电极120之间的距离相同，以便脉冲从进入点212行进到接地电极120所需的时间对两个分支是相同的。

第一脉冲生成电路210a设置成在输入端220a接收到触发信号时在输出端213a生成电脉冲。第二脉冲生成电路210b设置成在输入端220b接收到触发信号时在输出端213b生成与第一脉冲生成电路210a生成的脉冲有相反极性的互补电脉冲。触发信号例如能够是由如下所述触发装置生成的电信号；经由触发输入端（例如，按钮或杆形式的触发输入端220a/b）手动提供到脉冲生成电路的信号等。

图2的故障检测系统200示为包括电阻器222a和222b，其中，电阻器222a(222b)连接在地和注入线路214a(214b)上的点之间，而注入线路214a(214b)在脉冲生成电路210a(210b)与注入电容器215a(215b)之间。电阻器222a和222b用于在电脉冲已分别注入到分支线路205a或205b中时分别使注入电容器215a和215b放电。能够经由注入电容器215a和215b重复地传送单极性的电脉冲，电阻器222a和222b分别允许注入电容器215a和215b在脉冲之间放电。

在分支205a/b的站中性端，应用线路陷波器227a/b以便调整在此端的线路阻抗将是有利的，这样，通过电极线路115传送，而不是通过HVDC站105传送注入到电极线路分支205a和205b中的大部分脉冲信号。线路陷波器227例如能够是反应器，其中，选择反应器的电感，以便与电极线路115的浪涌阻抗相比，用于脉冲的阻抗高。

故障检测系统200还包括触发装置225，触发装置225设置成在某些情况下生成触发信号，诸如例如以某些时间间隔；怀疑电极线路故障时；经由用户接口接收进行此操作的指示时；或者在其它适合情况下。触发装置225的输出端230a连接到脉冲生成电路210a的输入端220a，并且输出端230b连接到脉冲生成电路210b的输入端220b。输出端230a和230b可实现为或可不实现为相同输出端。例如能够设置触发装置225，以便经由连接到生成触发信号的电路的控制装置（例如，按钮或杆）能够手动操作它，和/或能够由计算机化控制系统操作生成触发信号的电路。

在一个实施例中，触发装置225设置成在不同操作模式中操作：其中同时在输出端230a和230b生成触发信号的第一操作模式和其中在某一时间在输出端230a和230b之一生成触发信号的第二操作模式。在同时操作模式中，相反极性的电脉冲将同时进入第一分支和第二分支205a和205b。第一分支和第二分支205a和205b的位置通常相互接近。通过同时发送相反极性的互补电脉冲到两个分支中，实际上在周围环境（通常是地）中将不诱发电流，并且因此与如果在某一时间在一个分支线路205中生成电脉冲相比，信号的衰减将更小。由于如果从进入点212a到接地电极120的距离和从进入点212b到接地电极120的距离大约相同，则两个互补脉冲同时到达接地电极120，因此，在此操作模式中在接地电极120与信号脉冲之间将没有交互或有可忽略的交互。因此，即使在电极线路115的接地电极端不提供调整电极线路115的阻抗的调整电路，在接地电极120处接地模式的任何反射在此操作模式中也是可忽略的。

然而，如下面将进一步讨论的一样，在某一时间将电脉冲信号发送到一个分支线路205/205b中能够是有利的，例如，在怀疑电极线路故障的情况下。因此，在一种操作模式中，触发装置225在某一时间在一个输出端230a和230b生成触发信号。触发装置225能够设置成在此操作模式中在不同时间点在输出端230a和230b生成两个独立触发信号。在两个不同触发信号之间的时间例如能够超过到接地电极120的脉冲运行时间的20倍（脉冲运行时间大约是每10公里33 us），以便避免响应不同触发信号生成的电脉冲的干扰。经常在每个故障检测事件发生时将希望在两种操作模式中操作触发装置225，以便在故障检测事件发生时在收集的数据中获得更多的信息内容。

