一起交流滤波器不平衡保护跳闸事故分析
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第 33 卷 第 1 期 2012 年 2 月
电力电容器与无功补偿 Power Capacitor ＆ Reactive Power Compensation
Vol． 33 No． 1 Feb． 2012
檶殞
檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶殞
运行维护与故障分析
檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶殞
檶殞
一起交流滤波器不平衡保护跳闸事故分析
72 2 144
额定电压 / kV 额定电容 / μF 额定容量 / Mvar 电容器元件串联数 电容器元件并联数 电容器元件数量
6． 58 57． 86 0． 787
3 17 51
额定电压 / kV 额定电容 / μF
2． 2 10． 21
3 563 交流滤波器 C1 电容器不平衡保护
3． 1 不平衡保护基本原理 电容器组中不平衡保护主要用于保护电容器
Analysis on an Accident of the AC Filter Trip Due to Unbalance Protection GUO Shu-yong，YANG Jie-min，MENG Jian-ming
（ Tianshengqiao Division of CSG EHV Power Transmission Company，Xingyi 562400，China ） Abstract： The trip of 563 AC filter at Xingren converter station is happened due to unbalance current protection in February 2011，which is uncommon in DC projects in the past． In this paper，wiring mode of the capacitors and basic principle on the unbalance current protection are introduced in the combination with the fault，the root causes of the accident is analyzed deeply and the corresponding solutions as well as operation ＆ maintenance suggestions are proposed，which have a significant reference to the design，operation ＆ maintenance of AC Filter． Keywords： HVDC； AC filter； capacitor； unbalance current protection
，如果
Δ
ITA2 ITA3
大于门槛值，则判断这一瞬间，左（
右）
桥臂
中某电容器损坏，故障元件差值计数器 Idiff 和故障
元件总和计数器 Isum 均加 1； 如果 － Δ
ITA2 ITA3
小于门
槛值，则判断这一瞬间，右（ 左） 桥臂中某电容器
损坏，故障元件差值计数器 Idiff 减 1，故障元件总 和计数器 Isum 加 1； 当故障元件差值计数器 Idiff 或
故障元件总和计数器 Isum 达到设定值时，启动相 应保护动作［9］。
兴仁换流站 563 交流滤波器 C1 电容器不平
·65·
2012 年第 1 期
电力电容器与无功补偿
第 33 卷
衡保护定值［10］见表 2。
表 2 C1 电容器不平衡保护定值 Tab． 2 Unbalance protection setting of C1 capacitor
可承受的损坏元件个数，以损坏元件个数确定比值
作为保护动作定值，并根据相应元件在该过电压水
平下的耐受时间确定保护动作延时。
不平衡计数保护如图 3 所示，当电容器故障
对称发生在 H 形的各个桥臂时，电流互感器 TA2 可能不会流过太大的不平衡电流，因此又辅助不
平衡计数保护进行综合判断。监测
Δ
ITA2 ITA3
为确保交流滤波器的安全稳定运行，每组交 流滤波器均配置有冗余的保护装置，其中高压电
收稿日期： 2011-08-15
容器不平衡保护是交流滤波器的重要保护之一， 主要作用是确保交流滤波器电容器发生损坏后， 及时检测并切除故障滤波器，避免电容器发生雪 崩现象。
2011 年 2 月，兴仁换流站 563 交流滤波器 C1 电容器组出现了一起罕见的不平衡保护跳闸事 故。本文介绍了交流滤波器 C1 电容器组不平衡 保护原理，对此次跳闸事故原因进行了深入分析， 并提出了相应的运行维护建议。
