±800 kV沂南換流站交流濾波器保護配置及調試方法

肖文文，王宏偉，董海波，喬 木，潘玉美

（國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

內蒙古上海廟—山東臨沂±800 kV特高壓直流輸電工程作為國家大氣污染防治計劃12條重點通道之一，是首個落點山東的特高壓直流輸電工程。特高壓換流站在運行中，其換流裝置會消耗大量感性無功并產生大量諧波。為避免對交流系統(tǒng)造成不利影響，必須在換流器電網側系統(tǒng)加裝交流濾波器，以濾除諧波并為系統(tǒng)提供無功支持［1-2］。

我國對常規(guī)換流站交流濾波器保護系統(tǒng)的研究已較為成熟。文獻［3］提出了一種交流濾波器場地布置優(yōu)化方案，在滿足功能要求的前提下，大幅減小了場區(qū)占地面積和輔材耗量，縮減了濾波器投運成本。文獻［4］和文獻［5］分析了交流濾波器各類故障機理，對典型交流濾波器保護原理及方案進行了闡述。文獻［6］總結介紹了多個直流工程中交流濾波器保護的配置和功能，概述國內交流濾波器保護系統(tǒng)的發(fā)展過程。文獻［7］介紹了膠東換流站交流濾波場保護配置情況。然而，隨著直流輸電技術的不斷發(fā)展，我國特高壓直流輸電工程已由單層接入模式發(fā)展為分層接入模式，交流濾波器保護系統(tǒng)也已由大組、小組保護分屏獨立配置逐漸完善為集中化配置，目前對新模式下交流濾波器保護配置及調試方法的研究較少。

±800 kV沂南換流站是我國首批在電網側采用分層接入模式的換流站工程，其500 kV和1 000 kV交流側均配有交流濾波器。以沂南換流站為依托，從驗收人員的角度詳細介紹分層接入模式下交流濾波器保護配置情況，并對濾波器保護現場校驗方法進行總結，為后續(xù)檢修及新工程驗收提供指導。

1 交流濾波場概況

沂南換流站500 kV交流濾波器場共配置3個大組，每大組包括5個分支；1 000 kV交流濾波器場共配置2個大組，每大組包括6個分支。站內所有大組交流濾波器均以連線方式接入相應電壓等級的3／2接線串內。交流濾波場占地區(qū)域按矩形設計，其中，500 kV濾波場接線方式采用非標準“田”字型布局，1 000 kV 濾波場則采用“L”型布局［3］，標準“田”字型布局與“L”型布局分別如圖1與圖2所示。

圖1 標準“田”字型布局

圖2 “L”型布局

全站交流濾波器總計26組（500 kV側有1分支為調相機），包括 HP12／24、HP3、SC 3 種型號。 其中HP12／24 型用于濾除 11、13、23、25 次特征諧波，HP3型用于濾除3次非特征諧波，SC型則用于補償無功［8-9］。不同型號濾波器數量配置如表1所示，典型交流濾波器結構如圖3所示。

表1 交流濾波器配置

圖3 典型交流濾波器結構

沂南換流站交流濾波器保護采用集中式保護裝置，即將大組母線保護和該母線上所有小組濾波器保護集成在一臺裝置中［10］。與膠東換流站母線保護及各小組保護單獨組屏的方式相比，減少了屏柜及電纜成本，集成度更高，占地面積更小，更有利于后續(xù)運檢工作的開展。

2 模擬量采集與通流通壓試驗

沂南換流站內500 kV交流濾波場以常規(guī)電流互感器（以下簡稱常規(guī)TA）為主，電容器C1不平衡支路除外；1 000 kV交流濾波場則以光電流互感器（以下簡稱光TA）為主，電阻、電抗及交流串內TA除外。集中式保護裝置電流采集過程如圖4所示。

集中式保護裝置以合并單元作為前置，解決了TA數量眾多且常規(guī)TA與光TA共同參與保護的問題。電流采集時，同一大組內的TA首先將電流信息送至對應合并單元，各合并單元集中處理后，通過光纖將電流信息匯總至保護裝置處，由其完成邏輯判斷和出口。