另外，在故障检测系统200中提供了监视装置235，该监视装置设置成在注入线路214a和214b之一或两者中记录电脉冲。监视装置235的输入端240a和240b分别连接到电流测量装置245a和245b，这些电流测量装置分别设置在注射线路214a和214b处，以便检测注入线路214a和214b中的电脉冲。电流测量装置245例如能够是电流变换器或另一类型的电流转换器，如罗戈夫斯基线圈。在一备选实施例中，电流测量装置245a(245b)能够直接设置在进入点212a(212b)与接地电极120之间（优选在进入点212a(212b)附近）的对应分支线路205a(205b)上。在下述内容中，电流测量装置245a/b检测到的信号将指在对应分支线路214a/b中出现的信号，而无论电流测量装置实际定位成测量注入线路214a/b中的电流，还是测量对应分支线路205a/b中的电流。

分支线路214和214b示为可分别经由接地开关247a和247b接地，而接地开关247a和247b分别并联到电阻器233a和233b。如果在某一时间生成一个电脉冲，例如到分支线路205a(205b)上，则可能有利的是闭合在连接到另一分支线路205b(205a)的注入线路214b(214a)上的接地开关247b(247a)，以便允许在当前未使用脉冲生成电路210b(210a)时改进在注入线路214b(214a)上脉冲的检测。接地开关247a和247b例如能够由触发装置225控制，以便激活接地开关247b的连接的信号仅在发送触发信号到脉冲生成电路213a(213b)时（或其之前很短时间内）发送到接地开关247b。

如果对应脉冲生成电路210a(210b)由于例如维护原因而断开连接，则接地开关247a(247b)也能够用于将注入线路214a(214b)接地，以便在脉冲生成电路210a(210b)断开连接时允许对应分支线路205a(205b)的继续操作。

在每个故障检测事件中，在图2的装置中的监视装置235能够经由电流测量装置245a(245b)记录脉冲生成电路210a(210b)在进入电极线路115时生成的电脉冲。此外，监视装置235a(235b)也能够记录在电极线路115的任何不连续时由于电脉冲的反射而产生的回波脉冲。电流测量装置245a(245b)通常也能够检测源于脉冲生成电路210b(210a)生成的电脉冲的脉冲。电流测量装置245a/b在故障检测事件发生时检测到的不同脉冲形成检测到的信号图案。

触发连接250能够有利地设置在触发装置225的输出端255与监视装置235的输入端260之间。触发连接250例如能够由触发装置225用于提示监视装置关于触发信号已发送到脉冲生成电路220之一或两个脉冲生成电路220，这样，监视装置235应激活对从电流测量装置245a和/或245b收到的信号的监视。触发装置225例如能够设置成根据是否应提示监视装置235监视来自电流测量装置245a、245b或两者的输出，在输出端255上生成三种不同类型的提示信号之一。备选，只能够使用一种类型的触发信号。

在故障检测系统200的一种实现中，只提供设置成生成两个互补脉冲的一个脉冲生成电路。

在图3a的示意图中示出在正常操作下电流测量装置245a/b检测到的信号图案的示例，其中，绘出了记录的信号强度(I)与时间(t)。在时间点t0，记录注入的电脉冲。在t1和t2，检测到不同杂散信号，这些杂散信号是例如源于在分支线路205a/205b附近存在大金属物体、在电极线路115上的不连续性等的回波信号。在时间t3，检测到源于接地电极120的反射脉冲。

在图3b中，示出在电极线路115中有接地故障的情况下电流测量装置245a/b检测到的对应信号图案。在时间ti，在电流测量装置245a/b处收到信号，该信号对应于在接地故障处的反射。因此，在检测到的信号图案中出现在正常操作期间检测到的信号图案中不存在的峰值指示分支线路205a或205b之一上可存在接地故障。

由于在形成电极线路115和注入线路214的导线中电脉冲的传送速度已知，因此，可从时间差ti-t0（参见图3b）中推导故障的位置，此时间差表示脉冲信号行进从测量装置245到造成反射的接地故障两倍的距离所需的时间。

通过允许在两条注入线路214a和214b处的单独脉冲检测，能够独立地记录两个分支线路205a和205b中的任一分支线路中出现的电脉冲信号。

从注入到分支线路205a和205b中的脉冲信号及其回波信号的检测中获得的信号图案经常难以理解。通过分别记录两个分支线路205a和205b中的电脉冲信号，能够实现对已记录电脉冲信号的改进分析。在下述内容中，电流测量装置245a检测到的信号图案将表示为A，而电流测量装置245b检测到的信号图案将表示为B。当分别在进入点112a和112b处同时注入两个互补信号时，信号将在极模式中行进，即，其中注入的信号脉冲在两个分支线路205a与205b之间行进并且信号的可忽略部分经由地行进的模式。在单独检测两个信号图案A和B时，如下所述，能够通过信号分析获得对其它传送模式的表示。

