C 型阻尼濾波器中電阻元件的保護(hù)策略研究

李小婧，姚 孟

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著能源安全、環(huán)境污染等問題日益突出，以全球能源互聯(lián)網(wǎng)為核心的新一代能源系統(tǒng)將成為未來全球能源的發(fā)展方向，而特高壓交直流輸電、智能電網(wǎng)將是構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的重要手段，尤其是特高壓直流輸電以其顯著的優(yōu)點(diǎn)成為其中不可或缺的內(nèi)容[1-2]。

換流器在輸電系統(tǒng)中為諧波源，在換流的同時(shí)會產(chǎn)生諧波。系統(tǒng)中存在諧波分量時(shí)，可能引起諧振、設(shè)備故障，增加諧波損耗，降低設(shè)備的使用效率，加速絕緣老化并縮短設(shè)備的使用壽命，因此換流站均安裝有特定組合的濾波器[3-4]。某換流站單元Ⅰ 330 kV 側(cè)裝設(shè)了1 組HP3 濾波器，采用C 型阻尼濾波器接線方式，容量為36 Mvar，主要用于濾除3 次及以上諧波。2011 年5 月檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)該濾波器內(nèi)R1 電阻器的電阻絲燒斷，而保護(hù)裝置未發(fā)出告警或動作信號，暴露出保護(hù)策略的不足[5]。本文在分析國內(nèi)濾波器保護(hù)策略的基礎(chǔ)上，根據(jù)電阻器故障時(shí)的故障特性，提出了一種新的保護(hù)策略。該策略基于濾波器的諧波特性，有利于在故障時(shí)及時(shí)發(fā)出信號，減輕故障造成的損失，減少諧波對交流系統(tǒng)的危害。

1 C 型阻尼濾波器的組成及特性

1.1 C 型阻尼濾波器的組成

C 型阻尼濾波器主要由電流互感器、避雷器、電容器、電抗器、電阻器等組成。

1.2 C 型阻尼濾波器阻抗特性

C 型濾波器的阻抗函數(shù)為

根據(jù)換流站濾波器設(shè)備參數(shù)，利用MATLAB軟件繪制出的此濾波器的阻抗—頻率特性如圖1所示。由圖1 可以看出：第一，在工頻下，L1、C2 工作在串聯(lián)諧振模式下，流過R1 電阻器的工頻電流約為0。第二，整個(gè)濾波器組在頻率150 Hz 時(shí)的阻抗值最小，消除3 次諧波的能力最大。

由于換流站交流側(cè)的主要特征諧波是11、13、23、25 次諧波，且專門設(shè)置有HP12/24 濾波器，因此對于C 型阻尼濾波器，其主要作用就是濾除3 次諧波，其他諧波的比例很小，可以忽略不計(jì)。

1.3 電阻器故障的危害

圖1 換流站C 型阻尼濾波器阻抗—頻率特性圖

電阻器故障的原因是由于電阻絲局部上有易斷開的受損點(diǎn)，在運(yùn)行時(shí)局部發(fā)熱，最終導(dǎo)致熔斷形成斷點(diǎn)，電弧放電直至燒出足夠大的、可耐受絕緣電壓的間隙或避雷器動作而熄滅。

電阻器故障的危害主要有以下兩方面：一是當(dāng)電阻器故障開始及放電過程中，放電處溫度很高，可能引起火災(zāi)造成損失。二是當(dāng)電阻器故障后，等效R1 電阻為無窮大（開路），根據(jù)此時(shí)的阻抗—頻率特性圖，整個(gè)濾波器在3 次諧波下阻抗最小，可能導(dǎo)致濾波器內(nèi)其他設(shè)備發(fā)熱、諧波過負(fù)荷等情況出現(xiàn)。

2 C 型阻尼濾波器的保護(hù)配置

目前，C 型阻尼濾波器的保護(hù)配置主要包括差動、過流、零序過流、電容不平衡、電阻及電抗諧波過負(fù)荷等保護(hù)，以及失諧監(jiān)視功能[6]。

根據(jù)保護(hù)原理，當(dāng)電阻器在故障的過程中及完全故障后，由于沒有對地故障電流，因此可能動作的保護(hù)有電阻及電抗諧波過負(fù)荷、零序過流、失諧監(jiān)視。