圖4 電流采集路徑

交流濾波器保護實現過程中，500 kV側的光TA僅用于電容器不平衡保護，不存在光TA之間或光TA與常規(guī)TA之間的配合問題。1 000 kV側存在光TA之間或光TA與常規(guī)TA之間的配合問題，如小組差動中存在光TA之間的配合，大組母線差動中還涉及小組首端光TA與串內常規(guī)TA之間的配合。光TA與常規(guī)TA因原理不同，二者在配合使用時存在諸多問題，如因傳輸介質不同造成數據不同步，數據處理機制不同等問題，所以在校驗小差、大差保護時，普通的測試儀已無法實現。

為了準確地對1 000 kV側進行差流校驗，針對光TA與常規(guī)TA之間的配合問題，驗收中采用直接在一次系統(tǒng)注流的方法，校驗光TA與常規(guī)TA之間的差動配合，如圖5所示。

圖5 一次注流試驗示意

首先調整一次系統(tǒng)方式，交流濾波器場內合上支路1斷路器Q1，其余小組開關均保持分位；交流場內，合上中斷路器Q2，合上斷路器Q21號母線側接地開關，串內兩邊斷路器保持分位。利用大電流發(fā)生器在注流點處注入工頻大電流，模擬實際運行，此時小組光TA（TA1）以及串內常規(guī) TA（TA2）同時感應出二次電流，分別通過光纖和電纜接入集中式保護裝置，從而可對大組差動保護進行差流校驗。

一次注流試驗模擬實際運行情況，若在此試驗環(huán)境下發(fā)現差流異常，則可確定問題是由傳輸介質或保護裝置算法導致，此時可通過軟件補償消除。在完成TA1與TA2之間的差流校驗后，TA1和TA3之間的校驗可轉化為TA2與TA3兩個常規(guī)電流互感器之間的校驗，此時則可采用普通的繼電保護測試儀實現。

對于小組差動保護中光TA之間的差流校驗，可采取2種措施，一是采用上述一次注流方法；二是利用可加光量的試驗儀，同時為多路光TA回路加電流量，以此測試光TA之間的差動配合，試驗原理如圖6所示。

圖6 利用光量試驗儀加量

3 小組濾波器保護及調試方法

以HP3型交流濾波器為例，對小組保護中的差動保護、電容器不平衡保護、電阻電抗熱過負荷保護調試要點進行分析。典型保護配置及TA取用情況如圖7所示。

3.1 差動保護

差動保護是濾波器支路的主保護，采首端TA、尾端TA和避雷器TA進行差動計算［4］。TA極性應滿足差動計算需要，上述3組TA安裝時，其P1極性端均設置在遠離濾波器的一側，二次繞組取用時均抽取S1端。

3.1.1 穩(wěn)態(tài)比率差動保護

不同元件的比率差動保護（如線路、母線、變壓器），其制動電流的選取不一。小組濾波器差動保護的制動電流取尾端電流與避雷器電流之和，在小組差動保護范圍外部故障時制動電流較大，可避免誤動；內部故障時，尾端流過較小電流，制動電流減小，保證可靠動作。

圖7 HP3型交流濾波器保護配置

穩(wěn)態(tài)比率差動保護分為低值比率差動段和高值比率差動段。保護邏輯調試時，對低定值區(qū)和高定值區(qū)分別取點校驗，通過試驗接線將保護動作節(jié)點以開入量的形式開入測試儀，測量接線原理如圖8所示。通過多次試驗發(fā)現，以保護動作時間特性為參照，在低定值區(qū)和高定值區(qū)分界處，兩區(qū)差動跳閘時間相近；由分界線向下遠離高定值區(qū)，動作時間增加；由分界線向上遠離低定值區(qū)，動作時間縮短，穩(wěn)態(tài)比率差動保護動作時間特性如圖9所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)比率差動保護試驗原理

