交流滤波器高压电容器不平衡保护新原理

交流滤波器高压电容器不平衡保护新原理

吴娅妮1,吕鹏飞2,王德林2,王明新1

(1.中国电力科学研究院,北京市100192;2.国家电力调度通信中心,北京市100031)

摘要:基于目前应用于直流输电系统的交流滤波器电容器不平衡保护原理,指出当前电容器不平衡保护原理中存在的缺陷,提出了以电容器不平衡电流与流过滤波器的穿越电流比值作为交流滤波器电容器不平衡保护判据的新方法,并推导了不平衡保护定值的计算公式。文中以高岭背靠背直流工程数据为基础,应用电磁暂态计算软件EM TDC/PSCAD 进行仿真验证,证明了该方法的合理性及有效性,并在不平衡保护的实现和运行方面提出几点建议。该方法已成功应用于高岭背靠背直流工程,对直流输电系统规划设计及现场运行具有实际指导意义。关键词:直流输电;交流滤波器;不平衡保护中图分类号:TM53;TM772

收稿日期:2008208212;修回日期:2008209223。

0　引言

常规高压直流输电系统采用电网换相换流器实现交流—直流或直流—交流的变换,换流器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。此外,换流器由于换相产生的谐波电流或谐波电压流入交流系统后,将使系统电压波形发生畸变并因此造成不良影响和危害[123]。为补偿换流器的无功消耗并限制谐波电压和电流,通常需要采取措施进行无功补偿及滤波,目前在高压直流输电工程中进行无功补偿和谐波抑制较常用的方法是采用无源滤波装置[4]。

滤波装置由若干无源滤波器并联而成,每个滤波器在1个或2个谐波频率附近或在某个频带内呈现低阻抗,从而吸收相应的谐波电流,使流入交流系统的谐波减少,达到抑制谐波的目的,同时兼作无功功率补偿之用,实现无功就地平衡。换流站的交流滤波器并联在换流变压器交流侧的母线上,根据直流系统运行情况进行投切。

为确保交流滤波器的安全可靠运行,每组交流滤波器均配置冗余保护设备,其中高压电容器不平衡保护是交流滤波器的重要保护之一,以确保运行中交流滤波器电容器发生损坏后,保护装置能够及时检测到故障并切除故障滤波器,避免发生电容器雪崩现象。

本文在简要介绍目前应用于直流输电系统交流滤波器电容器不平衡保护原理的基础上,提出了以电容器不平衡电流与流过滤波器的穿越电流比值作

为电容器不平衡保护判据的新方法。

1　电容器不平衡保护的电流互感器配置

H P12/24交流滤波器的结构如图1所示[526]。目前高压电容器主要有H 桥接线和分支接线2种接线方法[7],如图2所示

。

图1　HP12/24交流滤波器结构示意图Fig.1　Schem atic diagram of HP12/24AC

f ilter conf

iguration

图2　高压电容器接线方式示意图Fig.2　Schem atic diagram of high voltage

capacitor conf iguration

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65—第32卷　第24期2008年12月25

日Vol.32　No.24Dec.25,2008

H桥接线配置了不平衡电流互感器和总电流互感器,直接测量电容器的不平衡电流和总电流;分支接线配置了2个分支电流互感器TA1和TA2,电容器的不平衡电流和总电流通过计算得到。

采用分支接线时,不平衡电流为2个分支电流互感器的测量值之差,不平衡电流精度不仅取决于分支电流互感器的自身特性,还取决于2个电流互感器特性的一致性。分支接线方式适合于一个电容器元件损坏将导致不平衡电流有较大变化的无熔丝电容器。由于2个分支电流互感器采用同一类型,减少了电流互感器选型的工作量,但必须确保不平衡电流的误差满足工程需要,必要时需进行电流互感器的特性匹配工作。

采用H桥接线时,由于不平衡电流互感器直接测得,不平衡电流测量精度仅与不平衡电流互感器特性有关,可以根据需要选择合适的电流互感器,确保一个电容器元件损坏时流过不平衡电流互感器的电流大于测量误差范围,保证测量值的有效性。这种接线方式适合于各类电容器,但应注意电流互感器选型时要针对不平衡电流互感器和总电流互感器测量范围及精度的不同分别开展选型工作。

在目前已经投运及正在建设的直流输电项目中,如龙政、江城、宜华及灵宝等直流输电工程,其交流滤波器高压电容均采用H桥结构;而呼辽直流输电工程采用的是分支接线方式。

2　目前交流滤波器电容器不平衡保护原理及存在缺陷

以H桥接线方式为例,进行交流滤波器电容器不平衡保护原理分析。交流滤波器高压电容的各个桥臂是由数量相同的若干台电容器(unit)串并联构成,在每台电容器的内部又为若干只小电容元件(element)串并联组成,一般的配置中每个小电容元件均带有熔丝,如图3所示。若其中的一个元件发生故障,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,与正常的元件隔离。内部熔丝是电容器元件的初级保护,如果一只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[829]。

当一个桥臂电容器元件发生损坏时,损坏电容器元件所在桥臂电容值发生变化,原本4个桥臂电流平衡的状态被破坏,如图1所示的TA1将测量到不平衡电流。电容器不平衡电流保护就是在雪崩效应之前,利用不平衡电流的变化情况检测出电容器内部小元件的故障情况

。

图3　交流滤波器电容器结构示意图(H桥接线)

Fig.3　Schematic diagram of AC f ilter capacitor

conf iguration(H2bridge connection)

目前交流滤波器电容器不平衡保护是以测量不平衡电流作为保护判据,当不平衡电流的检测值大于动作值时,高压电容器不平衡保护动作。一般保护分为3段,根据不平衡电流大小,Ⅰ段为延时60s 告警段,Ⅱ段为延时2h跳闸段,Ⅲ段为延时100ms 跳闸。

由于制造工艺的差别,交流滤波H桥4个桥臂电容器的电容值并不完全相同,额定工况运行时,会存在少量不平衡电流[10212]。保护装置具有不平衡电流清零功能,当新工程投运或对电容器一次设备进行更换后,交流滤波器再次投入运行时,保护装置设定当前的不平衡电流值为保护计算的零值。采用该方法,可以消除稳态运行时不平衡电流对保护的影响,但当换流站近区交流系统发生故障,运行中的交流滤波器存在向故障点放电的过程,在此过程中有较大的穿越电流流过交流滤波器,因制造工艺差别导致的不平衡电流随穿越电流的增大而增大,在较为恶劣的情况下,会导致交流滤波器保护装置电容器不平衡保护的不正确动作。另外,当交流系统电压及频率发生波动或当直流系统输送功率发生变化时,交流系统的谐波情况不同,会影响流过滤波器的谐波电流变化,都会改变流过滤波器的总电流。这些因素的变化都会导致不平衡电流的变化,而这些因素的变化又是交直流系统的固有状态。在传统不平衡电流保护的定值设定时,需要根据系统的变化情况找出元件故障后不平衡电流的变化范围,从而确定设定的保护定值,为保证不平衡保护在各种情况下均不拒动,在某种程度上需要牺牲电容器不平衡保护的动作精度。

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・研制与开发・　吴娅妮,等　交流滤波器高压电容器不平衡保护新原理