能够将两个信号图案A和B相减以获得表示注入信号的极模式的信号图案。另一方面，如果将两个检测到的信号图案A和B相加，则能够获得表示注入信号的接地模式的信号图案，即其中注入信号通过作为回路导线的与地的线路在公共模式中行进的模式。此外，能够单独分析检测到的信号图案A和B，每个信号图案表示极模式和接地模式的组合。因此，如果同时注入互补脉冲，则能够获得以下分析模式：

A-B：         极模式

A+B：        接地模式

A：             组合模式A

B：             组合模式B

在下述内容中，术语“已记录信号图案”将用于指检测到的信号图案A和B的任何组合，诸如例如A、B、A-B和A+B。

在许多情况下，例如，在高电阻的接地故障的情况下，从接地故障的反射通常在接地模式中比在极模式中更容易辨别。在其它情况下，例如，在分支线路205a与205b之间短路的情况下，或者如果两个分支线路205a和205b中断，则来自故障的反射通常在极模式信号中更容易辨别。在仍有的其它情况下，例如，如果分支线路205a中断，同时分支线路205b保持未损坏，则故障可能在组合模式A中更容易辨别，且反之亦然。通过在极模式中以相反极性传送电脉冲信号，信号将经历比在接地模式中传送时更低的衰减。通过单独检测两个信号，可如上所述从极模式测量中推导接地模式，并且可实现改进的分析准确度。

此外，通过提供单独的注入线路210a和210b，由此可在分支线路205a和205b中单独注入脉冲信号，可在某一时间一个地将电脉冲注入两个分支线路205a/b。例如能够将脉冲信号传送到注入线路214a/b中并且在第一时间点电流测量装置245a和/或245b都检测到所述脉冲信号，并且能够将脉冲信号传送到另一注入线路214b/a中并且在不同时间点由电流测量装置245b和/或245a检测到脉冲信号。

在提供单独的脉冲生成电路210a和210b时，可定义信号注入到分支线路205a和205b中的三种不同模式：

1. 同时注入，由此两个互补信号同时注入到分支线路205a和205b中；

2. 单一信号注入到分支线路205a中；以及

3. 单一信号注入到分支线路205b中。

在单一信号注入到分支线路205a/b中时，在检测到的信号图案A和B中将不出现源于到另一注入线路中的脉冲注入的信号。因此，通过单独和同时注入脉冲，可实现另外的信息。例如，由于在单一信号情况下注入极模式和接地模式的组合，因此，相比从两个互补信号上的测量中推导接地模式的情况下，接地模式信号通常相对更强。另一方面，单独注入的单一信号将比同时传送两个互补脉冲衰减更多。如下面进一步讨论的一样，在需要时，能够对此进行补偿。两个单一信号注入模式能够组合以形成有序注入模式，其中，单一信号有序地分别注入到不同分支线路205a和205b中。

通过在单独注入的单一信号和同时注入的互补信号上执行信号图案A和B的测量，可收集仍有的另外的信息，并且可改进故障分析的准确度。从注入到分支线路205a中的单一信号中获得的已记录信号图案A能够以上面有关同时测量描述的方式，加到从注入到分支线路205a中的单一信号中获得的已记录信号图案B上，或从已记录信号图案B中减除。实际上，可从4种不同分析模式和3种不同注入模式中推导至少12个不同的相关已记录信号图案。仍有的另外的信号图案甚至可提供另外的信息 - 例如，从将单一信号注入到分支线路205a中获得的信号图案A能够被加到从将单一信号注入到分支线路205b中获得的信号图案B上，或从信号图案B中减除，以便获得另外的信号图案，且反之亦然。

在图4中以示意图方式示出监视装置235的示例。监视装置235包括用于记录电流测量装置245a和/或245b检测到的信号图案的信号图案寄存器400。监视装置235也能够有利地包括样本寄存器405和比较机构410，在样本寄存器405中，存储了在不同测量环境中预期的信号图案的样本，比较机构410能够比较已记录信号图案和样本信号图案。