圖9 穩(wěn)態(tài)比率差動保護動作時間特性

3.1.2 差動速斷保護

速斷動作方程為

式中：I1，I2，I3分別為首端電流、尾端電流與避雷器電流；Isd為速斷定值；Ie為濾波器額定電流。

驗收人員在現場調試過程中發(fā)現，除裝置說明書所列的動作條件外，差動速斷保護還存在隱性條件限制為

即尾端和避雷器電流均小于廠家隱性設定值Iset，且不同型號的濾波器該定值不同。校驗時對式（1）與式 （2）做如下驗證：

1）用保護測試儀分別加電流I2，I3，任一電流大于Isd，則差動速斷被閉鎖；

2）用保護測試儀同時加首端電流I1和尾端電流I2，滿足｜I1+I2｜＞Isd，且 I2＞Iset，則差動速斷被閉鎖；

3）用保護測試儀同時加首端電流I1和避雷器電流 I3，滿足｜I1+I3｜＞Isd，且 I3＞Iset，則差動速斷被閉鎖。

根據多次試驗結果推斷，式（2）限制條件是由于小差保護范圍內發(fā)生接地故障時其尾端TA或避雷器TA將流過較小電流，若I2或I3過大則認為有異常（如首端TA斷線），且速斷保護無比率制動等限制條件，所以在式（1）基礎上，增加式（2）隱性條件，當不滿足時，則閉鎖差動速斷保護。

同樣，在校驗零序差動保護時發(fā)現，零序差動保護動作條件除大于門檻值外，還應滿足尾端零序電流大于首端零序電流這一隱性條件。

3.2 電容器不平衡保護

電容器組采用典型“H”橋接線方式，如圖10所示。

正常情況下中間橋線無電流，但當某一組電容器發(fā)生故障導致兩臂不平衡時，橋線上則會流過不平衡電流［11-13］。一般情況下此電流為mA級，為保證采樣精度，沂南站所有高端電容器組C1的不平衡TA均采用了光TA，HP3型交流濾波器低端電容器組C2的不平衡TA仍使用常規(guī)TA。

圖10 電容器組“H”橋接線方式

電容器不平衡保護包括穩(wěn)態(tài)不平衡保護和暫態(tài)不平衡保護。以穩(wěn)態(tài)不平衡保護為例，其動作方程為

式中：Iub為不平衡電流；Itro為電容器組的穿越電流；Iubqd為啟動定值；Kubzd為不平衡保護定值。上述穿越電流是指流過電容器組的電流，對高端電容器C1而言，其穿越電流取尾端電流；對低端電容器C2而言，其穿越電流由尾端電流與電阻支路電流相減而來。

調試中，在校驗低端電容器C2不平衡保護時，發(fā)現穿越電流采樣錯誤，檢查發(fā)現是由于TA極性錯誤導致。尾端電流與電阻支路電流的減法計算是在程序內部完成的，故要求電阻支路TA極性與尾端TA極性必須一致，但在前期設計及接線階段，設計人員或接線人員由于不了解保護裝置邏輯，就有可能出現TA極性設計或取用錯誤的情況，故涉及相關工作時應重點檢查。

3.3 電阻和電抗熱過負荷保護

熱過負荷保護用于監(jiān)視電抗和電阻支路的過載情況，其動作曲線遵循反時限特性

式中：T為動作時間；τ為熱過負荷時間常數；IB為基準電流；k為過載倍數；I為計及諧波和集膚效應系數的全電流有效值。反時限特性校驗時可采用描點法，對報警曲線和跳閘曲線分別校驗。取τ=60 s，IB=100 A，k=1.2進行測試，測試結果如圖11所示，實測數據基本符合反時限特性。

圖11 熱過負荷跳閘實測數據

試驗測點時應密切關注電阻或電抗熱過負荷累計百分比的變化，該值達到100%時保護動作于報警或跳閘，且只有在熱過負荷累計百分比降至0（即完全散熱）后，才能再次測點，否則會有累計熱負荷，影響時間測量精度。另外，校驗時應重點檢查集膚效應系數配置是否正確，避免因系數錯誤引起保護誤動。

4 結語

±800 kV沂南換流站在電網側采用了分層接入模式，這是我國首批實踐工程。結合實際，對交流濾波場概況、保護配置和單體調試方法進行分析和總結，對后續(xù)驗收和檢修工作具有一定指導意義。

常規(guī)TA與光TA同時參與保護時，通過直接在一次系統(tǒng)做注流試驗的方法可校驗常規(guī)TA與光TA之間的配合；通過利用光量測試儀可校驗光TA之間的配合。

濾波器小組保護中，部分支路的電流由其他支路TA值計算而來，故相關支路TA極性應嚴格把關。

單體邏輯校驗時，應綜合模擬各種情況，深入挖掘保護中的隱性條件，如本文所用集中式保護裝置要求小組差動速斷保護中接地支路電流（尾端電流及避雷器電流）小于隱性限定值等。