高压直流输电系统交流滤波器故障与保护分析

高压直流输电系统交流滤波器故障与保护分析
摘要：在高压直流系统中，交流过滤器在消除谐波和反应补偿方面起着重要的作用。

高压输电系统是其稳定可靠运行的重要组成部分，直接关系到整个高压输电系统的安全性和稳定性。

交流过滤器通常与转换变压器的交流电并联，它不仅能承受高压，而且还能承受设备的稳定性和绝缘水平，因为它有大量的基本和谐波电流。

因此，有必要对交流过滤器的保护进行全面的研究，并对交流过滤器的故障机制和交流过滤器保护的原理和配置进行研究，这是非常有用的。

关键词：高压直流输电；交流滤波器；故障分析；保护方案
直流高压系统中的交流滤波器具有谐波电流限制和反应补偿的双重功能，其可靠的运行直接影响整个直流高压系统的安全性和稳定性。

分析了短路、冷凝器故障、设备过载和滤波器失谐等问题。

通过故障分析和EMTDC/PSCAD仿真，系统地研究了故障可配置保护，指出了各保护的特点和不足，为实际直流工程中交流滤波器保护的选型和配置提供了理论指导。

一、交流滤波器的构成与故障类型
1.差动保护。

交流滤波器发生短路故障时，母线侧电流ct1i与接地侧电流
CT3I产生电流差，差动保护是通过检测该电流差来判断故障。

然而，在交流滤波器外部故障的情况下，由于变压器传输误差引起的差动保护检测到的差动电流可称为不平衡电流。

为了区分被检测到的差动电流是由内部故障引起的还是由不平衡电流引起的，交流滤波器一般采用比制动差动保护作为主要保护，选择交流滤波器接地电流CT3 I作为制动电流。

外区故障时接地侧电流大，制动量大；当故障发生在带内时，接地侧电流会不同程度地减小，保证了故障在带内能够快速准确地排除，提高了差动保护的灵敏度。

建立比率制动式差动保护动作方程如式（1）所示。

（1）
其中：Icdqd为差动电流启动值，设置通过交流滤波器过电压时的最大不平衡电流；Kref为信度系数；K1是过电压的倍数；Ker是电流互感器的具体误差；Kaper为电流互感器的非周期系数；Kst为电流互感器的同型系数；∆m为电流互感器匹配误差；Ie为交流滤波器的二次额定电流；K为比制动系数，根据交流滤波器末端金属接地故障时保护的灵敏度设置。

