±500 kV換流站交流濾波器不平衡保護動作原因分析

朱家良，洪志湖，顏冰，鄒德旭，李昭,3，王浩州,4，趙加能,5

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 昆明 650217； 3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650217； 5.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局，云南 大理 671000）

0 前言

現(xiàn)階段隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，為應(yīng)對我國發(fā)電資源西多東少的分布局面，以云南電網(wǎng)公司為例，建設(shè)了國內(nèi)首個省內(nèi)直流輸電項目——云南±500千伏永富直流輸變電工程。此工程的建成，可將云南省內(nèi)主要電源送出通道與南方電網(wǎng)西電東送大通道聯(lián)通，克服我國發(fā)電資源西多東少的地理劣勢。直流輸電相較于交流輸電在線路建設(shè)初投資、年運行費用以及線路損耗上有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢。但因為直流輸電系統(tǒng)特點，換流設(shè)備在交流和直流側(cè)產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流會對系統(tǒng)造成影響。目前解決的辦法是在直流輸電系統(tǒng)換流站內(nèi)設(shè)置交流濾波器。由多個無源濾波器并聯(lián)組成的交流濾波器可在特定諧波區(qū)域呈現(xiàn)低阻抗，以此達到抑制諧波的目的。為保證交流濾波器的正常運行，每組濾波器均設(shè)置有相應(yīng)的保護，不平衡電流保護就是其中最主要的保護[1-2]。

本文針對云南電網(wǎng)某±500 kV換流站發(fā)生的兩起交流濾波器不平衡保護動作跳閘事故原因進行分析，通過對這兩次故障信息及試驗數(shù)據(jù)進行收集，初步判明事故原因后，又構(gòu)建起針對此次事故的Simulink電路仿真模型，通過對仿真計算數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)的比對，最終驗證了對事故起因此前的判斷，并為交流濾波器運行維護提出了建議。

1 故障基本情況

某±500 kV換流站ACF交流濾波器一次設(shè)備電氣連接型式如圖1所示。

圖1 某±500 kV換流站交流濾波器組電氣一次接線圖

交流濾波器C型如圖2所示。

圖2 不平衡電流互感器為電容橋臂中間的電流互感器T2圖

在一周時間內(nèi)兩次發(fā)生交流濾波器保護C1比值不平衡III段動作保護動作將斷路器跳開，第一次跳閘后現(xiàn)場進行預(yù)防性試驗[3-4]，發(fā)現(xiàn)一次過電壓保護器U1mA不滿足出廠要求值，檢查發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部氧化鋅避雷器擊穿。二次跳閘后，現(xiàn)場檢查時發(fā)現(xiàn)7-1-1A電容器組最下層第6號電容器與不平衡電流互感器連接引線距離最下層均壓環(huán)較近[5-6]，放電造成引線外皮受電弧燒蝕開裂。

同時，在故障發(fā)生后對兩次動作的保護動作情況及故障錄波圖像進行檢查。發(fā)現(xiàn)交流濾波器保護C1比值不平衡該保護分為三段，兩次跳閘均為III段動作，且動作判據(jù)系數(shù)滿足K=C1不平衡電流校正值的絕對值/尾端電流值[7-8]，故判斷保護動作正確。

對III段保護動作錄波波形檢查時，發(fā)現(xiàn)斷路器跳閘后的故障錄波中母線電壓無明顯變化、交流濾波C1不平衡CT三相電流波形和持續(xù)時間基本一致（112 ms左右），二次側(cè)電流峰值約70 A，表現(xiàn)為A相出現(xiàn)消頂波形如圖3紅色圈出部分，B相和C相有微小感應(yīng)電流[9-10]。