当 1 个桥臂电容器元件发生损坏时，损坏电 容器元件所在桥臂的电容值发生变化，原本 4 个 桥臂的电流平衡的状态被破坏，图 3 中 TA2 电流 互感器将测量到不平衡电流。利用这一不平衡电 流，判断电容器组的运行情况，当电容器故障情况 达到一定程度时，启动保护告警信号或跳闸，这就 是电容器不平衡保护的基本原理。 3． 2 563 交流滤波器 C1 电容器不平衡保护配置
1 兴仁换流站交流滤波器配置
兴安直流输送容量 3 000 MW，输电线路全长 1 194 km，直流输电电压选择为 ± 500 kV，工程起 点 为 贵 州 兴 仁 换 流 站，落 点 为 广 东 深 圳 换 流 站，
·63·
2012 年第 1 期
电力电容器与无功补偿
第 33 卷
2007 年 8 月双极投入商业运行。兴仁换流站配 置 3 大组交流滤波器，共 10 个小组，其配置分别 为： 3 组 A 型（ 双调谐 11 /13 次，140 Mvar） 滤波
不平衡 保护Ⅲ段
Δ
ITA2 ITA3
＞ Δ， Δ = 4． 80% m =7
Idiff ＞ m 或 Isum ＞ n n = 7
跳开 本 小 组 开 关，启 动 小 组 开 关失灵保护
不平衡 保护Ⅳ段
Δ
ITA2 ITA3
跳开 本 小 组 开 ＞ Δ Δ = 77． 60% 关，启 动 小 组 开
关失灵保护
内部故障［6］。如图 4 所示，当单台电容器内部 1 个电容元件发生故障时，例如绝缘介质被击穿，则 与之相并联的其他电容元件通过故障元件放电， 从 而 使 故 障 元 件 的 熔 丝 熔 断，与 正 常 元 件 隔 离。 内部熔丝是电容器元件的初级保护，如果 1 台电 容器内部同一并联组件有多个元件损坏，则剩余 的完好的电容器元件将承受更高电压，从而缩短 寿命，甚至引起雪崩效应［7］。
流滤波器中的一个非常重要的电气部分。
2 563 交流滤波器 C1 电容器结构
2． 1 C1 电容器组结构 C1 电容器组由许多单台电容器串、并联组合
而成，是 563 交流滤波器最重要的组成部分，它承 受了大部分的母线电压。为有效保护这些电容 器，采用了如图 3 所示的 H 形桥接线方式，其中 S 为单台电容器串联数，P 为单台电容器并联数。 正常情况下，由于 4 个桥臂的电容值相同，中间的 桥接线 TA2 电流互感器上没有电流通过。
交流滤波器的基本原理是通过电抗器、电容 器和电阻器的不同组合，使某次谐波流经它时所 呈现的阻抗很小，从而将谐波电流导出系统，达到 滤除谐波的功能； 同时由于电容器、电抗器的存 在，电流流经时能够产生一定的无功功率，从而达 到提供无功的功能［4］。兴仁换流站 3 种类型交流 滤波器的结构如图 2 所示。
0 引言
作为高压直流输电最重要谐波源的换流器在 运行中产生的注入交流系统的谐波主要为 12k ± 1 = 11，13，23，25 …次特征谐波（ k 为正整数） ，此 外还包含各次非特征谐波［1］。另外，换流器在实 现交流—直流或直流—交流的变换过程中处于整 流或逆变状态，均需从交流系统吸收容性无功，即 换流器对于 交 流 系 统 是 一 种 无 功 负 荷［2］。 为 防 止谐波电流或谐波电压注入交流系统后引起的电 压畸变，补偿换流器的无功消耗，目前在直流输电 系统的整流站和逆变站均装有交流滤波器。
器，4 组 B 型（ 三调谐 3 /24 /36 次，140 Mvar） 滤波 器，3 组 C 型 （ 并 联 电 容 器，140 Mvar） 滤 波 器。 如图 1 所示［3］。
图 1 兴仁换流站交流滤波器配置图 Fig． 1 Arrangement diagram of AC filter for Xingren converter station
4 563 交流滤波器故障情况及原因分析
2011 年 2 月 27 日 9 时 23 分 22 秒，兴仁换流 站 563 交流滤波器小组保护 1、小组保护 2 的 C 相电容器 C1 不平衡保护 1 段、2 段、3 段动作，563
开关跳闸，563 交流滤波器退出运行，C 相不平衡
动作次数为 9 次。从故障录波图（ 图 5） 可以看
郭树永，杨洁民，蒙健明
（ 中国南方电网超高压输电公司天生桥局，贵州 兴义 562400）
摘 要： 兴仁换流站 563 交流滤波器 2011 年 2 月发生了一起不平衡保护跳闸事故，此次跳闸 事故在以往的直流工程中较为罕见。文章就此次事故介绍了电容器的接线方式、不平衡保护 的基本原理，深入分析了此次故障的根本原因，提出了相应的解决办法和运行维护建议。对交 流滤波器的设计和运行维护具有一定的参考价值。 关键词： 高压直流； 交流滤波器； 电容器； 不平衡保护 中图分类号： TM531． 5 文献标识码： B 文章编号： 1674-1757（ 2012） 01-0063-06
·64·
图 3 C1 电容器组 H 桥接线示意图 Fig． 3 H bridge configuration of C1 capacitors
2012 年第 1 期 ·运行维护与故障分析· 郭树永，等 一起交流滤波器不平衡保护跳闸事故分析 （ 总第 139 期）
2． 2 单只电容器内部结构
