±500kV直流换流站交流滤波器结构配置及故障分析

±500kV直流换流站交流滤波器结构配置及故障分析

姜绪军1李花云2丛波3

（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司伊敏换流站021130）

摘要：交流滤波器是换流站进行无功补偿和滤除谐波的主要器件，是换流站的重要构成部分，其结构复杂，运行环境恶劣，产生故障类型多样。本文以伊敏换流站交流滤波器的运行状态为背景，分析交流滤波器的结构及其作用，并分析高端电容器的不平衡保护。

关键词：交流滤波器；结构；高压直流；保护

引言

交流滤波器在直流输电系统中起着极其关键的作用。在直流输电工程中，换流器作为交流系统的无功负荷，运行时会在交流侧产生大量谐波电压和谐波电流，这些谐波分量可能会导致电容器和附近的电机过热，并干扰远动通讯系统，。为了滤除和减少产生的谐波的不良影响，补偿直流系统消耗的无功功率，在直流系统运行过程中必须投入一定数量的交流滤波器，并联在换流变压器交流侧的母线上，根据直流系统运行情况、系统电网无功需要等情况进行投切。

本文以±500kV伊穆直流工程伊敏换流站为背景，简述常规换流站中交流滤波器的组成结构和配置情况，并分析该站出现的一些交流滤波器电容器故障情况。

1.交流滤波器概述

1.1交流滤波器的分类

根据交流滤波器本身滤除谐波分量的频率大小，交流滤波器可以有很多种不同的接线方式，通常在常规直流换流站设计中有A、B、C、D四种类型滤波器（如图1—图4所示），A型为HP11/13次双调谐滤波器，B型为HP24/36次双调谐滤波器，C型为HP3次滤波器，D型为并联电容。交流滤波器配置组数、类别和每组的容量应根据网架结构特性，经计算分析确定。以伊敏换流站为例，该站配置3组A型滤波器、3组B型滤波器、2组C型滤波器和3组D型滤波器，共11组，每小组额定容量为122.6Mvar，总容量为1348.6Mvar。

图1图2图3图4

1.2交流滤波器的组成结构

交流滤波器由电容、电抗和电阻通过串并联的形式组成，并根据保护需要配置不同的电流互感器、避雷器等设备，如图1—图4所示。

1.3交流滤波器的特点

（1）连接方式多样化

交流滤波器由电阻、电抗和电容串并联构成其基本结构。为了达到滤除谐波的目的，其中部分电路可能要调谐于某个谐波分量，需要多样的串并联形式组合满足此项要求。

（2）母线电压波动大

交流滤波器母线电压随着投入的交流滤波器和并联电抗器的数量会产生较大的变化，在直流系统控制中，当投入U_control功能时，系统会根据母线电压情况投切交流滤波器，来维持母线电压在允许的范围内。

（3）谐波电流的特点

正常情况下，在交流滤波器中会流过较大的各次谐波电流，而且直流系统的运行工况是变化的，这些谐波电流的大小和频率就会随之变化，由于谐波电流的发热能力一般比基波要大一些，所以对交流滤波器各元件的过负荷保护会产生一定的影响，系统特殊工况带来的暂态过程直流系统在交流滤波器中的大量电容器件中充放电过程，会在交流滤波器中产生很大的冲击电流流过。

2.交流滤波器电容器不平衡保护原理及故障分析

2.1电容损坏特点

在交流滤波器中，即使其中一个小电容发生了故障，比如其绝缘介质被击穿，则与之相并联的其他电容就会通过故障电容发生放电，从而导致故障电容的熔丝被烧断，使得与正常的元件隔离。内部熔丝作为电容器元件内部的初级保护机制，假如一只电容器内部的同一并联组件有多个电容发生损坏，则剩余的完好的电容必将承受过电压，使其寿命大大缩短，甚至会引起爆炸或雪崩击穿。

2.2电容器不平衡保护原理

当电容内部发生故障，使得桥臂电容单元中的任何一个电容被击穿或者熔断器熔断时，所引起的过电压以及过电流幅值会较小，此时不会引起电压保护和电流保护动作跳闸，但是引起的电压变化会使电容单元某一串联段上电容的运行电压超过1.1倍的额定电压，而超过1.1倍额定电压是不利于电容器长期运行的，决不允许这种情况发生，所以此时需要电容不平衡保护工作，来实现跳开断路器，从而实现保护电容器，隔离故障点的作用。

为了有效地监测电容运行状态和保护电容，目前换流站应用的滤波器中，电容器分为四组桥臂，用H型桥接线方式连接起来。当其中一个桥臂电容发生损坏时，会导致损坏电容所在桥臂电容值发生较大变化，使得桥臂电流平衡的状态遭到严重破坏，电流互感器T1就会测量到不平衡电流。电容器不平衡电流保护发生在雪崩效应之前，利用不平衡电流的变化就可以检测出电容桥臂内部元件的故障。该保护对基波电流很敏感，以入地电流为参考电流，采用比值不平衡方法。