Ires为制动电流，选取接地侧电流I CT3。

2.过流保护及零序过流保护。

过电流保护常作为短路故障的后备保护。

通过检测滤波器的母线电流ICT1，可以防止过电流对器件的损坏。

其工作电流的设定值应避免交流滤波器的最大负载电流。

当交流滤波器在地面发生短路故障时，由于三相电流不对称，会产生较大的零序电流。

此时，通过检测接地侧三相电流合成的零序电流，判断零序过电流保护。

特别是当滤波器接地侧发生接地短路时，由于故障电流小，差动保护可能无法检测到故障。

此时零序过电流保护动作有效地弥补了差动保护的不足。

其保护判据如式（2）所示。

（2）
其中，0.act I为零序过流保护整定值，应大于系统正常运行时的零序电流和测量误差。

二、电容器损坏故障与电容器不平衡保护
1.电容器损坏机理及故障特征。

高端电容C1作为交流滤波器最重要的元件，承担着大部分的母线电压，在运行过程中容易发生元件损坏。

为了检测电容器的
微小变化，一般采用h型连接或支路连接。

阐述了H型电容器的内部结构和保护
原理。

电容器的每个桥臂由一系列大小、数量相同的并联电容器组成。

为了提高
电容器的电压电阻，每个电容器一般由若干串联并联的电容器单元组成，每个电
容器单元也由若干串联并联的电容器单元组成。

为了有效地隔离失效后的元件，
通常每个电容元件都有一个串联的保险丝。

当电容器元件发生故障时，电容器元
件与电容器元件并联放电到故障元件上，使熔断器熔断，从而实现故障元件的隔离。

当电容器单元内同一并联段的多个电容元件损坏时，并联段总电容变小，承
受更高的电压，更容易熔断器熔断。

当熔断器熔断到一定数量时，甚至会发生电
容器的雪崩损坏。

假设ct CT2的阻抗为零。

根据并联原理，通过桥接的不平衡电
流为；
（3）
正常状态下，C11、C12、C13、C14相等，设其值为C，此时ICT2=0。

假设桥
臂1发生故障，C11发生微小变化∆C，此时有
（4）
正常情况下，由于四组电容容量相同，中间的桥接没有电流通过。

当桥臂上
的电容元件损坏时，平衡状态被破坏，桥连接将产生不平衡电流。

以某工程为例，交流滤波器单个电容器内部结构为3串20并，通过对电容器元件损坏现象进行EMTDC/PSCAD仿真，得到高端电容的一个桥臂的一个电容器单元中，同一串联段内电容元件从0.5s开始每隔0.05s相继损坏而被隔离，直至0.6s串联段内的3个
电容元件全部隔离，中间桥接线上不平衡电流CT2 I的变化情况如图1所示。

图1 不平衡电流变化情况
可以看出，不平衡电流随着电容元件的连续损坏而增大。

2.针对电容器损坏所配置的电容器不平衡保护。

针对不平衡电流的特点，通
过中间的桥屏蔽连接电容器电容损坏时，电容器不平衡保护的配置电容器，电容
器银行和操作状态检测的不平衡电流来判断桥连接。

目前，电容不平衡保护按原
理不同可分为三大类：桥式差动电流保护、电容比不平衡保护和电容计数不平衡
保护（1）桥式差动电流保护。

桥式差动过电流保护是通过检测桥式中间接线上
的电流ct2i来进行判断的。

当电流大于设定值时，保护动作。

由于桥式差动过流
保护只利用不平衡电流的特性量，容易受到其他因素的干扰。

当系统运行方式、
滤波器输入个数改变或换流站附近交流系统发生故障时，流经滤波器的总电流发
生变化，可能引起不平衡电流的变化，从而导致桥式差动过流保护误动作。

因此，在实际应用中，为了防止电桥差动电流保护误动作，往往需要牺牲其作为电容保
护后备保护的精度来检测多组电容H电桥的一次性损坏。

（2）比值不平衡保护。

比值不平衡保护采用不平衡电流CT2 I与总电流CT3 I的比值作为保护判据C1，避免了总电流变化对保护动作精度的影响。

当发生微小变化∆C时，
（4）
由式（4）可以看到，不平衡电流占总电流的比例只与故障元件的数量和原电
容元件的串并联有关。

采用不平衡电流与总电流之比作为保护标准。

根据电容器
连接模式、过压电路参数，单一元素容忍的水平，可以确定电容器银行抵抗损害
元素的数量，比例不平衡保护是由损伤保护操作的组件数量比为固定值，并根据
相应的元素过压保护动作延迟时间确定在容忍的水平。

（3）计数不平衡保护。

当对称故障发生时，通过中间桥接的不平衡电流可能很小，比例不平衡保护可能
无法检测到故障。

解决这个问题的方法是通过测量不平衡和间接的电流来计算对
容量造成的伤害。

当使用电容计数不平衡的保护时，当检测到电流/总不平衡比超
过固定值时，电容被认为损坏了元件，并开始计数。

当损坏的部件数量超过规定
的价值时，应采取保护措施。

在实际工作条件下，容量的大小不能完全相同，因
为四桥臂的容量允许产生偏转，而且，在没有故障的情况下，不平衡的电流通过
中间桥的手臂流动。

与此同时，随着过滤器的工作，冷凝器容量的值可以被环境
参数改变，从而导致保护装置的不适当位移。

为了解决上述问题，带有自动补偿
的稳定不平衡元素和带有浮选阈值的不平衡元素通常是交流过滤器的不平衡保护
元素，从而有效地消除上述影响。

总之，为现场操作人员操作交流滤波器保护提供了理论依据。

在实际工程中，需要结合高压直流工程的运行情况，充分考虑滤波器和设备的参数和安装方式，
确定保护动作的定值，延时逻辑，选择合适的采样频率，从而提高交流滤波器保
护的正确运行率。

参考文献：
[1]夏志勇．高压直流输电系统的谐波分析及滤波，2018.
[2]王婉君．高压直流输电系统交流滤波器故障与保护分析.2017.。