单台电容器由 51 个电容元件（ 电容值为 Ce ）
single piece of capacitor
表 1 C1 电容器参数 Tab． 1 Ratings of C1 capacitor
单相电容器组
数值
单台电容器
数值
电容元件
数值
额定电压 / kV 额定电容 / μF 额定容量 / Mvar 电容器串连数 电容器并联数 电容器数量 /台
473． 76 1． 607 113． 3
图 2 交流滤波器结构图 Fig． 2 Structure diagram of AC filter
563 交流滤波器是双调谐滤波器，滤波器回 路对 11、13 次谐波呈现低阻抗特性，使 11、13 次 谐波电流能流入大地； 对基波呈现电容特性，用于 提供无功补偿。电容器组 C1 对 11、13 次谐波起 调谐作用，对基波起补偿无功作用，它是双调谐交
兴仁换流站 563 交流滤波器 C1 电容器不平 衡保护使用的是西门子 SIMADYN D 控制系统， 采取比值不平衡保护与不平衡计数保护相结合进 行判断出口。
比值不平衡保护如图 3 所示，当电容器损坏元
件个数一定时，不平衡电流随总电流的变化而变 化，两者的比值关系恒定［8］，因此可采用不平衡电
Fra Baidu bibliotek
流（ ITA2 ，流过电流互感器 TA2 的电流） 与总电流 （ ITA3 ，流过电流互感器 TA3 的电流） 的比值作为保 护判据，以单一元件耐受过电压水平确定电容器组
组成，电气联接为 17 并 3 串（ S1 = 3，P1 = 17） ，采 用先并后串联接方式，每个电容元件都有单独的
内熔丝保护，如图 4 所示。
2． 3 C1 电容器参数 C1 电容器组、单台电容器、电容元件的具体
参数［5］见表 1。
图 4 单只电容器结构示意图 Fig． 4 Schematic diagram on structure of
保护功能
动作方程
定值
出口方式
不平衡 保护Ⅰ段
Δ
ITA2 ITA3
＞
Δ，
Δ
= 4． 80% m =3
Idiff ＞ m 或 Isum ＞ n n = 3
告警
不平衡 保护Ⅱ段
Δ
ITA2 ITA3
＞
Δ，
Δ
= 4． 80% m =5
Idiff ＞ m 或 Isum ＞ n n = 5
告 警； 延 时 2 h 跳开 本 小 组 开 关，启 动 小 组 开 关失灵保护
电力电容器与无功补偿 Power Capacitor ＆ Reactive Power Compensation
Vol． 33 No． 1 Feb． 2012
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运行维护与故障分析
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一起交流滤波器不平衡保护跳闸事故分析
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额定电压 / kV 额定电容 / μF 额定容量 / Mvar 电容器元件串联数 电容器元件并联数 电容器元件数量
6． 58 57． 86 0． 787
3 17 51
额定电压 / kV 额定电容 / μF
2． 2 10． 21
3 563 交流滤波器 C1 电容器不平衡保护
3． 1 不平衡保护基本原理 电容器组中不平衡保护主要用于保护电容器
Analysis on an Accident of the AC Filter Trip Due to Unbalance Protection GUO Shu-yong，YANG Jie-min，MENG Jian-ming
（ Tianshengqiao Division of CSG EHV Power Transmission Company，Xingyi 562400，China ） Abstract： The trip of 563 AC filter at Xingren converter station is happened due to unbalance current protection in February 2011，which is uncommon in DC projects in the past． In this paper，wiring mode of the capacitors and basic principle on the unbalance current protection are introduced in the combination with the fault，the root causes of the accident is analyzed deeply and the corresponding solutions as well as operation ＆ maintenance suggestions are proposed，which have a significant reference to the design，operation ＆ maintenance of AC Filter． Keywords： HVDC； AC filter； capacitor； unbalance current protection