设置监视装置235的信号寄存器400，以便它能够分别经由电流测量装置245a和245b接收每故障检测事件的两个独立信号图案。如图4所示，能够在其上接收来自触发装置225的提示信号的输入端260能够连接到信号寄存器400，以便提示信号寄存器400应记录来自电流测量装置245a和/或245b的输出。备选地或附加地，输入端260能够连接到比较机构410，如果信号寄存器400未直接连接到输入端260，则比较机构410因而能够设置成在从输入端260接收到提示信号时，提示信号寄存器400。在信号寄存器400与比较机构410之间的连接415能够用于将检测到的信号图案从信号寄存器400传送到比较机构410。样本寄存器405与比较机构410之间的连接420能够由比较机构410用于从样本寄存器405检索样本信号图案。在信号寄存器400与样本寄存器405之间的连接425能够用于通过信号寄存器400记录的信号图案更新样本寄存器405。在需要时，连接415、420和425之一能够被省略，并且能够经由第三方执行因此将缺乏直接连接的两个实体之间的通信。

样本信号图案能够存储在样本寄存器405中的情形的示例有：正常操作情形；正常操作情形，带有间歇性发生的正常干扰；在一个或两个分支215a和215b中的接地故障情形；短路情形；其中分支线路215a/b之一或两者中断的情形等等。对于每种相关情形，能够存储可从4种不同分析模式和3种不同注入模式中获得的至少12个不同样本信号图案中的一个或多个样本信号图案。为每种情形存储越多不同的样本信号图案，能够对已记录信号样本进行的分析就越佳。

如已经提及的一样，监视装置235能够有利地包括比较机构410，比较机构410设置成比较至少一个已记录信号图案和一个或多个样本信号图案。比较机构410还能够设置成在怀疑有故障时（例如，如果在一个或多个时间点（在记录注入信号的时间点例如能够定义0时间，参见在图3a-d中的时间t0）已记录信号图案与在正常操作期间的预期信号图案的强度比与“一”偏差预确定量，在到用户接口430的输出端428上生成故障指示信号。比较机构410还能够设置成例如在怀疑有故障时比较已记录信号图案和表示不同故障情形的样本信号图案以便确定所怀疑故障的性质。为改进比较结果，监视装置235能够设置成在已执行故障检测事件的测量时更新样本寄存器405中的相关样本信号图案，以便样本信号图案持续得到改进并适用于当前操作条件。相对于表示正常操作的样本信号图案，这能够特别有用。

在一种实现中，能够设置比较机构410，以便它能够在需要时经由连接250发送触发信号到触发装置225。由于接地故障外的其它原因能够造成已记录信号图案暂时与预期信号图案的偏差，诸如例如临时存在诸如大的列车等大金属物体等，因此，可能有利地是比较机构410能够在已记录可疑信号图案时指示触发装置225重复进行故障检测事件的启动，以便确保与预期信号图案的任何偏差不是由临时干扰造成的。在一种实现中，故障检测事件由互补脉冲的同时传送启动，并且如果获得与预期测量结果的任何偏差，则将启动电脉冲的单一传送，而如果未检测到偏差，则将不执行单一传送测量。

图4的监视装置235还例如经由比较机构410连接到用户接口430。用户接口430用于指示已记录信号图案与预期信号图案的任何检测到的偏差。此外，用户接口430能够设置成允许故障检测系统200的操作员执行已记录信号图案的进一步分析，或查看比较机构410执行的分析。在需要时，用户接口430还能够以某种方式例如经由连接250连接到触发装置225，以便能够经由用户接口430操作触发装置。

在需要时，用户接口430能够包括在与监视装置235相同的物理实体中。在图4中，比较机构410、信号寄存器400及样本寄存器405示为在相同物理实体中实现。然而，情况不必是如此。例如，比较机构410能够对于信号寄存器400和/或样本寄存器405是单独的，并且例如能够与用户接口430位于相同的物理实体中。另外，用户接口430能够是与相同物理实体的一部分。

在故障检测系统200的一个实施例中，故障检测系统用于线路故障的定位及线路故障的检测。当由于已记录信号图案和对应于正常操作的对应样本信号图案不一致而已检测到线路故障时，能够分析已记录信号图案以便确定生成的电脉冲的传送与对应于在线路故障处的反射的收到信号图案中特征的接收之间的时间间隔。从此时间间隔中，如相对于图3b所讨论的一样，可确定线路故障的位置。比较机构410例如能够设置成执行此类分析，或者能够引入单独的故障定位机构。