圖3 交流濾波器C1不平衡電流互感器III段保護動作錄波波形

2 故障原因排查及驗證

由于某±500 kV換流站連續(xù)多天下雨，結(jié)合現(xiàn)場檢查時發(fā)現(xiàn)的不平衡電流互感器一次過電壓保護器內(nèi)部閥片上出現(xiàn)的擊穿痕跡及7-1-1A電容塔下層引流線出現(xiàn)燒蝕的情況，初步判斷為，因多天降雨導(dǎo)致水汽沿引線外部縫隙處進入引線內(nèi)部導(dǎo)致放電現(xiàn)象發(fā)生[11]。同時，第一次放電后對電容塔下層引流線造成的外層絕緣燒損破壞，再次投運時沖擊電壓下導(dǎo)致了均壓環(huán)對引線擊穿，最終造成了第二次不平衡保護跳閘[12]。為驗證在雨水的影響下使得引線與均壓環(huán)放電對交流濾波器的影響，本文運用Simulink構(gòu)建起與現(xiàn)場相適應(yīng)的電路仿真模型，對正常工況及故障工況下的不平衡電流及尾端電流互感器TA3有效值進行仿真計算。

2.1 正常工況

現(xiàn)場實測583濾波器中尾端電抗器阻抗 為0.02049+j069062 Ω，TA2的 阻 抗 值 為1.814+j6.964，四個橋臂電容量見表1，583濾波器正常運行時電路原理圖見圖4。

表1 橋臂電容量測試結(jié)果

圖4 濾波器正常運行時電路原理圖

根據(jù)上述電路原理圖建立Simulink電路仿真模型。計算得到濾波器正常運行時不平衡電流及尾端電流互感器TA3有效值分別為0.057A、193.7A，以及TA2和TA3電流波形見圖5、圖6。

圖5 濾波器正常運行時三相電容橋不平衡電流

圖6 濾波器正常運行時TA3的三相電流值

2.2 故障工況

根據(jù)現(xiàn)場檢查情況，C1-1A橋臂（7-1-1A）最下層的第6號電容器引線距離最下層均壓環(huán)較近，而均壓環(huán)與7-1-1B最下層電容器連接，按照電容分壓原理計算最下層均壓環(huán)與7-1-1A最下層第6號電容器引線處電位差為13.1kV，在雨水的影響下易造成引線與均壓環(huán)放電，使C1比值不平衡III段動作。

根據(jù)電容電橋設(shè)備接線方式簡化電路后，計算得出C1-1Bm電容值、正常時及故障時尾端接地電流互感器TA3電流有效值、不平衡電流有效值。但由于該簡化電路未考慮TA2、以及被短接至TA2兩端的三個串聯(lián)電容器對電路的影響，所以計算得到的故障時電容橋臂不平衡電流值存在較大的誤差。

為更接近實際故障的電路情況，重新繪制故障濾波器電路原理圖如圖7所示，A相的C1-1B電容橋臂被分解為27支串聯(lián)電容器的C1-1Bm和3支串聯(lián)電容器的C1-1Bn，電容被短接至TA2兩側(cè)形成電容C1-1Bm電容值為2.4718823 uF，被短接C1-1Bn電容值為22.2799837 uF。

圖7 濾波器A相故障時電路仿真原理圖

根據(jù)上述電路原理圖建立Simulink電路仿真模型，計算得到故障時A相不平衡電流波形見圖8，電流有效值為99.72A。

圖8 濾波器故障時A相不平衡電流波形

計算得到故障時B相、C相不平衡電流波形見圖9，電流有效值為0.057 A，與正常運行時無差異。

圖9 濾波器故障時B相、C相不平衡電流波形

故障時TA3電流波形見圖10，A相尾端電流有效值分別為199.4A，B相和C相尾端電流有效值為194.5A；與正常運行相比，三相電流值基本保持不變。

圖10 濾波器故障時TA3的三相尾端電流電波形

濾波器故障時的故障錄波形如圖11所示，A相出現(xiàn)消頂波形，三相尾端電流互感器TA3電流有效值基本保持不變，與實際結(jié)果一致。

圖11 濾波器故障時TA3的三相故障錄波波形

濾波器故障時三相電容橋臂的不平衡電流故障錄波形如圖12所示，B、C相不平衡電流與正常時無差異，與仿真結(jié)果一致。A相不平衡電流有效值為14 A，仿真計算結(jié)果顯示A相不平衡電流有效值達99.72 A，根據(jù)故障波形及仿真波形分析，故障錄波過程A相不平衡電流測量CT出現(xiàn)磁飽和。同時，故障錄波圖中所出現(xiàn)的消頂波形即是電流互感器所測電流已超過測量最大值（額定電流超過儀表保安系數(shù)10倍），導(dǎo)致A相不平衡電流故障錄波波形異常。