，如果
Δ
ITA2 ITA3
大于门槛值，则判断这一瞬间，左（
右）
桥臂
中某电容器损坏，故障元件差值计数器 Idiff 和故障
元件总和计数器 Isum 均加 1； 如果 － Δ
ITA2 ITA3
小于门
槛值，则判断这一瞬间，右（ 左） 桥臂中某电容器
损坏，故障元件差值计数器 Idiff 减 1，故障元件总 和计数器 Isum 加 1； 当故障元件差值计数器 Idiff 或
故障元件总和计数器 Isum 达到设定值时，启动相 应保护动作［9］。
兴仁换流站 563 交流滤波器 C1 电容器不平
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2012 年第 1 期
电力电容器与无功补偿
第 33 卷
衡保护定值［10］见表 2。
表 2 C1 电容器不平衡保护定值 Tab． 2 Unbalance protection setting of C1 capacitor
可承受的损坏元件个数，以损坏元件个数确定比值
作为保护动作定值，并根据相应元件在该过电压水
平下的耐受时间确定保护动作延时。
不平衡计数保护如图 3 所示，当电容器故障
对称发生在 H 形的各个桥臂时，电流互感器 TA2 可能不会流过太大的不平衡电流，因此又辅助不
平衡计数保护进行综合判断。监测
Δ
ITA2 ITA3
为确保交流滤波器的安全稳定运行，每组交 流滤波器均配置有冗余的保护装置，其中高压电
收稿日期： 2011-08-15
容器不平衡保护是交流滤波器的重要保护之一， 主要作用是确保交流滤波器电容器发生损坏后， 及时检测并切除故障滤波器，避免电容器发生雪 崩现象。
2011 年 2 月，兴仁换流站 563 交流滤波器 C1 电容器组出现了一起罕见的不平衡保护跳闸事 故。本文介绍了交流滤波器 C1 电容器组不平衡 保护原理，对此次跳闸事故原因进行了深入分析， 并提出了相应的运行维护建议。
当 1 个桥臂电容器元件发生损坏时，损坏电 容器元件所在桥臂的电容值发生变化，原本 4 个 桥臂的电流平衡的状态被破坏，图 3 中 TA2 电流 互感器将测量到不平衡电流。利用这一不平衡电 流，判断电容器组的运行情况，当电容器故障情况 达到一定程度时，启动保护告警信号或跳闸，这就 是电容器不平衡保护的基本原理。 3． 2 563 交流滤波器 C1 电容器不平衡保护配置
1 兴仁换流站交流滤波器配置
兴安直流输送容量 3 000 MW，输电线路全长 1 194 km，直流输电电压选择为 ± 500 kV，工程起 点 为 贵 州 兴 仁 换 流 站，落 点 为 广 东 深 圳 换 流 站，
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2012 年第 1 期
电力电容器与无功补偿
第 33 卷
2007 年 8 月双极投入商业运行。兴仁换流站配 置 3 大组交流滤波器，共 10 个小组，其配置分别 为： 3 组 A 型（ 双调谐 11 /13 次，140 Mvar） 滤波
不平衡 保护Ⅲ段
Δ
ITA2 ITA3
＞ Δ， Δ = 4． 80% m =7
Idiff ＞ m 或 Isum ＞ n n = 7
跳开 本 小 组 开 关，启 动 小 组 开 关失灵保护
不平衡 保护Ⅳ段
Δ
ITA2 ITA3
跳开 本 小 组 开 ＞ Δ Δ = 77． 60% 关，启 动 小 组 开
关失灵保护
内部故障［6］。如图 4 所示，当单台电容器内部 1 个电容元件发生故障时，例如绝缘介质被击穿，则 与之相并联的其他电容元件通过故障元件放电， 从 而 使 故 障 元 件 的 熔 丝 熔 断，与 正 常 元 件 隔 离。 内部熔丝是电容器元件的初级保护，如果 1 台电 容器内部同一并联组件有多个元件损坏，则剩余 的完好的电容器元件将承受更高电压，从而缩短 寿命，甚至引起雪崩效应［7］。
流滤波器中的一个非常重要的电气部分。
2 563 交流滤波器 C1 电容器结构
2． 1 C1 电容器组结构 C1 电容器组由许多单台电容器串、并联组合
而成，是 563 交流滤波器最重要的组成部分，它承 受了大部分的母线电压。为有效保护这些电容 器，采用了如图 3 所示的 H 形桥接线方式，其中 S 为单台电容器串联数，P 为单台电容器并联数。 正常情况下，由于 4 个桥臂的电容值相同，中间的 桥接线 TA2 电流互感器上没有电流通过。
交流滤波器的基本原理是通过电抗器、电容 器和电阻器的不同组合，使某次谐波流经它时所 呈现的阻抗很小，从而将谐波电流导出系统，达到 滤除谐波的功能； 同时由于电容器、电抗器的存 在，电流流经时能够产生一定的无功功率，从而达 到提供无功的功能［4］。兴仁换流站 3 种类型交流 滤波器的结构如图 2 所示。
