交流滤波器电容器组不平衡保护策略分析 |
| 2012-08-21 10:17 作者：段 晖 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月21日消息 《硅谷》杂志2012年第13期刊文称，主要对交流滤波器不平衡保护进行展开研究，分析计算电容过电压水平和不平衡电流的计算方法，详细对比不同厂家不平衡保护的基本原理以及差异，对提高不平衡保护的可靠性入手，提出应从完善保护的原理、优化保护算法和数字滤波方法的合理性、增强自适应补偿功能入手的观点与建议。
近年来，高压（特高压）直流输电工程在我国的应用日益广泛，交流滤波器作为直流输电系统中不可或缺的重要设备，可以滤除和减少直流控制系统产生的谐波，从而避免对交流输电系统带来不良影响，同时还可以提供系统所需的无功功率。交流滤波器不平衡保护是为了保护交流滤波器中重要的组成部分电容器单元而设置的保护功能，根据近年运行经验，不平衡保护曾有过多次不正常动作的记录，虽然有一部分原因是由硬件设备故障引起，但也存在保护原理不完善引起的误动情况。
1交流滤波器电容器组不平衡保护分析
1.1交流滤波器电容损坏分析
交流滤波器是由电阻、电抗和电容串并联组成，一般在特定谐波频率附近或频带内呈现低阻抗值，从而吸收相应的谐波电流，减少其流入交流系统，以达到滤除谐波的目的，交流滤波器最基本组成单元即每个小电容元件均带有熔丝，若其任一个小电容元件发生绝缘介质被击穿或其他故障，则与之相并联的其他电容元件将通过该故障电容元件放电，以使故障元件的熔丝快速熔断，最终将该受损元件与正常的其他电容元件有效隔离开来了，但与此同时，剩余的完好的小电容元件将承受更高的工作电压，从而大大降低使用寿命，严重的甚至引起爆炸或雪崩效应。
在换流站H型桥接方式组成的电容器组中，正常情况下由于四组电容器参数完全相同或两两相同，形成桥臂平衡，中间的桥接线上（即不平衡支路）没有电流流过，一旦发生小电容元件发生击穿或者熔丝熔断等情况之后，内部平衡的状态被破坏，不平衡支路中就产生了不平衡电流，通过计算分析得知电容发生故障时小电容元件电压变化、不平衡电流与穿越电流之间比值只取决于电容器内部的串并联关系结构、数目以及小电容损坏的个数。
1.2交流滤波器不平衡保护研究
设置交流滤波器不平衡保护的目的就是需要在电容器元件产生雪崩效应之前，利用检测不平衡电流的变化或幅值来识别电容器内部是否发生故障，其整定基本原则是切除故障电容后，电容器端电压变化应不危害其他健全元件，其原理通常是通过检测不平衡支路的电流变化程度来达到识别电容器损坏的目的，目前不同厂家采用了不同的方法来反映不平衡支路的电流变比以实现该保护功能，但在实际运行中会表现出一定程度的差异。
西门子电容器组不平衡保护通过测量电容器组“H”连接的电流互感器处的不平衡电流突变量来判别电容故障，简言之是一种暂态型故障分量的识别方法，即采用了通过不平衡程度的变化识别故障的原理，但根据现场运行情况，在测量回路中存在电压、电流测量值产生扰动的情况，而其软件设计中的数字滤波算法不能完全避免上述扰动产生的影响，通过查看产品保护原理分析得知，西门子的保护装置中只有变化量的判据，没有稳态量判据进行辅助或把关，不利于保护装置的稳定运行。
ABB公司不平衡保护基于初始化补偿后的不平衡电流过量型保护方法，因为在正常投运的交流滤波器中的四组高端电容器不可能完全相同，使得交流滤波器正常运行时就可能有较大的不平衡电流流过桥支路，该保护是采用不平衡电流的绝对值做过量型的保护，但如果在换流站近区交流系统发生故障时或者当系统工况发生改变时，将有较大的穿越电流流过交流滤波器，从而导致不平衡电流会随之增大，因此仅使用不平衡电流的幅值大小来判断电容器是否损坏，在上述情况下就存在误动作的可能。但如果通过抬高定值来避免这种情况，又有可能导致灵敏度的缺失，应该说这种原理是一种局限性较大的方法。
