交流濾波器保護(hù)配置和實(shí)現(xiàn)

1、交流濾波器保護(hù)配置和實(shí)現(xiàn)一、引言在直流輸電系統(tǒng)中，為了濾除直流控制系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波以避免對(duì)交流輸電系統(tǒng)帶來不良影響，同時(shí)補(bǔ)償直流控制系統(tǒng)消耗的無功功率，在直流系統(tǒng)運(yùn)行過程中必須投入一定數(shù)量的交流濾波器（必須滿足交流濾波器組數(shù)最小運(yùn)行方式）。交流濾波器由電容、電抗和電阻串并聯(lián)組成，根據(jù)交流濾波器本身濾除諧波分量的頻率的大小，交流濾波器有多種不同的接線形式，其保護(hù)配置也不盡相同。本文根據(jù)國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的直流輸電工程，就幾種典型的交流濾波器接線方式進(jìn)行討論。二、交流濾波器特點(diǎn)及其對(duì)保護(hù)的影響交流濾波器現(xiàn)場(chǎng)典型接線形式如圖1所示。圖1二工丁丁川:（一）連接方式多樣化'IX）A卡.第|.一交流濾波器

2、為了達(dá)到濾除諧波的目的，其中部分電路可能要調(diào)諧于某個(gè)諧波分量，這種諧振作用會(huì)帶來諧振過電壓或者過電流，因此需要對(duì)該部分電流設(shè)計(jì)，特殊的保護(hù)，導(dǎo)致不同的交流濾波器的保護(hù)配置不盡相同。（二）母線電壓波動(dòng),-JIgy/交流濾波器母線電壓隨著投入交流濾波器和并聯(lián)電抗器的數(shù)量發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致流過交流濾波器的電流不斷發(fā)生變化，這對(duì)電容器不平衡保護(hù)、過電流保護(hù)、零序過電流保護(hù)都帶來一定的影響。（三）諧波電流正常情況下，交流濾波器中流過較大的各次諧波電流，而且隨著直流系統(tǒng)的運(yùn)行工況的變化，這些諧波電流的大小和頻率都將發(fā)生變化，由于諧波電流的發(fā)熱能力一般比基波要大一些，所以對(duì)交流濾波器的過負(fù)荷保護(hù)會(huì)產(chǎn)生一定

3、的影響。（四）系統(tǒng)特殊工況帶來的暫態(tài)過程直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的各種特殊工況可能導(dǎo)致交流濾波器母線電壓發(fā)生突變，由于交流濾波器中大量電容器件的充放電過程，可能導(dǎo)致交流濾波器流過很大的沖擊電流，有可能在差回路中產(chǎn)生較大的差電流，對(duì)差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生一定的影響。二、交流濾波器保護(hù)的配置和實(shí)現(xiàn)(一)電容器不平衡保護(hù)交流濾波器中最重要的組成部分是高端的電容器，它承受了大部分的母線電壓，容易在電容器損壞后發(fā)生雪崩，造成爆炸。為了有效保護(hù)這些電容器，現(xiàn)場(chǎng)一般把電容器分成4組大小相同的部分，用H型接線連接起來。正常情況下由于4組電容器的電容相同，中間的橋接線上沒有電流流過，一旦電容器發(fā)生擊穿或者熔絲熔斷等情況后，橋上

4、就流過不平衡電流，這樣就可以檢測(cè)電容器是否發(fā)生故障。假設(shè)正常情況下4組電容器的電容為C1,發(fā)生故障之后一組電容器的電容變?yōu)镃2,那么中間橋上流過的不平衡電流為：<<.-.X/1y；,式中：ic為流過這個(gè)電容器的電流。X11CX*li/二,假設(shè)一次系統(tǒng)的電容器損壞之后電容變化了1%此時(shí)由此產(chǎn)生的不平衡電流只有流過整個(gè)電容電流的0.25%,所以可以看出電容器損壞之后產(chǎn)生的不平衡電流很小，目前現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)的交流濾波器保護(hù)的不平衡動(dòng)作定值一般為幾十m儺J100多mA這就要求保護(hù)裝置必須對(duì)不平衡電流有很高的測(cè)量精度，而且不平衡保護(hù)在實(shí)現(xiàn)過程中還有以下幾個(gè)難點(diǎn)需要解決：；7丁i(1)正常投運(yùn)的交流

5、濾波器中4組高端電容器不可能完全相同，導(dǎo)致正常情況下可能有較大的不平衡電流流過橋支路，以葛洲壩換流站的低通交流濾波器為例，其高端不平衡保護(hù)的動(dòng)作定值為95mA,但是正常情況下就有89mA的不平衡電流流過橋支路，顯然如果不能補(bǔ)償這個(gè)正常情況下的不平衡電流，高端不平衡保護(hù)就基本無法實(shí)現(xiàn)。(2)母線電壓隨著系統(tǒng)的運(yùn)行方式和投入交流濾波器的數(shù)量發(fā)生變化，導(dǎo)致流過橋支路的不平衡電流隨之發(fā)生變化，這將影響電容器不平衡保護(hù)的靈敏度。(3)電容器的電容值受到很多外部環(huán)境參數(shù)的影響，例如溫度變化等。為了很好地解決以上幾個(gè)問題，通過深入的理論分析和動(dòng)模試驗(yàn)，我們采用帶有自動(dòng)補(bǔ)償方式的穩(wěn)態(tài)不平衡元件和帶有浮動(dòng)門檻的