在图5中示出用于生成要注入到分支线路205a/b中的电脉冲的脉冲生成电路210a/b的示例。图5的脉冲生成电路210a/b包括一端接地且另一端经由二极管507连接到电源505的电容器500。因此能够从电源505给电容器500充电。电源505例如能够在HVDC系统100外部。脉冲生成电路210还包括电子开关510，其一端连接到输出端213，并且另一端连接到电容器500的电源端。电子开关510连接到触发信号输入端220。在当脉冲生成电路210a/b连接到分支线路205a/b时电子开关510点火（firing）的情况下，如果已给电容器500充电，则将脉冲注入到分支线路205a/b中。电子开关510例如能够包括如图5所示反并联的晶闸管515和二极管520；或串联的IGBT或任何其它适合电子组件。备选，能够使用其它开关或火花帽而不是电子开关510，诸如例如机械开关。

用于给电容器500充电的电源505例如能够是低压辅助电源。能够在电源505与电容器500之间使用电压变换器525以便在电容器500处生成更高电压，例如，大约50-100 kV。此类电压变换器525的一端能够有利地接地。电路开关530能够包括在电源505与电压变换器525之间，借助于该电路开关530，电源505能够在已给电容器500充电或在闲置时断开连接。能够在电压变换器与电容器500之间提供电阻器535以便限制充电时的冲流，并且能够在电源505与二极管507之间提供串联电容器540以便防止电压变换器525的DC饱和。电阻分压器545或其它电压测量装置能够与电容器500并联以便进行电压测量。二极管547连接在地与电容器540与二极管507之间的点之间以便给电容器540再充电。图5的脉冲生成电路也能够包括电流测量装置550（例如，电流变换器），电流测量装置550能够用于测量脉冲以便提供对于图2的电流测量装置245a/b提供的注入脉冲电流测量而言备选或互补的注入脉冲电流测量。

图5的脉冲生成电路210设置成生成正极性的脉冲。为生成负极性的互补脉冲，晶闸管515和二极管520、507及547要以反方向的方式连接。因此，为提供第一脉冲生成电路和第二脉冲生成电路210a和210b，能够提供如图5所示的一个脉冲生成电路210和其中晶闸管515和二极管520、507及547已反方向连接的一个脉冲生成电路。

可以许多方式改变脉冲生成电路210。例如，能够经由Greatz桥接器给电容器500充电。随后，能够在变换器525的两侧上有利地提供完全绝缘。另外，变换器525可替代为电子变换器。也可以使用DC到AC变流器。备选，能够使用其它类型的脉冲生成电路210。由于在故障检测系统200中的脉冲生成电路210的输出侧没有在生成的电脉冲包括DC分量的情况下受饱和影响的组件，因此，在两个脉冲生成电路210a和210b生成的互补脉冲的形状稍有不同时不会有害。因此，脉冲生成电路210的设计能够保持简单。

此外，脉冲生成电路210生成的电脉冲能够采用多个不同形状。由于在输出侧不需要在生成的电脉冲包括DC分量的情况下受饱和影响的组件，因此，在需要时，每个脉冲生成电路210能够适用于生成单极性的电脉冲。一般而言，与在要生成双极性的脉冲的情况下相比，设置成生成单极性脉冲的脉冲生成电路210a/b能够保持得更简单。然而，上述故障检测系统200也能够通过设置成生成双极性的电脉冲的脉冲生成电路210a/b操作。

