±800 kV 特高壓換流站直流濾波器電容器不平衡研究

劉艇，梅琦龍

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局，昆明 650000)

0 前言

某±800 kV 換流站兩次出現(xiàn)了因直流濾波器C1 電容器不平衡保護(hù)告警。直流濾波器是±800 kV 特高壓換流站中十分重要的設(shè)備，以濾去換流變產(chǎn)生的諧波及其它各次頻率的特征諧波，以保證換流器在任何運(yùn)行方式下，最大等效諧波電流不超過(guò)其限定值［1－3］。同時(shí)，用以防止在高壓直流輸電系統(tǒng)的整流和逆變過(guò)程中產(chǎn)生的諧波對(duì)通信系統(tǒng)造成干擾。

1 直流濾波器故障機(jī)理

直流濾波器的不平衡保護(hù)用于檢測(cè)高端電容器的故障。高端電容器承受了直流線路所有的直流電壓壓降和大部分諧波壓降，電容器故障之后容易引起雪崩效應(yīng)，并且高端電容不在差動(dòng)保護(hù)范圍之內(nèi)，因此對(duì)該保護(hù)提出了很高的要求。為了便于檢測(cè)故障，一般將電容器分成容量相等的兩個(gè)支路，當(dāng)某一個(gè)支路中電容器有損壞時(shí)，兩支路中的諧波電流便出現(xiàn)了差異。

交流系統(tǒng)的電容器不平衡保護(hù)一般為一個(gè)不平衡電流的過(guò)電流元件，不平衡電流大于整定定值時(shí)即跳閘出口。直流線路上的諧波電壓受直流控制系統(tǒng)的工況影響，波動(dòng)范圍很大，導(dǎo)致流過(guò)直流濾波器的諧波電流中的諧波分量隨著時(shí)間變化，在電容相同損壞情況下，不同的運(yùn)行方式不平衡電流也不一樣。

直流濾波器投運(yùn)時(shí)，需要對(duì)兩個(gè)分支的電容進(jìn)行調(diào)整，，使其盡可能相同，但是也不能完全消除其間的差別，不可避免地出現(xiàn)不平衡電流。同時(shí)，在直流濾波器正常工作過(guò)程中，溫度、陽(yáng)光等外界環(huán)境參數(shù)會(huì)改變電容的大小，導(dǎo)致不平衡電流的產(chǎn)生，而不平衡保護(hù)應(yīng)該可以補(bǔ)償由于這部分原因產(chǎn)生的不平衡電流。

可能引起直流濾波器C1 電容器不平衡保護(hù)動(dòng)作的情況有:

1)單只電容器內(nèi)部絕緣下降。由于制造工藝水平欠缺、設(shè)備老化、電容器漏油(電容器采用的是油絕緣)等原因?qū)е码娙萜鲀?nèi)部絕緣下降，從而使得電容器被擊穿。

2)同一橋臂的電容器出現(xiàn)外部短路現(xiàn)象(通過(guò)單只電容器的引線將其短路)。

2 電容器不平衡保護(hù)

2.1 保護(hù)目的

監(jiān)測(cè)C1 電容器的運(yùn)行情況，判斷兩臂是否平衡運(yùn)行，一旦出現(xiàn)有電容器故障，保護(hù)能迅速做出反應(yīng)，防止因故障的電容器導(dǎo)致兩臂不平衡運(yùn)行，引發(fā)連鎖反應(yīng)損壞完好的電容器單元。

2.2 保護(hù)判據(jù)及動(dòng)作后果

其中IFHS是高壓電容器C1 支路中T11和T12電流互感器測(cè)量值之和，IFHD是高壓電容器C1 支路中T11和T12電流互感器測(cè)量值之差。根據(jù)此閉環(huán)積分算法可以實(shí)時(shí)得到一個(gè)Δ，當(dāng)滿足一次Δ＜－ 0.089 42 或Δ ＞0.089 42，延時(shí)100 ms 發(fā)一個(gè)上升沿，計(jì)數(shù)器加一，可間接認(rèn)為一只電容器故障。正常時(shí)Δ 為0.002 597 左右。IFHS的1pu=160A。其中:IFHD為C1 電容器兩個(gè)橋臂差電流中12 次諧波分量;IFHS為C1 電容器兩個(gè)橋臂和電流12 次諧波分量。∫Δ 算法為:

其中Δ=Xn，Yn=Δ 的積分Ta=4 ms，Ti=15 000 ms (有復(fù)位信號(hào)時(shí)為4 ms)。若Yn－1+Xn×Ta/Ti≥1.48 或!1.48，積分器達(dá)到上下限，延時(shí)500 ms，并且51C1DF (電容器差電流過(guò)流保護(hù))沒(méi)有動(dòng)作，當(dāng)IFHS＜100A 時(shí)，斷開(kāi)直流濾波器高壓側(cè)刀閘;當(dāng)IFHS＞100 A 時(shí)，ESOF，該保護(hù)設(shè)計(jì)了三個(gè)故障級(jí)別。

2.3 典型事故分析

某換流站SER 報(bào)警，極Ⅱ兩套極保護(hù)直流濾波器C1 電容器不平衡保護(hù)一段均動(dòng)作。IFHD和IFHD/Max(IFHS，0.01pu)其中最小值－ 0.236 8＜－ 0.089 42，最大值0.194 0 ＞0.089 42。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查處理，此次不平衡告警主要由于其中一只電容器電容值超標(biāo)造成，上次試驗(yàn)值為67.5 μF，本次實(shí)測(cè)值為102.9 μF，電容誤差已達(dá)到了52.4%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)定范圍值。

直流濾波器C1 電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為11 并3 串，共有33 個(gè)電容元件，均壓電阻也為3 串結(jié)構(gòu)，每個(gè)串聯(lián)段并聯(lián)一個(gè)均壓電阻，電容器內(nèi)部采用無(wú)熔絲結(jié)構(gòu)。由于電容器內(nèi)部采用無(wú)熔絲的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電容元件擊穿后其所在串聯(lián)段被完全短路，因此原本三串聯(lián)段結(jié)構(gòu)的電容器變?yōu)橹挥袃蓚€(gè)串聯(lián)段串聯(lián)，最終使電容器容值發(fā)生較大變化，出現(xiàn)容值偏大50%以上的異常。

進(jìn)行初步分析得出:此次直流濾波器C1 電容器不平衡保護(hù)一段告警是由于單個(gè)電容元件被擊穿所致。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)換流站地處高海拔地區(qū)，早晚氣溫相差很大，在運(yùn)行期間設(shè)備的熱脹冷縮比較嚴(yán)重，這對(duì)電容器密封性能要求很高，雖然該電容器設(shè)計(jì)滿足規(guī)定運(yùn)行溫度范圍，但設(shè)備長(zhǎng)期在溫差大的環(huán)境下運(yùn)行，熱脹冷縮外加震動(dòng)，電容器套管密封處、注油孔等易出現(xiàn)滲油的情況。

2)直流濾波器C1 電容器每次故障檢修時(shí)，應(yīng)該對(duì)每一只電容都進(jìn)行電容值測(cè)量，將電容值超標(biāo)的電容進(jìn)行更換。若不及時(shí)更換，還會(huì)影響不平衡保護(hù)對(duì)故障嚴(yán)重程度的正確判斷，使其不能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。測(cè)量電容時(shí)，若發(fā)現(xiàn)電容值為0，說(shuō)明電容內(nèi)部出現(xiàn)了斷路情況;若發(fā)現(xiàn)電容值為無(wú)窮大，說(shuō)明電容內(nèi)部出現(xiàn)了短路情況，很可能是電容內(nèi)部絕緣損壞。

3)直流濾波器C1 電容器塔采用懸吊式結(jié)構(gòu)，給運(yùn)行維護(hù)及應(yīng)急檢修均帶來(lái)了一定程度上的不便利。應(yīng)配置足夠的常用工器具如紅外成像儀、高倍率望遠(yuǎn)鏡，用于日常的巡視;還應(yīng)編制直流濾波器故障的現(xiàn)場(chǎng)處置方案。必要時(shí)，還需根據(jù)實(shí)際情況制作專門針對(duì)單只電容器吊裝的吊裝工具。

4)在鳥(niǎo)害等極端不利因素情況下時(shí)，直流濾波器C1 電容器不平衡保護(hù)的判據(jù)有可能一直被觸發(fā)，計(jì)數(shù)器不斷累加，達(dá)到保護(hù)三段11 只電容器損壞的定值，保護(hù)動(dòng)作出口，影響其運(yùn)行可靠性。建議直流濾波器C1 電容器不平衡保護(hù)加裝長(zhǎng)延時(shí)計(jì)數(shù)器清零功能，增加抗擾動(dòng)能力，保證特高壓直流輸電安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］中國(guó)南方電網(wǎng)電力科學(xué)院.DCF performance and rating［R］.2009.

［2］浙江大學(xué).直流輸電［M］.北京:水力電力出版社，1985.

［3］趙婉君.高壓直流輸電工程［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.