圖12 濾波器故障時三相不平電流故障錄波波形

正常工況下計算結(jié)果與實際運行工況相符，故障工況下計算結(jié)果由于不平衡電流互感器自身飽和特性影響，而仿真計算為線性波形、實際故障錄波為不平衡電流互感器飽和后的非線性波形，導(dǎo)致計算得出的不平衡電流值大于實際故障錄波電流值，但總體趨勢一致。

2.3 勵磁特性分析

不平衡電流互感器采用LVB-330W3型電流互感器，其一二次電流比分為0.5/1及1/100兩檔，當(dāng)電流互感器過電壓保護未擊穿時互感器一二次電流比為1/100，一次電流路徑如圖13所示，一次電流流經(jīng)互感器外側(cè)一次接線。

圖13 正常運行時一次電流路徑

當(dāng)電流互感器過電壓保護器擊穿時一二次電流比為0.5/1，一次電流路徑如圖14電氣原理圖中箭頭所示，一次電流直接經(jīng)過電壓保護器從互感器內(nèi)部流過。

圖14 過電壓保護器擊穿時一次電流路徑

根據(jù)不平衡電流互感器的儀表保護系數(shù)值為10，二次額定電流值為1 A，可得電流互感器二次電流為10 A時，電流互感器鐵芯已進入磁飽和狀態(tài)，當(dāng)二次電流大于10 A時，二次繞組所測的電流波形出現(xiàn)削頂?shù)那闆r即二次繞組所測的電流值已出現(xiàn)超量程情況。又因電流互感器廠家驗證設(shè)計與實測的勵磁特性、B-H曲線吻合如圖15所示，綜合故障錄波波形及電流值可判斷，交流濾波器發(fā)生故障時不平衡電流互感器鐵芯已處于嚴(yán)重飽和狀態(tài)。仿真計算得到的電流值與實際故障濾波值存在差異，即是由于對簡化電路進行計算時未考慮TA2及其被短接的兩端三個串聯(lián)電容器對電流所產(chǎn)生的影響。

圖15 不平衡電流互感器設(shè)計與實測的 勵磁特性及B-H曲線圖

2.4 小結(jié)

綜合以上各項仿真計算分析，驗證了導(dǎo)致某±500 kV換流站交流濾波器第一次跳閘的直接原因為A相電容塔的7-1-1 A電容器組最下層第6號電容器與不平衡電流互感器連接引線距離最下層均壓環(huán)較近，因連接引線端頭處裸露滲水，在13.1 kV電壓差下發(fā)生了放電，造成過電壓一次保護器擊穿（＞3 kV即擊穿），引起了交流濾波器第一次不平衡保護跳閘。第二次跳閘原因為7-1-1A電容器組最下層第6號電容器與不平衡電流互感器連接引線第一次放電后造成引線絕緣外皮燒蝕，再次投運時的沖擊電壓下導(dǎo)致了均壓環(huán)對引線燒蝕處擊穿放電，引起了交流濾波器第二次不平衡保護跳閘。

3 結(jié)束語

根據(jù)此次現(xiàn)場檢查情況及Simulink電路仿真結(jié)果，確認(rèn)了由于電容器與不平衡電流互感器連接引線與電容塔均壓環(huán)之間距離不足放電，加之引線外包絕緣受損，在連續(xù)降雨的情況下引線內(nèi)受潮，導(dǎo)致了不平衡保護跳閘事故。針對此次事故提出了以下三點建議：

1）建議在投運前恢復(fù)接線過程中，應(yīng)仔細(xì)檢查交流濾波器各處電容塔上連接引線的外觀，發(fā)現(xiàn)異常及時更換，并結(jié)合停電逐步檢查濾波場內(nèi)所有濾波電容器組的一次連接引線絕緣狀況，將易積水的引線更換為連接部位兩端封堵結(jié)構(gòu)的引線。

2）建議將電容器與不平衡電流互感器連接引線重新排線，增大連接引線與周圍導(dǎo)體間的距離，或在距離較近處纏繞絕緣帶，以起到加強絕緣防護的作用。

3）建議加強濾波器組的日常巡維，借助紅外測溫和紫外測電暈的方式監(jiān)視交流濾波器組電容塔連接部位的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。