在一些情况下，可能希望生成不同持续时间的信号脉冲。例如，如果在某个时间将单一信号脉冲注入到分支线路205a和205b之一中，则该脉冲的持续时间能够有利地比同时注入互补脉冲更长，这是因为单个脉冲的衰减大得多。有利于改变注入脉冲的持续时间的一种方式是提供注入线路214a和214b中能够分别改变的电感的串联反应器。在图6中示出包括可变电感的串联反应器600a和600b的注入线路214a和214b。通过增大电感600a/b，脉冲生成电路210a/b生成的脉冲的持续时间将增大，且反之亦然。电感600a/b的机构（通过该机构，电感600a/b可以改变）在一种实现中能够设置成经由触发装置输出端605从触发装置225接收信号，反应器600a/b的电感响应该信号而改变。用于改变电感的此类机构例如能够是用于使电感与注入线路214a/b连接或使电感与注入线路214a/b断开连接的开关，或者用于使串联的另外的反应器或匝连接/断开连接的开关。在提供可变电感600a/b的实现中，触发装置225能够设置成发送指示是需要大电感还是需要更小电感的信号到电感600a/b。在需要时，反应器600a/b的机构还能够设置成经由用户接口610得到控制，用户接口610例如能够是与用户接口430相同的用户接口。电感的低值产生更尖锐的脉冲，有利于故障的更精确定位。电感的更大值产生经历更少衰减的更宽脉冲，特别是对于接地模式分量，从而产生远程故障的更可靠检测，但降低了关于故障的位置的精度。在一种实现中，以电感600a/b的更高值传送最初传送的脉冲。在检测到怀疑的故障时，降低电感600a/b，以便能够更精确地确定故障的位置。通过最初在更宽脉冲上执行测量，能够确定故障的大约位置，并且随后能够选择从更尖锐脉冲获得的信号图案的对应部分以进行更仔细检查 - 一旦故障的大约位置已确定，更尖锐脉冲的差分辨率便将不太成问题。

如果在注入线路214a/b中提供可变电感600a/b，则可能希望允许生成不同幅度的电脉冲，以便在可变电感600a/b的电感更高时能够生成更高幅度的电脉冲。改变生成的电脉冲的幅度的可能性在注入线路214a和214b的阻抗恒定的实现中也可以有用，例如，如果在已记录信号图案中出现与预期信号图案的弱偏差，在此情况下，电脉冲的幅度增大可改进分辨率。在图5所示脉冲生成电路210的示例中，生成不同幅度的电脉冲信号的可能性例如能够通过包括与图5的电源505和电路开关530串联且带有可变匝比的变换器700来实现。此类实现在图7a中示出，图中具有可变匝比的变换器700连接在电源505与电路开关530之间。备选，电路开关530能够设置成在电容器500充电时如果电容器500上的电压已达到所需电平，则使电源505和电容器500断开连接。这例如能够通过连接计时器705到电路开关530的激励器来实现，例如能够通过从触发装置225（参见图6中的输出端605）和/或经由用户接口发送的信号控制该计时器。此类实现在图7b中示出。控制电路开关530的备选方式能够是在电容器500上的电压已达到所需电平时向电路开关530的激励器提供指示电路开关530应断开连接的信号。在图7c中示出此类实现的示例，图中例如电阻分压器等电压测量装置545设置成测量电容器500上的电压。图7c的电压测量装置545设置成输送（指示测量的电压的）输出信号到电压门限机构710，电压门限机构710设置成比较测量的电压和电压门限。电压门限机构710还设置成在测量的电压已达到电压门限时发送信号到电路开关530。能够设置电压门限机构710，以便能够通过从触发装置225和/或经由用户接口发送的信号控制电压门限的值。

电压测量装置710例如能够设置成能够通过从触发装置225和/或经由用户接口发送的信号控制该门限值。

在图8中以示意图方式示出借助于故障检测系统200检测HVDC系统200的电极线路中故障的方法。在步骤800中，向两个脉冲生成电路210a和210b提供触发信号。如上所述，能够同时或以有序方式向两个脉冲生成电路提供触发信号。在接收到触发信号时，每个脉冲生成电路210a和210b将在步骤805中分别在其输出端213a和213b上生成电脉冲，这些电脉冲将被分别馈送到分支线路205a和205b中。在步骤810中，检测到两个不同的信号图案A和B，其中，信号图案A包括馈送到分支线路205a中的电脉冲信号及分支线路205a上出现的任何回波信号，以及信号图案B包括分支线路205b上出现的对应信号。在步骤815中，从检测到的信号图案中推导另外的信号图案：例如，信号图案A+B和信号图案A-B。检测到的信号图案A和B及从A和B中推导的另外的信号图案在上面的描述中称为已记录信号图案。在步骤825中，比较至少一个已记录信号图案和至少一个样本信号图案，并且检查与预期信号图案的任何偏差是否超过可接受偏差。如果是，则进入步骤830，在该步骤中，生成表明与正常行为的偏差的指示。随后，过程在步骤835中结束。如果在步骤825中未发现不可接受的偏差，则进入步骤835而不先进入步骤830。

