一起換流站交流濾波器電容器不平衡保護動作事件分析

摘要：南方電網(wǎng)某換流站發(fā)生一起交流濾波器電容器不平衡保護動作事件，現(xiàn)簡要介紹電容不平衡保護的基本原理，分析事件發(fā)生經(jīng)過以及保護動作情況，梳理出事件原因，經(jīng)過異常檢查排查出B相存在多只故障電容器，在進(jìn)行電容器更換后，不平衡現(xiàn)象消失。

關(guān)鍵詞：交流濾波器；電容器不平衡保護；保護動作

中圖分類號：TM772" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0010-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.003

0" " 引言

高壓直流輸電換流站在進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換時，會在兩側(cè)產(chǎn)生一定的諧波，其中包括換流器固有特征帶來的特征諧波，以及非理想狀況下由濾波器參數(shù)不對稱等因素引發(fā)的非特征諧波。交流濾波器安裝于換流站的交流母線，主要用于限制直流輸電系統(tǒng)向交流系統(tǒng)注入諧波[1-2]。

濾波器如果發(fā)生故障，需要及時隔離和處理，避免故障擴大化，威脅直流輸電系統(tǒng)的運行，乃至造成停電風(fēng)險。國內(nèi)換流站濾波器組出現(xiàn)故障的情況并不少見，不少研究針對電容器不平衡保護動作事件進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[3]提出了一種故障電容器組定位方法，該方法可精確定位雙H橋的1/6區(qū)域；文獻(xiàn)[4]探討了一起交流濾波器發(fā)生不平衡保護動作導(dǎo)致開關(guān)跳閘的事故，故障由電容器元件擊穿引起；文獻(xiàn)[5]推導(dǎo)計算了損壞不同個數(shù)元件時電容器的不平衡電流和過電壓倍數(shù)。

近期南方電網(wǎng)某換流站發(fā)生一起由于交流濾波器電容故障，引發(fā)電容不平衡保護動作的事件，本文將針對這一事件案例，根據(jù)現(xiàn)場故障錄波的波形分析保護的動作情況以及事件原因，并對事件的處置情況進(jìn)行介紹，對換流站交流濾波器故障分析具有一定的參考價值。

1" " 電容器不平衡保護原理

換流站中的交流濾波器容量大，均采用分組的方式進(jìn)行配置，大組中又分為若干小組，小組的電氣原理圖如圖1所示。

電容器是交流濾波器的重要組成部分，由圖1可知交流濾波器小組中包含有高端電容器C1和低端電容器C2。為提高電容器耐壓，一組電容器也是由大量電容元件串并聯(lián)組成。理論上來說，單個電容元件的損壞對整組電容器的運行并沒有很大的影響[4]。

為了增強對電容器的保護，常采用H形接線方式[5-7]，而每個橋臂采用相同數(shù)量和參數(shù)規(guī)格的電容器通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合而成，例如圖1中的C1電容其典型接線方式如圖2所示。

圖2中C11～C14四個電容單元構(gòu)成H形接線，TA1和TA3用于測量電容器組的穿越電流，可構(gòu)成差動保護，H橋中點連線配置的TA2用于測量不平衡電流。根據(jù)電路原理，不平衡電流與穿越電流的關(guān)系為：

Iub=

-

Ic（1）

式中：Iub為不平衡電流；Ic為電容器組的穿越電流。

所謂的電容器不平衡保護就是根據(jù)電流互感器監(jiān)測不平衡電流的實時情況，推斷電容器的運行狀況[8-9]。電容器不平衡保護包含比值不平衡保護、計數(shù)不平衡保護等，本次事件動作為比值不平衡保護。所謂比值不平衡保護即將不平衡電流與穿越電流相除得到一比值，根據(jù)比值設(shè)定保護動作判據(jù)，以防止外部系統(tǒng)電壓波動對電流數(shù)值的影響。判據(jù)如下：

gt;Kset（2）

式中：ITA2、ITA3分別為圖2中兩組電流互感器測量得到的電流；Kset為比例整定值，需要結(jié)合實際中電容器允許損壞的元件個數(shù)進(jìn)行確定。

根據(jù)圖2所示電路，基于MATLAB/Simulink建立仿真模型，分析單個電容單元由于故障發(fā)生參數(shù)偏離的場景，從而計算不平衡電流與穿越電流的比值關(guān)系，如圖3所示。

由圖3可見，若C11～C14四個電容單元參數(shù)規(guī)格完全一致時，式（1）結(jié)果為零，即不存在不平衡電流；反之，若電容參數(shù)出現(xiàn)局部偏差，式（1）結(jié)果將不為零，且隨著電容偏差情況增大，不平衡電流的比值也顯著增加。