電阻及電抗諧波過負(fù)荷：電阻及電抗等效工頻熱效應(yīng)電流大于定值時(shí)動作。此定值多根據(jù)設(shè)備廠家的耐受水平整定。換流站3601 濾波器電阻諧波保護(hù)定值為Ⅰ段18 A，延時(shí)2 s；Ⅱ段24 A，延時(shí)0.05 s；電抗諧波保護(hù)定值為Ⅰ段107 A，延時(shí)2 s；Ⅱ段142 A，延時(shí)0.05 s。

零序過流：檢測交流濾波器內(nèi)部非對稱故障，采用濾波器尾端電流互感器自產(chǎn)零序電流，僅反映工頻分量，大于保護(hù)定值時(shí)動作。典型定值為Ⅰ段取工頻額定電流的30%，延時(shí)10 s；Ⅱ段取工頻額定電流的80%，延時(shí)6 s。

失諧監(jiān)視：尾端合成電流不含工頻的諧波分量與尾端合成電流總諧波電流的比值，大于定值時(shí)報(bào)警。典型定值為0.35，延時(shí)10 s。

3 電阻器故障時(shí)濾波器的特性

3.1 阻抗特性

電阻器故障分為兩種，一種是初期的電阻值增大，另一種是完全熔斷后開路。后一種情況可等效為電阻值增加到無窮大，因此可以統(tǒng)一為電阻值增加。根據(jù)換流站濾波器設(shè)備參數(shù)，利用MATLAB 軟件繪制出的此濾波器的阻抗—頻率特性圖如圖2 所示。

圖2 電阻值變化時(shí)濾波器的阻抗—頻率特性圖

從圖2 可以看出，隨著電阻值的增加，濾波器的阻抗—頻率特性曲線形式?jīng)]有明顯的變化，但在不同區(qū)域，有所差別，具體如下。

a） 在工頻區(qū)域，阻抗基本不變。

b） 在 100～150 Hz 區(qū)域 （2～4 次諧波），阻抗隨著電阻值的增加而減小，對3 次諧波，其值由267.693 Ω 降到 0.243 Ω。

c） 在 150 Hz 以上區(qū)域 （5 次及以上諧波），阻抗隨著電阻值的增加而增加，但相對差較小，變化不是很明顯。

3.2 電流電壓特性

根據(jù)阻抗—頻率特性以及換流站諧波特性，可只考慮工頻和3 次諧波下的電流電壓特性。當(dāng)電阻器故障導(dǎo)致電阻值增加時(shí)，利用MATLAB 軟件繪制的此濾波器的電壓電流—阻抗特性圖如圖3 所示。根據(jù)MATLAB 軟件計(jì)算，電阻值故障時(shí)電阻、電抗的電壓、電流值如表1 所示。

從圖3 和表1 可以看出：第一，在工頻下，由于濾波器阻抗基本不變，L1 與C2 處于諧振狀態(tài)，L1 與C2 串聯(lián)的電壓、電流基本不變，R1 的電壓、電流基本接近為0。第二，在3 次諧波下，由于濾波器阻抗減少明顯，導(dǎo)致諧波電流升高，同時(shí)由于R 值的增加，L1 與C2 串聯(lián)的電流將緩慢增加，R1 的電壓緩慢增加，而電流迅速減小。

