交流滤波器电容器不平衡保护

李文帅，王海华，周为国，郑景元，曹磊

国网上海市电力公司 上海 200333

摘要：针对换流站交流滤波电容器不平衡保护动作进行分析，通过对一次设备的介绍，深入研究了电容器组产生故障的原因以及保护动作逻辑，最终对交流滤波器的运行及维护提出建议。本文对交流滤波器的设计和运行维护具有一定的参考价值。

关键字：换流站；交流滤波器；不平衡保护；电容器组；

0引言

高电压直流输电在远距离大容量输电和联网方面具有明显的优势，在我国西电东送和全国电力系统联网工程中起到了重要的作用^[1]。交流滤波器作为直流输电系统中不可或缺的重要设备，可以滤除和减少直流控制系统产生的谐波，同时还可以提供系统所需的无功功率。交流滤波器不平衡保护^[2]是为了保护交流滤波器中电容器单元而设置的保护，采用电容器不平衡电流与接地侧电流计算出来的比值与整定值比较的实现方式，监测电容器组单个或少数几个组件损坏时及时报警，并按照设定的紧急程度延时或者立即跳开故障交流滤波器组。

1一次设备介绍

1. 1. 交流滤波器介绍

换流站配置的交流滤波器有滤除换流器产生的谐波电流和向换流器提供部分基波无功两个任务。目前国内500KV换流站一般配置HP3、HP11/13、HP12/24、HP24/36交流滤波器及并联电容器^[3]。

本文以HP12/24交流滤波器为例对交流滤波器的工作原理进行介绍。HPl2/24交流滤波器的结构如图1所示^[4]。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。

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^[5]。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。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。

1. 2. 交流滤波器电容器介绍

限于篇幅，本文仅介绍HP12/24交流滤波器中的电容器C₁，其它类型的滤波器中所使用的电容器与C₁的原理基本一致，只是结构和参数有些变化。C₁电容器为桥式结构，共4个桥臂，上下两个桥臂分别由若干电容器串联而成，并且电容是同一型号的。T₁为测量不平衡电流用的CT。

2交流滤波器电容器不平衡保护

2.1保护原理

考虑电容器C₁在HP12/24交流滤波器中的重要性,交流滤波器保护中专门为其设置了一个电容器不平衡保护。当电容器C₁内部出现故障时，其物理参数（电容值）会发生变化，该保护通过检测这种参数变化来采取相应措施切除故障。

2.2故障产生原因分析

故障过程分析：单只电容中有很多熔丝，它们对与其串联的小电容其过流保护作用。当流过单只电容的电流长时间过负荷时，会导致电容中的熔丝烧断（熔丝的烧断与其自身的老化也有关系）。假设桥臂3的1＃电容器中的1＃熔丝被烧断，那么与其串联的1＃小电容也就失去了作用，第一层的总电容随之变小，1＃电容器的总电容随之变小，桥臂3的总电容也会随之变小。桥臂3的总电容变小会使其等效阻抗变大，从而使得流过桥臂3的电流变小。1＃电容器的第一层减少了一个电容分支，使得第一层的其它电容分支的电流会增大，那么就使得其它电容分支出现过负荷，其分支的熔丝更容易被烧断，同时分支小电容承受的电压也变大。当第一层中被烧断的熔丝达到一定数量时，非故障分支中的电流已经很大，使得其分支熔丝被快速烧断，最终使得第一层的全部熔丝都烧断，第一层的放电电阻过电压击穿，将第一层短路。这种分支熔丝快速烧断，导致电容层被击穿的现象可以称为“雪崩效应”。当1＃电容器的第一层被击穿后，1＃电容器的总电容变大，桥臂3的总电容变大，其等效阻抗变小，流过桥臂3的电流会变大，从而使得桥臂3中的所有电容均出现过流，有可能导致其发生“雪崩效应”。由于桥臂3中的串联的电容很多，单只电容出现“雪崩效应”，对桥臂总电容的影响非常小。但如果桥臂中有多只电容出现了“雪崩效应”，就会使得桥臂的电流非常大，从而使得桥臂上的非故障电容快速出现“雪崩效应”，最终使得整个桥臂的电容都被损坏。

上面讨论的是电容器故障的基本原理。

2.3保护动作原理

当一个桥臂发生电容器故障后，不平衡电流与穿越电流的比值仅与故障元件的个数及原有电容器元件的串并联方式相关。因此，可以采用不平衡保护电流与穿越电流的比值作为保护判据，根据单一元件耐受过电压水平，确定损坏元件个数，通过损坏元件个数确定比值作为保护动作定值，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，这样可以保证定值的设定不受交直流系统状态改变引起穿越电流变化的影响，确保不平衡保护在各种工况下均能准确动作。

保护动作逻辑图如下：

图1 比值不平衡保护逻辑图

3交流滤波器运行及维护建议

3.1初始化

尽管电容器C₁中使用的是同一型号的电容，但仍然不可能做到每只电容的电容值完全一样，使得相对应桥臂电容值不可能绝对相等，那么就会有一个固有的不平衡电流存在。电容器C₁不平衡保护的灵敏性很高，因此需要对这个不平衡电流进行初始化。所谓初始化，就是保护装置记录下固有不平衡电流的大小，在进行故障电流识别时，将故障电流中的不平衡电流补偿掉。

3.2日常维护注意事项

（1）运行人员在巡检滤波器时，应注意观察电容器是否出现漏油情况。如果出现漏油情况，应及时通知相关人员处理。

（2）每次C₁电容器中的电容更换后，都要进行滤波器不平衡电流初始化工作。

（3）电容器C₁每次故障检修时，应该对每一只电容都进行电容值测量，将电容值超标的电容进行更换。电容值超标说明该电容内部仅有一、两根熔丝烧断，但存在安全隐患。

参考文献

1. 苏宏田, 齐旭, 吴云. 我国特高压直流输电市场需求研究[J]. 电网技术, 2005, 29(24):1-4.

2. 文继锋, 陈松林, 李海英,等. 交流滤波器保护配置和实现[J]. 电力系统自动化, 2006, 30(2):109-112.

3. 田庆. 葛洲坝换流站交流滤波器过负荷保护误动作分析[J]. 高电压技术, 2009, 35(5):1225-1230.

4. 朱韬析, 王宁宁, 郭卫明,等. 交流滤波器电容器不平衡保护在南方电网直流输电系统中的应用[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38(20):102-105.

5. 吴娅妮, 吕鹏飞, 王德林,等. 交流滤波器高压电容器不平衡保护新原理[J]. 电力系统自动化, 2008, 32(24):56-59.

作者简介：李文帅（1990-），女，硕士，助理工程师，从事换流站运维工作