2" " 事件分析

2.1" " 事件經(jīng)過

SER報某交流濾波器保護C1電容器比值不平衡保護Ⅲ段動作，跳開該回路開關(guān)A、B、C三相，換流站直流功率未受到影響，當(dāng)天站內(nèi)天氣為陰。

現(xiàn)場檢查一次設(shè)備，開關(guān)三相在分閘位置；檢查二次設(shè)備，該組交流濾波器保護屏1 C1電容器比值不平衡保護Ⅲ段動作，該組交流濾波器保護屏2 C1電容器比值不平衡保護Ⅲ段動作，分相操作箱A、B、C相跳閘Ⅰ、跳閘Ⅱ指示燈亮。隨后隔離該組交流濾波器開關(guān)，對交流濾波器進(jìn)行搶修。

本次事件中，該組交流濾波器跳閘對電網(wǎng)運行、電力正常供應(yīng)未造成任何影響。

2.2" " 保護動作情況分析

該組濾波器C1比值不平衡保護判據(jù)如下：

1）C1比值不平衡Ⅰ段：

|ΔIT2/IT3|gt;0.287，延時t1=5 s告警。

2）C1比值不平衡Ⅱ段：

|ΔIT2/IT3|gt;0.459，延時t2=2 h跳閘。

3）C1比值不平衡Ⅲ段：

|ΔIT2/IT3|gt;0.831，延時t3=0.05 s跳閘。

本次事件中該組濾波器C1比值不平衡Ⅲ段保護跳閘，相應(yīng)的TFR錄波文件如圖4所示。

保護裝置的動作報告記錄的各相電流數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1中的校正是電容器的制造偏差，導(dǎo)致C1電容器組在出廠之后就可能存在一個固定的不平衡電流，因此需要對該固有不平衡電流進(jìn)行補償與校正。具體方式是在投運后記錄該電流的比值與方向，利用該關(guān)系在后續(xù)進(jìn)行補償校正。

從TFR錄波可以看出，該組交流濾波器中的T2 B相電流有效值在故障時刻從0.065 A突變至0.760 A，即檢測到一突增的不平衡電流。查看裝置B相T2不平衡電流Ib_校正初始值為0.100 A，校正后T2不平衡電流為0.760-0.100=0.660 A，而T3 B相電流穩(wěn)定在0.594 A左右。根據(jù)計算|ΔIT2/IT3|=1.111gt;0.831，滿足C1比值不平衡Ⅲ段判據(jù)，持續(xù)超過50 ms，滿足C1比值不平衡Ⅲ段動作延時，因此該組交流濾波器主一、主二保護均動作，跳開小組濾波器開關(guān)。

綜上所述，該小組濾波器主一、主二保護濾波器C1比值不平衡保護Ⅲ段均正確動作，判斷故障位于該小組濾波器B相。

3" " 事件處置

在對出現(xiàn)C1電容器不平衡的該組500 kV交流濾波器進(jìn)行異常檢查后，進(jìn)行了相應(yīng)的處理。

由于定位故障在B相，現(xiàn)場測量了該組濾波器C1電容器B相高、低壓電容塔的單只電容，發(fā)現(xiàn)高壓塔共4只電容出現(xiàn)明顯異常。具體情況如下：HL42實測值27.62 μF（出廠值22.82 μF，偏差21.03%）、HL52實測值21.65 μF（出廠值22.86 μF，偏差-5.29%）、LL27實測值21.97 μF（出廠值22.86 μF，偏差-3.89%）、LL43實測值21.74 μF（出廠值22.71 μF，偏差-4.27%）。

分別用合格新備品電容對上述電容器進(jìn)行更換，更換后為HL42實測值22.56 μF（出廠值22.80 μF，偏差-1.05%）、HL52實測值22.65 μF（出廠值22.87 μF，偏差-0.96%）、LL27實測值22.67 μF（出廠值22.89 μF，偏差-0.96%）、LL43實測值22.64 μF（出廠值22.83 μF，偏差-0.83%）。

測量橋臂電容為高壓塔A柱2.342 9 μF、高壓塔B柱2.342 1 μF、低壓塔A柱2.590 0 μF、低壓塔B柱2.588 5 μF，計算不平衡度為0.000 080 8，滿足低于萬分之一的要求。其余檢查未發(fā)現(xiàn)異常，電容器無鼓肚、滲漏油及放電跡象。

4" " 結(jié)束語

本文針對南方電網(wǎng)某換流站的一起交流濾波器電容器不平衡保護動作事件進(jìn)行分析，根據(jù)保護動作情況以及故障錄波波形數(shù)據(jù)，定位出故障點在交流濾波器組的B相；進(jìn)一步對電容進(jìn)行檢測，排查出4只電容存在明顯異常，采用備品進(jìn)行更換，使得交流濾波器不平衡現(xiàn)象消失。

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收稿日期：2024-11-13

作者簡介：黃華（1987—），男，廣西河池人，高級工程師，研究方向：高壓直流輸電運維。