圖3 濾波器的電壓電流—阻抗特性圖

表1 工頻下電阻值變化時(shí)的參數(shù)對比

4 保護(hù)分析與保護(hù)策略

4.1 現(xiàn)有保護(hù)分析

根據(jù)本文1.2 節(jié)的分析，現(xiàn)有的電阻及電抗諧波過負(fù)荷、零序過流、失諧監(jiān)視均不會動作。

a） 電阻及電抗諧波過負(fù)荷。由于諧波電流增加不明顯，遠(yuǎn)未達(dá)到保護(hù)動作的定值，所以保護(hù)不會動作。

b） 零序過流。由于零序電流僅反映工頻分量，而工頻分量基本無變化，達(dá)不到保護(hù)動作的定值，所以保護(hù)不會動作。

c） 失諧監(jiān)視。由于尾端合成的諧波電流沒有明顯變化，達(dá)不到保護(hù)動作的定值，所以保護(hù)不會動作。

因此，現(xiàn)有保護(hù)策略無法檢測出故障，不能正確動作。

4.2 改進(jìn)后的保護(hù)策略

由于工頻電流及工頻電壓的變化特征不明顯，在現(xiàn)有的保護(hù)測量元件精度下（0.2），不能有效利用構(gòu)成保護(hù)策略。3 次諧波分量中，電壓變化不明顯，且電壓分量無測量元件，無法構(gòu)成保護(hù)策略。3 次諧波分量重，電阻電流的特征為逐漸減少，與系統(tǒng)諧波減少時(shí)的特征相似，無法直接構(gòu)成保護(hù)策略；電抗電流的特征為逐漸增大，但增加范圍有限，且與系統(tǒng)諧波增加時(shí)的特征相似，同樣無法直接構(gòu)成保護(hù)策略。為此，提出一種新的保護(hù)策略，即根據(jù)電阻值與電抗值的比值等于電抗電流與電阻電流的比值，故障時(shí)比值增加的特征，使用電抗3 次諧波電流與電阻3 次諧波電流的比值作為保護(hù)動作方程，當(dāng)比值大于定值時(shí)，保護(hù)告警。

繪制出電阻值變化時(shí)，此濾波器的電抗、電阻3 次諧波電流比值如圖4 所示。

圖4 電抗、電阻3 次諧波電流比值圖

從表1、圖4 可以看出，電抗、電阻3 次諧波電流比值與電阻值的變化基本成正比，為確保保護(hù)的可靠性，保護(hù)定值可設(shè)置為3～20 標(biāo)幺值，延時(shí)0.5 s 以上；同時(shí)，為了防止保護(hù)在系統(tǒng)諧波很小時(shí)保護(hù)誤動，另設(shè)置啟動判據(jù)，需電抗3 次諧波電流大于定值時(shí)動作。最終的保護(hù)動作方程如式（1）所示。

式（1）中，IL3為電抗器 3 次諧波電流，IR3為電阻器 3 次諧波電流，Kset1、Kset2為保護(hù)定值。

4.3 改進(jìn)后的保護(hù)策略可靠性分析

當(dāng)濾波器接線方式不變，且電阻、電抗、電容的參數(shù)不變時(shí)，流過電阻、電抗的所有電流比值與其阻抗成反比。因此3 次諧波分量的比值在正常運(yùn)行、系統(tǒng)諧波波動、其他元件故障時(shí)，其比值不會增大，保護(hù)不會誤動。當(dāng)電抗、電容發(fā)生導(dǎo)致其串聯(lián)電阻減小時(shí)，將導(dǎo)致比值增加，具體分析如下。

a） 電抗、電容出現(xiàn)接地故障時(shí)，此時(shí)差動、零序保護(hù)為主保護(hù)，快速動作跳閘，而且此時(shí)由于電抗、電容值變化，導(dǎo)致濾波器3 次諧波阻抗增加，3 次諧波電流減少達(dá)不到啟動判據(jù)，因此新的保護(hù)策略不會動作。

b） 電抗匝間短路、擊穿時(shí)，零序保護(hù)動作，同時(shí)本保護(hù)可作為其后備保護(hù)，可以起到保護(hù)作用。

c） 電容器擊穿、短路時(shí)，電容不平衡保護(hù)動作，同時(shí)本保護(hù)可作為其后備保護(hù)，可以起到保護(hù)作用。

綜上所述，新的保護(hù)策略在各種工況下不會出現(xiàn)誤動，可靠性滿足要求。

5 結(jié)束語

根據(jù)C 型阻尼濾波器中電阻器故障時(shí)的特征，提出一種新的保護(hù)策略，即電抗3 次諧波電流與電阻3 次諧波電流比值增大，且電抗3 次諧波電流正常時(shí)，保護(hù)動作。該保護(hù)策略能在電阻器故障時(shí)正確動作，并在其他元件故障及系統(tǒng)諧波波動時(shí)不會誤動，提升了保護(hù)的靈敏性。