交流滤波器保护配置和实现

交流滤波器保护配置和实现一、引言在直流输电系统中，为了滤除直流控制系统产生的谐波以避免对交流输电系统带来不良影响，同时补偿直流控制系统消耗的无功功率，在直流系统运行过程中必须投入一定数量的交流滤波器（必须满足交流滤波器组数最小运行方式）。交流滤波器由电容、电抗和电阻串并联组成，根据交流滤波器本身滤除谐波分量的频率的大小，交流滤波器有多种不同的接线形式，其保护配置也不尽相同。本文根据国内实际应用的直流输电工程，就几种典型的交流滤波器接线方式进行讨论。二、交流滤波器特点及其对保护的影响交流滤波器现场典型接线形式如图1所示。图1（一）连接方式多样化交流滤波器为了达到滤除谐波的目的，其中部分电路可能要调谐于某个谐波分量，这种谐振作用会带来谐振过电压或者过电流，因此需要对该部分电流设计，特殊的保护，导致不同的交流滤波器的保护配置不尽相同。（二）母线电压波动交流滤波器母线电压随着投入交流滤波器和并联电抗器的数量发生较大的变化，导致流过交流滤波器的电流不断发生变化，这对电容器不平衡保护、过电流保护、零序过电流保护都带来一定的影响。（三）谐波电流正常情况下，交流滤波器中流过较大的各次谐波电流，而且随着直流系统的运行工况的变化，这些谐波电流的大小和频率都将发生变化，由于谐波电流的发热能力一般比基波要大一些，所以对交流滤波器的过负荷保护会产生一定的影响。（四）系统特殊工况带来的暂态过程直流系统和交流系统的各种特殊工况可能导致交流滤波器母线电压发生突变，由于交流滤波器中大量电容器件的充放电过程，可能导致交流滤波器流过很大的冲击电流，有可能在差回路中产生较大的差电流，对差动保护产生一定的影响。二、交流滤波器保护的配置和实现（一）电容器不平衡保护交流滤波器中最重要的组成部分是高端的电容器，它承受了大部分的母线电压，容易在电容器损坏后发生雪崩，造成爆炸。为了有效保护这些电容器，现场一般把电容器分成4组大小相同的部分，用H型接线连接起来。正常情况下由于4组电容器的电容相同，中间的桥接线上没有电流流过，一旦电容器发生击穿或者熔丝熔断等情况后，桥上就流过不平衡电流，这样就可以检测电容器是否发生故障。假设正常情况下4组电容器的电容为C1，发生故障之后一组电容器的电容变为C2，那么中间桥上流过的不平衡电流为：式中：ic为流过这个电容器的电流。假设一次系统的电容器损坏之后电容变化了1%，此时由此产生的不平衡电流只有流过整个电容电流的0.25%，所以可以看出电容器损坏之后产生的不平衡电流很小，目前现场投运的交流滤波器保护的不平衡动作定值一般为几十mA到100多mA,这就要求保护装置必须对不平衡电流有很高的测量精度，而且不平衡保护在实现过程中还有以下几个难点需要解决：（1）正常投运的交流滤波器中4组高端电容器不可能完全相同，导致正常情况下可能有较大的不平衡电流流过桥支路，以葛洲坝换流站的低通交流滤波器为例，其高端不平衡保护的动作定值为95mA,但是正常情况下就有89mA的不平衡电流流过桥支路，显然如果不能补偿这个正常情况下的不平衡电流，高端不平衡保护就基本无法实现。（2）母线电压随着系统的运行方式和投人交流滤波器的数量发生变化，导致流过桥支路的不平衡电流随之发生变化，这将影响电容器不平衡保护的灵敏度。（3）电容器的电容值受到很多外部环境参数的影响，例如温度变化等。为了很好地解决以上几个问题，通过深人的理论分析和动模试验，我们采用带有自动补偿方式的稳态不平衡元件和带有浮动门槛的暂态不平衡元件共同构成交流滤波器的电容器不平衡保护，它既能提高不平衡保护动作的灵敏度，又能保证在各种复杂的系统运行方式下不误动。1．带有自动补偿方式的稳态不平衡元件在实际投运过程中，交流滤波器的4组高端电容器不尽相同，导致一个固定的不平衡电流存在，而且这个不平衡电流还随着母线电压的变化而变化，但是该不平衡电流和流过整个电容器的比例是一定的，这样就可以利用这个关系对固有的不平衡电流进行补偿：在更换交流滤波器的高端电容器之后的第1次投运时，由运行人员在保护装置的面板上触发一次锁存初始化不平衡保护参数的命令，装置接收到该命令后，自动将此时各相不平衡电流和全电容电流的比值和方向记忆下来。假设A相锁存的比值参数为k,那么在保护运行过程中，自动补偿之后的不平衡电流icom为：式中：iub为不平衡电流的实际采样值。这样，稳态不平衡元件的实现就变成为：式中kset为稳态不平衡保护的整定定值。由于在自动补偿和保护实现过程中引人了全电容电流ic，消除了初始的电容器偏差带来的不平衡电流对不平衡保护的影响，同时，母线电压发生变化时也可以正确补偿初始不平衡电流，由于采用了上述判据，在现场运行时保护装置能够很好地补偿初始电容不平衡电流，补偿之后不平k衡电流小于5mA，大大提高了不平衡保护的灵敏度。2．带有浮动门槛电流跟踪的暂态不平衡保护电容器的参数在外界环境参数（如温度等）发生变化时会发生缓慢变化而产生一定的不平衡电流，为了消除这种不平衡电流对不平衡保护的影响，需要引入带有浮动门槛电流跟踪的暂态不平衡保护，该保护元件可通过带有浮动门槛的电流跟踪元件跟踪不平衡电流的变化并自动进行补偿，其动作方程如下：式中：△icom暂态不平衡电流。