南瑞继保公司采用了带有自动补偿方式的稳态不平衡保护元件和带有浮动门槛特性的暂态不平衡保护元件共同构成交流滤波器的不平衡保护功能，它既能提高不平衡保护动作的灵敏度，又能保证在各种复杂的系统运行方式情况下不误动作，由于采用了暂态方程加稳态方程两种方式结合的不平衡保护原理，同时保护的起动元件还采用了不平衡电流绝对值起动的方式，这样就对比例制动特性的不平衡保护做了一个门槛的限制，保证了保护动作的可靠性，这样消除了系统运行方式改变或系统故障引起的暂态变化对保护的影响，使得不平衡保护的安全性、可靠性与灵敏度同时得到兼顾。
1.3如何提高不平衡保护的可靠性
现有的滤波器不平衡保护的整定计算原则一般是依据电容生产厂家提供的电容单元承受过电压能力，按照已知的电容接线方式和结构，根据电路计算方法得到电容单元过电压能力、不平衡电流、电容损坏个数之间的关系，最终确认保护定值的，但从现场的经验看，由于计算主要是基于理想电路而得到的，而在实际工况环境下，各电容单元参数、绝缘以及电容特性发生偏移都可能对不平衡电流带来影响，因而理论计算和实际故障特征表现存在着一定差异，同时滤波器正常运行中，不平衡电流的大小经常会有一定的变化，有时甚至出现可能引起不平衡保护动作的高频电流分量，而退出滤波器后检查电容分支桥臂电容参数，电容偏差值却又在误差允许范围内，由此，单靠测量电容桥臂是否平衡来判断电容器是否存在损坏的方法不一定永远有效，也就是说，较大的不平衡电流也可能在非故障情况下产生，比如投运前电容器桥臂没有真正的调平衡。
前面提到，电容器损坏造成不平衡电流的大小及变化程度仅与电容器的内部连接方式、损坏小电容元件的个数相关，并且在交流侧母线或流过滤波器的穿越电流发生变化时，不平衡电流的绝对值也在发生变化。因而由电容损坏导致的不平衡现象应该用一种“度”的方式识别，而不宜于用“量”的方式判断；即不平衡保护原理适宜用比例的方式去判别，而不适合用过量型的方式去识别。
交流滤波器中存在较多的谐波分量，但从实际应用来看，交流滤波器中流过电流的主要的成分还是基波电流，在实现滤波器不平衡保护时，由于需要该保护反映的是电容器的损坏程度，而不需要反映过流或过热的程度，因而没有必要采用频带较宽的滤波算法，同时滤波器不平衡电流不是一成不变的，而是容易受到诸如运行方式或其他未知因素的干扰，导致正常情况下不平衡电流可能增大，因而不平衡保护应该具备一定的自适应功能，能够跟踪和适当补偿这种影响或者使得不平衡保护的定值具备一定浮动功能，适当的躲开这些干扰产生的影响，针对无稳态型不平衡保护保护装置，可考虑加入不平衡电流的稳态量启动判据，如果保护原理无法修改，则可以考虑将定值适当抬高以避免误动的情况发生。
同时提高不平衡保护可靠性还需要积累更多的滤波器运行经验，去发现和分析非故障状况下可能引起不平衡电流产生的原因，这也需要运行单位、电容器生产厂家、保护装置制造厂家的齐心协力。
2结论
综合以上对交流滤波器不平衡保护的分析和研究，阐述了电容电压变化、不平衡电流与穿越电流的比值都仅与故障的小电容元件个数及电容器内部的串并联方式相关，对不同不平衡保护的分析得知，其在反映不平衡电流变化的处理上有所不同，在实际应用中也表现出一定差异，最后针对提高不平衡保护的可靠性，提出了应从完善保护的原理、优化保护算法和滤波方法的合理性、增强自适应补偿功能入手等建议。
作者简介：
段晖（1979-），女，工程师，硕士，现就职于广州粤能电力科技开发有限公司工程部。（原文载于《硅谷》杂志2012年第13期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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