按照交流滤波器保护设计规范，由于制造偏差，H桥上会存在一个初始不平衡电流，因此在首次投入使用或更换电容器元件时需要初始化该不平衡电流。

图5

理想情况下，桥臂电流互感器T1的阻抗为0，则流过CA的电流为CB*Ih/（CA+CB）流过CC的电流为CD*Ih/（CC+CD），其中CA，CB，CC，CD为桥臂电容值（正常情况下各桥臂电容值相等），Ih为流过滤波器的总电流，则根据基尔霍夫定律可知，流过桥的不平衡电流，即差电流IT1为：

IT1=CB*Ih/（CA+CB）-CD*Ih/（CC+CD）

2.3故障分析

伊敏换流站曾在2011年7月、2018年1月发生过2次因电容器不平衡保护动作导致滤波器小组跳闸事故。统计如下：

下面以2011年7月事故情况为例进行阐述。

（1）事件概述

2011年07月12日23：03无功控制自动投入5611交流滤波器，双极功率2400MW，交流滤波器除5633在热备用外，其余交流滤波器均在运行状态。23：08OWS报”第一大组第一小组滤波器不平衡I段告警出现”，”交流滤波器保护AFP11装置报警”，现场检查两套保护均报警，同时查看故障录波发现，不平衡电流值达到0.17A，大于不平衡I段报警定值0.15A（延时10S报出）。在准备向网调申请退出5611，投入同为SC型的5633交流滤波器时，伊穆直流功率下降，无功控制自动退出5611，报警随即消失。

2011年07月13日对5611故障滤波器A相C1电容塔进行相关检查及故障电容器更换，更换后设备运行正常。

（2）测量

为了快速定位故障区域，用电容表先对电容塔的桥臂进行电容值测量，结果记录如下：

5611滤波器A相C1各桥臂电容值

经过与往次试验数据对比未发现明显异常，无法定位故障电容器区域，于是对电容器进行逐一电容值测量。对C1塔所有单只电容器测量后发现一层前排第三只电容器电容值41.5μF，预试试验为44.9μF，电容值有明显变化，因此判断该电容器为故障电容器。

分析故障原因，伊敏换流站始建于2006年7月，2010年9月正式投入系统运行，本次事故可能为在5611滤波器投入的过程中的冲击电流过大，对电容器产生冲击，由于制造工艺，导致每个电容的特性不尽相同，存在不同偏差。而2018年1月发生同类事故，此时设备已运行8年多，可能为设备老化，电容承受的过压、过流能力减弱原因导致。

3建议

交流滤波器电容器为充油设备，制造工艺、运行温度对电容器的性能影响较大。结合伊敏换流站的运维经验和事故故障原因提出以下建议：（1）在建设阶段要加强对电容器制造工艺和安装工艺的管控，提高工艺水平。（2）在运行维护过程中通过渗漏油、鼓肚等外部形态的变化可判断电容器健康状况。加强特殊巡视，特别是在迎峰度夏等高温、高峰负荷期间。（3）严格按照技术导则要求，开展日常维护工作，提高不平衡电流的监测、分析工作的精确程度，准确评价电容器健康水平。（4）优化直流工程无功控制逻辑，减少交流滤波器投切频率，减少对设备的冲击。

4结语

本文对直流工程中交流滤波器的分类、结构、特点、电容器不平衡的原因及保护原理进行阐述，以伊敏换流站发生的两次不平衡保护动作情况为例进行分析说明，并根据该站交流滤波器运维经验提出相关建议，对今后交流滤波器的运维工作以及直流工程的建设具有一定的参考意义。

参考文献：

[1]赵畹君.高压直流输电工程技术［M］．北京：中国电力出版社，2004.

[2]库晓斐，蔡泽祥，徐敏.高压直流输电系统交流滤波器故障与保护分析.电力系统保护与控制，2012.

[3]梁天明，李豹.交流滤波器电容器运行情况分析及共性问题探讨.电力电容器与无功补偿，2012.

[4]杨跃辉.换流站交流滤波器典型故障分析.电力电容器与无功补偿，2014.

[5]王伟.变电站电容器的运行维护与故障处理.电力电容器与无功补偿.2009.

作者简介：

姜绪军1（1989-），男（汉族），山东省平阴县，职称：助理工程师，研究方向：主要从事直流换流站运维工作，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司伊敏换流站。

李花云2（1987-），女（汉族），黑龙江省佳木斯市，职称：助理工程师，研究方向：主要从事直流换流站运维工作，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司伊敏换流站。

丛波3（1994-），男（汉族），内蒙古宁城县，职称：助理工程师，研究方向：主要从事直流换流站运维工作，单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司伊敏换流站。