由于采用了以上两个不平衡保护原理，大大提高了不平衡保护的灵敏度，而且不受系统运行方式的影响，在区内、区外发生．故障后电容器放电引起暂态过程也不会误动，使得不平衡保护的安全性、可靠性与灵敏度同时兼顾。图2为葛洲坝换流站交流滤波器电容器损坏故障的保护动作录波波形，其中每个周期采样24点。（二）谐波过负荷保护对于电力系统的其他元件（如变压器、发电机、电抗器等），一般只考虑工频电流引起的过负荷，因为这些元件中不可能长时间流过较大谐波电流，但是对于交流滤波器来说，正常情况下流过的谐波电流可能占到基波电流的20%～30%，并且对于电阻和电感元件，频率越高的电流导致的发热越严重，所以在设计其过负荷保护时必须考虑到谐波电流的影响。电抗器的发热功率表达式为：P=I2R（1）式中：R为电抗器本身的电阻。考虑到1由基波分量和很多次谐波分量组成：将式（2）代入式（1），同时考虑到电抗器本身对于不同谐波电流的电阻不同，并且不同频率之间的正弦分量是正交的，它们的矢量积为0，有式中：R0,R1，…是电抗器对于不同谐波分量的阻抗。从式（3）可以看出，不同频率的正弦分量电流在电抗器上的发热效应是独立的，与其他频率的分量不相关，这样就可以将各个频率分量的电流发热贡献累加等效到工频基波电流：式中：ξ为单位基波电流的发热贡献：k0,k1，…为其他单位谐波分量等效到基波电流的发热贡献之间的比例系数。这样就有：k1就是这个等效热电流。计算得到等效的基波热效应电流之后，就可以实现电抗器的谐波过负荷保护了。同时，如果电抗器生产厂家能够提供反时限发热特性，还可以在保护装置中实现反时限过负荷保护。（三）差动保护交流滤波器由电容、电抗和电阻串并联形成，导致其在内部发生接地故障后流过的电流一般变化不大，尤其是经过渡电阻接地时，差电流很小，这就要求差动保护有很高的灵敏度来检测这些故障。为了提高灵敏度，我们选择交流滤波器的低端电流作为差动保护的制动电流，在区外故障时它等效于（ih+i1）/2，保证了较大的制动量，而在区内故障时，它会不同程度地变小，金属性接地时更是会降为0，保证区内故障的快速切除。同时，装置中配置了变化量差动保护，提高了区内经过过渡电阻接地时差动保护的灵敏度。（四）考虑全电流特性的低端电容器不平衡保护H12/24型交流滤波器的低端电容器也被连接成H型接线形式，同样配置了电容器不平衡保护。由于这些电容器的安装位置接近大地，损坏的可能性比较小，这种连接方式中一般只由4个电容器组成，这样电容器损坏之后会产生较大的不平衡电流，采用不平衡电流过流保护的灵敏度上一般没有什么问题，但是有一点值得注意：由于交流滤波器本身阻抗分配的关系，正常情况下和故障情况下流过低端电容器的电流中主要是特征谐波分量，基波分量很小，所以在实现低端不平衡保护时应该同时考虑基波电流和谐波电流的大小。低端不平衡保护的动作方程为：（五）低端电容器保护对于滤除3次谐波的HP3型交流滤波器，低端的电容器和电抗器谐振于50Hz的工频分量，正常情况下没有工频电流流过与其并联的电阻支路。由于串联谐振属于电压谐振，导致正常运行过程中，串联支路的电容器承受一定的过电压，容易导致电容器损坏。为了防止这种情况，需要配置低端电容器保护，该保护检测与谐振支路并联的电阻上流过的工频电流，其动作方程为：ir＞iset值得注意的是，基于这种原理的低端电容器保护灵敏度比较低，原因是由于滤波器本身的阻抗分配关系导致电容器损坏之后流过电阻支路的工频电流很小，一般一次系统中这个电流也只是毫安级，并且该电阻上还流过大量的谐波电流，需要提取淹没在谐波中这么微弱的工频信号对保护装置来说存在一定困难；同时，滤波器参数不可能完全达到设计要求，或者在电力系统频率发生细微变化的情况下，导致谐振回路失谐，正常情况下就有工频电流流过电阴、支路，降低了保护的灵敏度。为此，灵宝换流站中的HP3滤波器的低端电容器采用了与高端电容器同样的H型接线，通过检测桥上的不平衡电流来判断电容器是否发生故障，保护的原理也采用了高端不平衡保护的保护原理。（六）其他保护配置1．失谐检测功能交流滤波器中电容、电抗或者电阻值发生变化时可能导致该相失谐，谐波不能通过滤波器，由于不对称给正常的滤波器带来过应力，所以需要配置失谐检测功能来检测滤波器元件早期的细小变化，该功能通过检测交流滤波器低端电流的零序电流来实现。2．过流和零序过流保护功能为了防止交流滤波器过电流损坏，可以配置过电流保护和零序过流保护，零序过流保护还可以用来保护交流滤波器低压端的接地故障和各相的开路故障。三、结语本文讨论了高压直流输电系统中交流滤波器的接线方式和保护配置，阐述了这些特点以及直流输电的各种特殊运行工况对交流滤波器保护带来的影响，并提出了相应的保护方案。以上方案已在RCS-976型交流滤波器保护装置中采用，并在葛洲坝换流站试运行1年后在葛洲坝换流站、南桥换流站和灵宝换流站正式运行，经历了交流系统的区外故障、直流系统的各种运行工况及故障考验，并有多次正确动作记录，证明了方案的正确性。