0 引言
作为高压直流输电最重要谐波源的换流器在 运行中产生的注入交流系统的谐波主要为 12k ± 1 = 11，13，23，25 …次特征谐波（ k 为正整数） ，此 外还包含各次非特征谐波［1］。另外，换流器在实 现交流—直流或直流—交流的变换过程中处于整 流或逆变状态，均需从交流系统吸收容性无功，即 换流器对于 交 流 系 统 是 一 种 无 功 负 荷［2］。 为 防 止谐波电流或谐波电压注入交流系统后引起的电 压畸变，补偿换流器的无功消耗，目前在直流输电 系统的整流站和逆变站均装有交流滤波器。
器，4 组 B 型（ 三调谐 3 /24 /36 次，140 Mvar） 滤波 器，3 组 C 型 （ 并 联 电 容 器，140 Mvar） 滤 波 器。 如图 1 所示［3］。
图 1 兴仁换流站交流滤波器配置图 Fig． 1 Arrangement diagram of AC filter for Xingren converter station
4 563 交流滤波器故障情况及原因分析
2011 年 2 月 27 日 9 时 23 分 22 秒，兴仁换流 站 563 交流滤波器小组保护 1、小组保护 2 的 C 相电容器 C1 不平衡保护 1 段、2 段、3 段动作，563
开关跳闸，563 交流滤波器退出运行，C 相不平衡
动作次数为 9 次。从故障录波图（ 图 5） 可以看
郭树永，杨洁民，蒙健明
（ 中国南方电网超高压输电公司天生桥局，贵州 兴义 562400）
摘 要： 兴仁换流站 563 交流滤波器 2011 年 2 月发生了一起不平衡保护跳闸事故，此次跳闸 事故在以往的直流工程中较为罕见。文章就此次事故介绍了电容器的接线方式、不平衡保护 的基本原理，深入分析了此次故障的根本原因，提出了相应的解决办法和运行维护建议。对交 流滤波器的设计和运行维护具有一定的参考价值。 关键词： 高压直流； 交流滤波器； 电容器； 不平衡保护 中图分类号： TM531． 5 文献标识码： B 文章编号： 1674-1757（ 2012） 01-0063-06
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图 3 C1 电容器组 H 桥接线示意图 Fig． 3 H bridge configuration of C1 capacitors
2012 年第 1 期 ·运行维护与故障分析· 郭树永，等 一起交流滤波器不平衡保护跳闸事故分析 （ 总第 139 期）
2． 2 单只电容器内部结构
单台电容器由 51 个电容元件（ 电容值为 Ce ）
single piece of capacitor
表 1 C1 电容器参数 Tab． 1 Ratings of C1 capacitor
单相电容器组
数值
单台电容器
数值
电容元件
数值
额定电压 / kV 额定电容 / μF 额定容量 / Mvar 电容器串连数 电容器并联数 电容器数量 /台
473． 76 1． 607 113． 3
图 2 交流滤波器结构图 Fig． 2 Structure diagram of AC filter
563 交流滤波器是双调谐滤波器，滤波器回 路对 11、13 次谐波呈现低阻抗特性，使 11、13 次 谐波电流能流入大地； 对基波呈现电容特性，用于 提供无功补偿。电容器组 C1 对 11、13 次谐波起 调谐作用，对基波起补偿无功作用，它是双调谐交
兴仁换流站 563 交流滤波器 C1 电容器不平 衡保护使用的是西门子 SIMADYN D 控制系统， 采取比值不平衡保护与不平衡计数保护相结合进 行判断出口。
比值不平衡保护如图 3 所示，当电容器损坏元
件个数一定时，不平衡电流随总电流的变化而变 化，两者的比值关系恒定［8］，因此可采用不平衡电
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流（ ITA2 ，流过电流互感器 TA2 的电流） 与总电流 （ ITA3 ，流过电流互感器 TA3 的电流） 的比值作为保 护判据，以单一元件耐受过电压水平确定电容器组
组成，电气联接为 17 并 3 串（ S1 = 3，P1 = 17） ，采 用先并后串联接方式，每个电容元件都有单独的
内熔丝保护，如图 4 所示。
2． 3 C1 电容器参数 C1 电容器组、单台电容器、电容元件的具体
参数［5］见表 1。
图 4 单只电容器结构示意图 Fig． 4 Schematic diagram on structure of
保护功能
动作方程
定值
出口方式
不平衡 保护Ⅰ段
Δ
ITA2 ITA3
＞
Δ，
Δ
= 4． 80% m =3
Idiff ＞ m 或 Isum ＞ n n = 3
告警
不平衡 保护Ⅱ段
Δ
ITA2 ITA3
＞
Δ，
Δ
= 4． 80% m =5
Idiff ＞ m 或 Isum ＞ n n = 5
告 警； 延 时 2 h 跳开 本 小 组 开 关，启 动 小 组 开 关失灵保护