6、暫態(tài)不平衡元件共同構(gòu)成交流濾波器的電容器不平衡保護(hù)，它既能提高不平衡保護(hù)動(dòng)作的靈敏度，又能保證在各種復(fù)雜的系統(tǒng)運(yùn)行方式下不誤動(dòng)。1.帶有自動(dòng)補(bǔ)償方式的穩(wěn)態(tài)不平衡元件在實(shí)際投運(yùn)過程中，交流濾波器的4組高端電容器不盡相同，導(dǎo)致一個(gè)固定的不平衡電流存在，而且這個(gè)不平衡電流還隨著母線電壓的變化而變化，但是該不平衡電流和流過整個(gè)電容器的比例是一定的，這樣就可以利用這個(gè)關(guān)系對(duì)固有的不平衡電流進(jìn)行補(bǔ)償：在更換交流濾波器的高端電容器之后的第1次投運(yùn)時(shí)，由運(yùn)行人員在保護(hù)裝置的面板上觸發(fā)一次鎖存初始化不平衡保護(hù)參數(shù)的命令，裝置接收到該命令后，自動(dòng)將此時(shí)各相不平衡電流和全電容電流的比值和方向記憶下來。假設(shè)A相鎖存的

7、比值參數(shù)為k,那么在保護(hù)運(yùn)行過程中，自動(dòng)補(bǔ)償之后的不平衡電流icom為：式中：iub為不平衡電流的實(shí)際采樣值。這樣，穩(wěn)態(tài)不平衡元件的實(shí)現(xiàn)就變成為：二"丁丁/I：/式中kset為穩(wěn)態(tài)不平衡保護(hù)的整定定值。X11CX%第;金,由于在自動(dòng)補(bǔ)償和保護(hù)實(shí)現(xiàn)過程中引人了全電容電流ic,消除了初始的電容器偏差帶來的不平衡電流對(duì)不平衡保護(hù)的影響，同時(shí)，母線電壓發(fā)生變化時(shí)也可以正確補(bǔ)償初始不平衡電流，由于采用了上述判據(jù)，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)保護(hù)裝置能夠很好地補(bǔ)償初始電容不平衡電流，補(bǔ)償之后不平k衡電流小于5mA大大提高了不平衡保護(hù)的靈敏度。；7尸i2.帶有浮動(dòng)門檻電流跟蹤的暫態(tài)不平衡保護(hù)I2X¥JX

8、'電容器的參數(shù)在外界環(huán)境參數(shù)（如溫度等）發(fā)生變化時(shí)會(huì)發(fā)生緩慢變化而產(chǎn)生一定的不平衡電流，為了消除這種不平衡電流對(duì)不平衡保護(hù)的影響，需要引入帶有浮動(dòng)門檻電流跟蹤的暫態(tài)不平衡保護(hù)，該保護(hù)元件可通過帶有浮動(dòng)門檻的電流跟蹤元件跟蹤不平衡電流的變化并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，其動(dòng)作方程如下：式中：icom暫態(tài)不平衡電流。由于采用了以上兩個(gè)不平衡保護(hù)原理，大大提高了不平衡保護(hù)的靈敏度，而且不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，在區(qū)內(nèi)、區(qū)外發(fā)生.故障后電容器放電引起暫態(tài)過程也不會(huì)誤動(dòng)，使得不平衡保護(hù)的安全性、可靠性與靈敏度同時(shí)兼顧。圖2為葛洲壩換流站交流濾波器電容器損壞故障的保護(hù)動(dòng)作錄波波形，其中每個(gè)周期采樣24點(diǎn)（二）諧波

9、過負(fù)荷保護(hù)?對(duì)于電力系統(tǒng)的其他元件（如變壓器、發(fā)電機(jī)、電抗器等），一般只考慮工頻電流引起的過負(fù)荷，因?yàn)檫@些元件中不可能長時(shí)間流過較大諧波電流，但是對(duì)于交流濾波器來說，正常情況下流過的諧波電流可能占到基波電流的20%-30%并且對(duì)于電阻和電感元件,頻率越高的電流導(dǎo)致的發(fā)熱越嚴(yán)重,所以在設(shè)計(jì)其過負(fù)荷保護(hù)時(shí)必須考慮到諧波電流的影響。電抗器的發(fā)熱功率表達(dá)式為：p=i2r?（1）式中：R為電抗器本身的電阻?？紤]到1由基波分量和很多次諧波分量組成：將式（2）代入式（1）,同時(shí)考慮到電抗器本身對(duì)于不同諧波電流的電阻不同，并且不同頻率之間的正弦分量是正交的，它們的矢量積為0,有X11yjPI'j-.j

