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95 mA,但是正常情况下就有89 mA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5 mA，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。