C 型阻尼滤波器中电阻元件的保护策略研究

李小婧，姚 孟

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网河南省电力公司，河南 郑州 450000）

0 引言

随着能源安全、环境污染等问题日益突出，以全球能源互联网为核心的新一代能源系统将成为未来全球能源的发展方向，而特高压交直流输电、智能电网将是构建全球能源互联网的重要手段，尤其是特高压直流输电以其显著的优点成为其中不可或缺的内容[1-2]。

换流器在输电系统中为谐波源，在换流的同时会产生谐波。系统中存在谐波分量时，可能引起谐振、设备故障，增加谐波损耗，降低设备的使用效率，加速绝缘老化并缩短设备的使用寿命，因此换流站均安装有特定组合的滤波器[3-4]。某换流站单元Ⅰ 330 kV 侧装设了1 组HP3 滤波器，采用C 型阻尼滤波器接线方式，容量为36 Mvar，主要用于滤除3 次及以上谐波。2011 年5 月检修时，发现该滤波器内R1 电阻器的电阻丝烧断，而保护装置未发出告警或动作信号，暴露出保护策略的不足[5]。本文在分析国内滤波器保护策略的基础上，根据电阻器故障时的故障特性，提出了一种新的保护策略。该策略基于滤波器的谐波特性，有利于在故障时及时发出信号，减轻故障造成的损失，减少谐波对交流系统的危害。

1 C 型阻尼滤波器的组成及特性

1.1 C 型阻尼滤波器的组成

C 型阻尼滤波器主要由电流互感器、避雷器、电容器、电抗器、电阻器等组成。

1.2 C 型阻尼滤波器阻抗特性

C 型滤波器的阻抗函数为

根据换流站滤波器设备参数，利用MATLAB软件绘制出的此滤波器的阻抗—频率特性如图1所示。由图1 可以看出：第一，在工频下，L1、C2 工作在串联谐振模式下，流过R1 电阻器的工频电流约为0。第二，整个滤波器组在频率150 Hz 时的阻抗值最小，消除3 次谐波的能力最大。

由于换流站交流侧的主要特征谐波是11、13、23、25 次谐波，且专门设置有HP12/24 滤波器，因此对于C 型阻尼滤波器，其主要作用就是滤除3 次谐波，其他谐波的比例很小，可以忽略不计。

1.3 电阻器故障的危害

图1 换流站C 型阻尼滤波器阻抗—频率特性图

电阻器故障的原因是由于电阻丝局部上有易断开的受损点，在运行时局部发热，最终导致熔断形成断点，电弧放电直至烧出足够大的、可耐受绝缘电压的间隙或避雷器动作而熄灭。

电阻器故障的危害主要有以下两方面：一是当电阻器故障开始及放电过程中，放电处温度很高，可能引起火灾造成损失。二是当电阻器故障后，等效R1 电阻为无穷大（开路），根据此时的阻抗—频率特性图，整个滤波器在3 次谐波下阻抗最小，可能导致滤波器内其他设备发热、谐波过负荷等情况出现。

2 C 型阻尼滤波器的保护配置

目前，C 型阻尼滤波器的保护配置主要包括差动、过流、零序过流、电容不平衡、电阻及电抗谐波过负荷等保护，以及失谐监视功能[6]。

根据保护原理，当电阻器在故障的过程中及完全故障后，由于没有对地故障电流，因此可能动作的保护有电阻及电抗谐波过负荷、零序过流、失谐监视。

电阻及电抗谐波过负荷：电阻及电抗等效工频热效应电流大于定值时动作。此定值多根据设备厂家的耐受水平整定。换流站3601 滤波器电阻谐波保护定值为Ⅰ段18 A，延时2 s；Ⅱ段24 A，延时0.05 s；电抗谐波保护定值为Ⅰ段107 A，延时2 s；Ⅱ段142 A，延时0.05 s。

零序过流：检测交流滤波器内部非对称故障，采用滤波器尾端电流互感器自产零序电流，仅反映工频分量，大于保护定值时动作。典型定值为Ⅰ段取工频额定电流的30%，延时10 s；Ⅱ段取工频额定电流的80%，延时6 s。

失谐监视：尾端合成电流不含工频的谐波分量与尾端合成电流总谐波电流的比值，大于定值时报警。典型定值为0.35，延时10 s。

3 电阻器故障时滤波器的特性

3.1 阻抗特性

电阻器故障分为两种，一种是初期的电阻值增大，另一种是完全熔断后开路。后一种情况可等效为电阻值增加到无穷大，因此可以统一为电阻值增加。根据换流站滤波器设备参数，利用MATLAB 软件绘制出的此滤波器的阻抗—频率特性图如图2 所示。