10、.J"式中：R0,R1,是電抗器對(duì)于不同諧波分量的阻抗。j-J從式（3）可以看出，不同頻率的正弦分量電流在電抗器上的發(fā)熱效應(yīng)是獨(dú)立的，與其他頻率的分量不相關(guān)，這樣就可以將各個(gè)頻率分量的電流發(fā)熱貢獻(xiàn)累加等效到工頻基波電流：式中：士為單位基波電流的發(fā)熱貢獻(xiàn)：k0,k1,為其他單位諧波分量等效到基波電流的發(fā)熱貢獻(xiàn)之間的比例系數(shù)。這樣就有：k1就是這個(gè)等效熱電流。計(jì)算得到等效的基波熱效應(yīng)電流之后，就可以實(shí)現(xiàn)電抗器的諧波過負(fù)荷保護(hù)了。同時(shí)，如果電抗器生產(chǎn)廠家能夠提供反時(shí)限發(fā)熱特性，還可以在保護(hù)裝置中實(shí)現(xiàn)反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)。（三）差動(dòng)保護(hù)交流濾波器由電容、電抗和電阻串并聯(lián)形成，導(dǎo)致其在內(nèi)部發(fā)生接地

11、故障后流過的電流一般變化不大，尤其是經(jīng)過渡電阻接地時(shí)，差電流很小，這就要求差動(dòng)保護(hù)有很高的靈敏度來檢測(cè)這些故障。為了提高靈敏度，我們選擇交流濾波器的低端電流作為差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流，在區(qū)外故障時(shí)它等效于（ih+i1）/2,保證了較大的制動(dòng)量，而在區(qū)內(nèi)故障時(shí)，它會(huì)不同程度地變小，金屬性接地時(shí)更是會(huì)降為0,保證區(qū)內(nèi)故障的快速切除。同時(shí)，裝置中配置了變化量差動(dòng)保護(hù)，提高了區(qū)內(nèi)經(jīng)過過渡電阻接地時(shí)差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。（四）考慮全電流特性的低端電容器不平衡保護(hù)H12/24型交流濾波器的低端電容器也被連接成H型接線形式，同樣配置了電容器不平衡保護(hù)。由于這些電容器的安裝位置接近大地，損壞的可能性比較小，這種連接方

12、式中一般只由4個(gè)電容器組成,這樣電容器損壞之后會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡電流，采用不平衡電流過流保護(hù)的靈敏度上一般沒有什么問題，但是有一點(diǎn)值得注意：由于交流濾波器本身阻抗分配的關(guān)系，正常情況下和故障情況下流過低端電容器的電流中主要是特征諧波分量，基波分量很小，所以在實(shí)現(xiàn)低端不平衡保護(hù)時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮基波電流和諧波電流的大小。低端不平衡保護(hù)的動(dòng)作方程為：i,|/（五）低端電容器保護(hù)?對(duì)于濾除3次諧波的HP3型交流濾波器，低端的電容器和電抗器諧振于50Hz的工頻分量，正常情況下沒有工頻電流流過與其并聯(lián)的電阻支路。由于串聯(lián)諧振屬于電壓諧振，導(dǎo)致正常運(yùn)行過程中，串聯(lián)支路的電容器承受一定的過電壓，容易導(dǎo)致電容器損

13、壞。為了防止這種情況，需要配置低端電容器保護(hù)，該保護(hù)檢測(cè)與諧振支路并聯(lián)的電阻上流過的工頻電流，其動(dòng)作方程為：ir>iset,-jI.J'值得注意的是，基于這種原理的低端電容器保護(hù)靈敏度比較低，原因是由于濾波器本身的阻抗分配關(guān)系導(dǎo)致電容器損壞之后流過電阻支路的工頻電流很小，一般一次系統(tǒng)中這個(gè)電流也只是毫安級(jí)，并且該電阻上還流過大量的諧波電流，需要提取淹沒在諧波中這么微弱的工頻信號(hào)對(duì)保護(hù)裝置來說存在一定困難；同時(shí)，濾波器參數(shù)不可能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，或者在電力系統(tǒng)頻率發(fā)生細(xì)微變化的情況下，導(dǎo)致諧振回路失諧，正常情況下就有工頻電流流過電陰、支路，降低了保護(hù)的靈敏度。為此，靈寶換流站中的HP3濾波器的低端電容器采用了與高端電容器同樣的H型接線，通過檢測(cè)橋上的不平衡電流來判斷電容器是否發(fā)生故障，保護(hù)的原理也采用了高端不平衡保護(hù)的保護(hù)原理。（六）其他保護(hù)配置1 .失諧檢測(cè)功能交流濾波器中電容、電抗或者電阻值發(fā)生變化時(shí)可能導(dǎo)致該相失諧，諧波不能通過濾波器，由于不對(duì)稱給正常的濾波器帶來過應(yīng)力，所以需要配置失諧檢測(cè)功能來檢測(cè)濾波器元件早期的細(xì)小變化，該功能通過檢測(cè)交流濾波器低端電流的零序電流來實(shí)現(xiàn)。2 .過流和零序過流保護(hù)功能為了防止交流濾波器過電流損壞，可以配置過電流保護(hù)和零序過流保護(hù)，零序過流保護(hù)還可以用來保護(hù)交流