如果故障检测系统200用于故障定位及故障检测，则在步骤825后能够插入如上所述包括故障的定位的另外步骤。

在进入步骤825之前，能够为电脉冲的同时传送和有序传送执行步骤800-815。备选，能够为一种注入模式执行步骤800-825，例如，互补脉冲的同时传送，并且如果在步骤825中发现偏差，则能够也为另一注入模式执行步骤800-825（例如，在214a或214b上的单一信号注入，或在214a和214b上的有序注入）。随后，在已为所有相关注入模式执行步骤825时，能够进入步骤830。然而，在一种实现中，一直只使用一种注入模式。

图8的方法例如能够改变为如下：在分别馈送到分支线路205a和205b中的电脉冲均由相同脉冲生成电路210生成，以便步骤800的触发信号只发送到一个脉冲生成电路。

能够有利在监视装置235中执行图8的步骤815-830。监视装置例如能够借助于硬件和软件的适合组合实现。在图9中，示出了以示意图方式示出图4的监视装置235的一种备选方式。图9示出包括处理部件900的监视装置235，处理部件900连接到存储器形式的计算机程序产品905及接口240、260、428和用于存储信号图案的存储器920。计算机程序产品905包括存储计算机程序910的计算机可读代码部件，计算机程序910在由处理部件900执行时，促使监视装置235执行图8的步骤815-830。换而言之，监视装置235及其比较机构410可在此实施例中借助于计算机程序910的对应程序模块来实现。在所示实施例中，监视装置235包括用于存储已记录信号图案及样本信号图案的存储器920。在需要时，存储器920能够实现为存储器905的一部分。处理部件900能够是一个或多个处理器 - 例如，处理部件900的一个处理器能够设置成执行与来自当前测量装置245a和245b的信号图案的记录有关的代码，并且另一处理器能够设置成执行与比较机构410有关的代码；或者相同的处理器能够用于这些目的。存储器905和920能够是任何类型的非易失性计算机可读部件，如硬驱动器、闪存、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）、DVD盘、CD盘、USB存储器等。

故障检测系统200中用于在故障检测系统200内发送信号的不同实体之间的任何连接能够是有线连接或无线连接，例如无线电连接（例如，蓝牙）、红外连接等。

上述故障检测方法和系统200适用于具有至少一条电极线路115的任何类型的HVDC系统100，诸如单极HVDC系统100、双极HVDC系统100、包括HVDC站105的网络的HVDC系统100等。根据具有两个分支线路的电极线路进行以上描述。上述技术也能够应用到具有多于两个分支线路的电极线路，这种情况下，线路故障检测系统将设置为独立检测来自每个分支线路的信号图案。上述技术的一些方面也适用于用于检测只具有一个分支线路的线路或电缆中的故障的故障检测系统，上述技术的一些方面例如是相对于图6讨论的可变电感以便改变生成的电脉冲的宽度，以及用于生成幅度改变的电脉冲的不同装置。

虽然在随附独立权利要求项中陈述本发明的各种方面，但本发明的其它方面包括在上面描述中和/或附图中所示的任何特性的组合，而不只是在随附权利要求书中明确陈述的组合。

本领域的技术人员将理解，本文中所述技术不限于附图和上面的详细说明中公开的实施例，这些实施例只是为了说明而陈述，本发明能够以多种不同的方式实现，并且它由随附权利要求书定义。

Claims (15)

1. 一种用于检测HVDC系统(200)中电极线路(115)上线路故障的故障检测系统(200)，其中所述电极线路包括并联的第一分支(205a)和第二分支(205b)，所述线路故障检测系统包括：

第一脉冲生成电路(210a)，具有经由第一注入线路(214a)可连接到所述第一分支的触发输入端(220a)和输出端(213a)，所述第一脉冲生成电路设置成在接收到触发信号时在所述输出端生成第一电脉冲；

第二脉冲生成电路(210b)，具有经由第二注入线路(214b)可连接到所述第二分支的触发输入端(220a)和输出端(213b)，所述第二脉冲生成电路设置成在接收到触发信号时在所述输出端生成与所述第一脉冲有相反极性的电脉冲；

