一起换流站交流滤波器电容器不平衡保护动作事件分析

1、配电系统可靠性评估指标高压直流输电换流站在进行交直流转换时，会在两侧产生一定的谐波，其中包括换流器固有特征带来的特征谐波，以及非理想状况下由滤波器参数不对称等因素引发的非特征谐波。交流滤波器安装于换流站的交流母线，主要用于限制直流输电系统向交流系统注入谐波[1-2]。滤波器如果发生故障，需要及时隔离和处理，避免故障扩大化，威胁直流输电系统的运行，乃至造成停电风险。国内换流站滤波器组出现故障的情况并不少见，不少研究针对电容器不平衡保护动作事件进行了分析。文献[3]提出了一种故障电容器组定位方法，该方法可精确定位双H桥的1/6区域；文献[4]探讨了一起交流滤波器发生不平衡保护动作导致开关跳闸的事故，故障由电容器元件击穿引起；文献[5]推导计算了损坏不同个数元件时电容器的不平衡电流和过电压倍数。近期南方电网某换流站发生一起由于交流滤波器电容故障，引发电容不平衡保护动作的事件，本文将针对这一事件案例，根据现场故障录波的波形分析保护的动作情况以及事件原因，并对事件的处置情况进行介绍，对换流站交流滤波器故障分析具有一定的参考价值。二、电容器不平衡保护原理换流站中的交流滤波器容量大，均采用分组的方式进行配置，大组中又分为若干小组，小组的电气原理图如图1所示。电容器是交流滤波器的重要组成部分，由图1可知交流滤波器小组中包含有高端电容器C1和低端电容器C2。为提高电容器耐压，一组电容器也是由大量电容元件串并联组成。理论上来说，单个电容元件的损坏对整组电容器的运行并没有很大的影响[4]。为了增强对电容器的保护，常采用H形接线方式[5-7]，而每个桥臂采用相同数量和参数规格的电容器通过串联和并联的方式组合而成，例如图1中的C1电容其典型接线方式如图2所示。图2中C11～C14四个电容单元构成H形接线，TA1和TA3用于测量电容器组的穿越电流，可构成差动保护，H桥中点连线配置的TA2用于测量不平衡电流。根据电路原理，不平衡电流与穿越电流的关系为：式中：Iub为不平衡电流；Ic为电容器组的穿越电流。所谓的电容器不平衡保护就是根据电流互感器监测不平衡电流的实时情况，推断电容器的运行状况[8-9]。电容器不平衡保护包含比值不平衡保护、计数不平衡保护等，本次事件动作为比值不平衡保护。所谓比值不平衡保护即将不平衡电流与穿越电流相除得到一比值，根据比值设定保护动作判据，以防止外部系统电压波动对电流数值的影响。判据如下：式中：ITA2、ITA3分别为图2中两组电流互感器测量得到的电流；Kset为比例整定值，需要结合实际中电容器允许损坏的元件个数进行确定。根据图2所示电路，基于MATLAB/Simulink建立仿真模型，分析单个电容单元由于故障发生参数偏离的场景，从而计算不平衡电流与穿越电流的比值关系，如图3所示。由图3可见，若C11～C14四个电容单元参数规格完全一致时，式（1）结果为零，即不存在不平衡电流；反之，若电容参数出现局部偏差，式（1）结果将不为零，且随着电容偏差情况增大，不平衡电流的比值也显著增加。三、事件分析2.1事件经过SER报某交流滤波器保护C1电容器比值不平衡保护Ⅲ段动作，跳开该回路开关A、B、C三相，换流站直流功率未受到影响，当天站内天气为阴。现场检查一次设备，开关三相在分闸位置；检查二次设备，该组交流滤波器保护屏1C1电容器比值不平衡保护Ⅲ段动作，该组交流滤波器保护屏2C1电容器比值不平衡保护Ⅲ段动作，分相操作箱A、B、C相跳闸Ⅰ、跳闸Ⅱ指示灯亮。随后隔离该组交流滤波器开关，对交流滤波器进行抢修。本次事件中，该组交流滤波器跳闸对电网运行、电力正常供应未造成任何影响。2.2保护动作情况分析该组滤波器C1比值不平衡保护判据如下：1）C1比值不平衡Ⅰ段：|ΔIT2/IT3|＞0.287，延时t1=5s告警。2）C1比值不平衡Ⅱ段：|ΔIT2/IT3|＞0.459，延时t2=2h跳闸。3）C1比值不平衡Ⅲ段：|ΔIT2/IT3|＞0.831，延时t3=0.05s跳闸。本次事件中该组滤波器C1比值不平衡Ⅲ段保护跳闸，相应的TFR录波文件如图4所示。保护装置的动作报告记录的各相电流数据情况如表1所示。表1中的校正是电容器的制造偏差，导致C1电容器组在出厂之后就可能存在一个固定的不平衡电流，因此需要对该固有不平衡电流进行补偿与校正。具体方式是在投运后记录该电流的比值与方向，利用该关系在后续进行补偿校正。从TFR录波可以看出，该组交流滤波器中的T2B相电流有效值在故障时刻从0.065A突变至0.760A，即检测到一突增的不平衡电流。查看装置B相T2不平衡电流Ib_校正初始值为0.100A，校正后T2不平衡电流为0.760-0.100=0.660A，而T3B相电流稳定在0.594A左右。根据计算|ΔIT2/IT3|=1.111＞0.831，满足C1比值不平衡Ⅲ段判据，持续超过50ms，满足C1比值不平衡Ⅲ段动作延时，因此该组交流滤波器主一、主二保护均动作，跳开小组滤波器开关。综上所述，该小组滤波器主一、主二保护滤波器C1比值不平衡保护Ⅲ段均正确动作，判断故障位于该小组滤波器B相。四、事件处置在对出现C1电容器不平衡的该组500kV交流滤波器进行异常检查后，进行了相应的处理。由于定位故障在B相，现场测量了该组滤波器C1电容器B相高、低压电容塔的单只电容，发现高压塔共4只电容出现明显异常。具体情况如下：HL42实测值27.62μF（出厂值22.82μF，偏差21.03%）、HL52实测值21.65μF（出厂值22.86μF，偏差-5.29%）、LL27实测值21.97μF（出厂值22.86μF，偏差-3.89%）、LL43实测值21.74μF（出厂值22.71μF，偏差-4.27%）。分别用合格新备品电容对上述电容器进行更换，更换后为HL42实测值22.56μF（出厂值22.80μF，偏差-1.05%）、HL52实测值22.65μF（出厂值22.87μF，偏差-0.96%）、LL27实测值22.67μF（出厂值22.89μF，偏差-0.96%）、LL43实测值22.64μF（出厂值22.83μF，偏差-0.83%）。测量桥臂电容为高压塔A柱2.3429μF、高压塔B柱2.3421μF、低压塔A柱2.5900μF、低压塔B柱2.5885μF，计算不平衡度为0.0000808，满足低于万分之一的要求。其余检查未发现异常，电容