图2 电阻值变化时滤波器的阻抗—频率特性图

从图2 可以看出，随着电阻值的增加，滤波器的阻抗—频率特性曲线形式没有明显的变化，但在不同区域，有所差别，具体如下。

a） 在工频区域，阻抗基本不变。

b） 在 100～150 Hz 区域 （2～4 次谐波），阻抗随着电阻值的增加而减小，对3 次谐波，其值由267.693 Ω 降到 0.243 Ω。

c） 在 150 Hz 以上区域 （5 次及以上谐波），阻抗随着电阻值的增加而增加，但相对差较小，变化不是很明显。

3.2 电流电压特性

根据阻抗—频率特性以及换流站谐波特性，可只考虑工频和3 次谐波下的电流电压特性。当电阻器故障导致电阻值增加时，利用MATLAB 软件绘制的此滤波器的电压电流—阻抗特性图如图3 所示。根据MATLAB 软件计算，电阻值故障时电阻、电抗的电压、电流值如表1 所示。

从图3 和表1 可以看出：第一，在工频下，由于滤波器阻抗基本不变，L1 与C2 处于谐振状态，L1 与C2 串联的电压、电流基本不变，R1 的电压、电流基本接近为0。第二，在3 次谐波下，由于滤波器阻抗减少明显，导致谐波电流升高，同时由于R 值的增加，L1 与C2 串联的电流将缓慢增加，R1 的电压缓慢增加，而电流迅速减小。

图3 滤波器的电压电流—阻抗特性图

表1 工频下电阻值变化时的参数对比

4 保护分析与保护策略

4.1 现有保护分析

根据本文1.2 节的分析，现有的电阻及电抗谐波过负荷、零序过流、失谐监视均不会动作。

a） 电阻及电抗谐波过负荷。由于谐波电流增加不明显，远未达到保护动作的定值，所以保护不会动作。

b） 零序过流。由于零序电流仅反映工频分量，而工频分量基本无变化，达不到保护动作的定值，所以保护不会动作。

c） 失谐监视。由于尾端合成的谐波电流没有明显变化，达不到保护动作的定值，所以保护不会动作。

因此，现有保护策略无法检测出故障，不能正确动作。

4.2 改进后的保护策略

由于工频电流及工频电压的变化特征不明显，在现有的保护测量元件精度下（0.2），不能有效利用构成保护策略。3 次谐波分量中，电压变化不明显，且电压分量无测量元件，无法构成保护策略。3 次谐波分量重，电阻电流的特征为逐渐减少，与系统谐波减少时的特征相似，无法直接构成保护策略；电抗电流的特征为逐渐增大，但增加范围有限，且与系统谐波增加时的特征相似，同样无法直接构成保护策略。为此，提出一种新的保护策略，即根据电阻值与电抗值的比值等于电抗电流与电阻电流的比值，故障时比值增加的特征，使用电抗3 次谐波电流与电阻3 次谐波电流的比值作为保护动作方程，当比值大于定值时，保护告警。

绘制出电阻值变化时，此滤波器的电抗、电阻3 次谐波电流比值如图4 所示。

图4 电抗、电阻3 次谐波电流比值图

从表1、图4 可以看出，电抗、电阻3 次谐波电流比值与电阻值的变化基本成正比，为确保保护的可靠性，保护定值可设置为3～20 标幺值，延时0.5 s 以上；同时，为了防止保护在系统谐波很小时保护误动，另设置启动判据，需电抗3 次谐波电流大于定值时动作。最终的保护动作方程如式（1）所示。

式（1）中，IL3为电抗器 3 次谐波电流，IR3为电阻器 3 次谐波电流，Kset1、Kset2为保护定值。

4.3 改进后的保护策略可靠性分析

当滤波器接线方式不变，且电阻、电抗、电容的参数不变时，流过电阻、电抗的所有电流比值与其阻抗成反比。因此3 次谐波分量的比值在正常运行、系统谐波波动、其他元件故障时，其比值不会增大，保护不会误动。当电抗、电容发生导致其串联电阻减小时，将导致比值增加，具体分析如下。

a） 电抗、电容出现接地故障时，此时差动、零序保护为主保护，快速动作跳闸，而且此时由于电抗、电容值变化，导致滤波器3 次谐波阻抗增加，3 次谐波电流减少达不到启动判据，因此新的保护策略不会动作。

b） 电抗匝间短路、击穿时，零序保护动作，同时本保护可作为其后备保护，可以起到保护作用。

c） 电容器击穿、短路时，电容不平衡保护动作，同时本保护可作为其后备保护，可以起到保护作用。

综上所述，新的保护策略在各种工况下不会出现误动，可靠性满足要求。

5 结束语

根据C 型阻尼滤波器中电阻器故障时的特征，提出一种新的保护策略，即电抗3 次谐波电流与电阻3 次谐波电流比值增大，且电抗3 次谐波电流正常时，保护动作。该保护策略能在电阻器故障时正确动作，并在其他元件故障及系统谐波波动时不会误动，提升了保护的灵敏性。