第一电流测量装置(245a)，设置成生成指示所述第一分支线路中出现的电信号的信号；

第二电流测量装置(245b)，设置成生成指示所述第二分支线路中出现的电信号的信号；以及

监视装置(235)，具有到所述第一电流测量装置和所述第二电流测量装置的连接，所述监视装置设置成记录：

来自所述第一电流测量装置的第一已记录信号图案，所述第一已记录信号图案包括所述第一分支线路上响应电脉冲信号的所述生成而出现的信号，以及

来自所述第二电流测量装置的第二已记录信号图案，所述第二已记录信号图案包括所述第二分支线路上响应电脉冲信号的所述生成而出现的信号。

2. 如权利要求1所述的故障检测系统，还包括：

比较机构，设置成从第一已记录信号图案和第二已记录信号图案的相加和/或相减中生成至少一个另外的已记录信号图案。

3. 如权利要求1或2所述的故障检测系统，还包括：

样本寄存器(405)，设置成存储指示在特定情形中预期的预期信号图案的至少一个样本信号图案。

4. 如权利要求3所述的故障检测系统，还包括

比较机构(410)，设置成比较至少一个已记录信号图案和至少一个样本信号图案，并设置成如果检测到超过偏差门限的偏差，则生成故障指示信号(428)。

5. 如权利要求4所述的故障检测系统，其中

所述比较机构还设置成如果检测到超过偏差门限的偏差，则推导到引发所述偏差的故障的距离的估计，并设置成生成指示所述距离估计的故障指示信号。

6. 如前面权利要求任一项所述的故障检测系统，还包括：

触发装置(225)，具有经由触发输出端（230a，230b）到所述第一脉冲生成电路的所述触发输入端和到所述第二脉冲生成电路的所述触发输入端的连接，所述触发装置设置成在所述触发输出端生成至少一个触发信号以启动故障检测事件。

7. 如权利要求6所述的线路故障检测系统，其中

设置所述触发装置，以便触发信号能够选择性地：发送到所述第一脉冲生成电路和所述第二脉冲生成电路之一；有序地发送到所述第一脉冲生成电路和所述第二脉冲生成电路；或同时发送到所述第一脉冲生成电路和所述第二脉冲生成电路。

8. 如前面权利要求任一项所述的故障检测系统，还包括所述第一注入线路和所述第二注入线路，以及其中

可变电感分别与所述第一注入线路和所述第二注入线路串联。

9. 如前面权利要求任一项所述的线路故障检测系统，其中

以使得生成的电脉冲的幅度可以改变的方式来设置所述脉冲生成电路。

10. 一种HVDC系统(100)，包括具有第一分支和第二分支（205a，205b）的至少一个电极线路(115)，所述HVDC系统包括如权利要求1-9任一项所述设置成检测所述HVDC系统的至少一个电极线路中线路故障的故障检测系统。

11. 一种检测HVDC系统(200)中电极线路(115)中线路故障的方法，其中所述电极线路包括并联的第一分支(205a)和第二分支(205b)，所述方法包括：

生成(805)经由第一注入线路(214a)到所述第一分支上的第一电脉冲；

生成(805)经由第二注入线路(214b)到所述第二分支上的第二电脉冲；

响应电脉冲信号的所述生成，记录(810)表示所述第一分支线路上出现的电信号的第一已记录信号图案；以及

响应电脉冲信号的所述生成，记录(810)表示所述第二分支线路上出现的电信号的第二已记录信号图案。

12. 如权利要求11所述的方法，还包括：

从所述第一已记录信号图案和所述第二已记录信号图案中推导(815)至少一个另外的已记录信号图案；

比较(825)至少一个已记录信号图案和样本信号图案；以及，如果检测到超过偏差门限的偏差，则：

生成(830)故障指示信号(428)。

13. 如权利要求11或12所述的方法，其中

在相同时间点生成所述第一电脉冲和所述第二电脉冲。

14. 如权利要求11-13任一项所述的方法，还包括：如果检测到超过所述偏差门限的偏差，则：

基于已记录信号图案，估计到引发所述偏差的故障的距离。

15. 如权利要求11-14任一项所述的方法，还包括

在生成所述第一电脉冲和所述第二电脉冲之前，调整所述注入线路的阻抗（600a，600b），以调节馈送到所述分支线路上的所述电脉冲的宽度。

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