±500 kV换流站交流滤波器不平衡保护动作原因分析

2021-09-02朱家良洪志湖颜冰邹德旭李昭王浩州赵加能

云南电力技术 2021年4期

朱家良，洪志湖，颜冰，邹德旭，李昭,3，王浩州,4，赵加能,5

（1.云南电网有限责任公司楚雄供电局，云南楚雄 675000；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院昆明 650217； 3.云南电网有限责任公司玉溪供电局，云南玉溪 653100；4.云南电网有限责任公司昆明供电局，昆明 650217； 5.云南电网有限责任公司大理供电局，云南大理 671000）

0 前言

现阶段随着我国经济社会的不断发展，为应对我国发电资源西多东少的分布局面，以云南电网公司为例，建设了国内首个省内直流输电项目——云南±500千伏永富直流输变电工程。此工程的建成，可将云南省内主要电源送出通道与南方电网西电东送大通道联通，克服我国发电资源西多东少的地理劣势。直流输电相较于交流输电在线路建设初投资、年运行费用以及线路损耗上有较大的经济优势。但因为直流输电系统特点，换流设备在交流和直流侧产生的谐波电压和谐波电流会对系统造成影响。目前解决的办法是在直流输电系统换流站内设置交流滤波器。由多个无源滤波器并联组成的交流滤波器可在特定谐波区域呈现低阻抗，以此达到抑制谐波的目的。为保证交流滤波器的正常运行，每组滤波器均设置有相应的保护，不平衡电流保护就是其中最主要的保护[1-2]。

本文针对云南电网某±500 kV换流站发生的两起交流滤波器不平衡保护动作跳闸事故原因进行分析，通过对这两次故障信息及试验数据进行收集，初步判明事故原因后，又构建起针对此次事故的Simulink电路仿真模型，通过对仿真计算数据与实际测量数据的比对，最终验证了对事故起因此前的判断，并为交流滤波器运行维护提出了建议。

1 故障基本情况

某±500 kV换流站ACF交流滤波器一次设备电气连接型式如图1所示。

图1 某±500 kV换流站交流滤波器组电气一次接线图

交流滤波器C型如图2所示。

图2 不平衡电流互感器为电容桥臂中间的电流互感器T2图

在一周时间内两次发生交流滤波器保护C1比值不平衡III段动作保护动作将断路器跳开，第一次跳闸后现场进行预防性试验[3-4]，发现一次过电压保护器U1mA不满足出厂要求值，检查发现其内部氧化锌避雷器击穿。二次跳闸后，现场检查时发现7-1-1A电容器组最下层第6号电容器与不平衡电流互感器连接引线距离最下层均压环较近[5-6]，放电造成引线外皮受电弧烧蚀开裂。

同时，在故障发生后对两次动作的保护动作情况及故障录波图像进行检查。发现交流滤波器保护C1比值不平衡该保护分为三段，两次跳闸均为III段动作，且动作判据系数满足K=C1不平衡电流校正值的绝对值/尾端电流值[7-8]，故判断保护动作正确。

对III段保护动作录波波形检查时，发现断路器跳闸后的故障录波中母线电压无明显变化、交流滤波C1不平衡CT三相电流波形和持续时间基本一致（112 ms左右），二次侧电流峰值约70 A，表现为A相出现消顶波形如图3红色圈出部分，B相和C相有微小感应电流[9-10]。

图3 交流滤波器C1不平衡电流互感器III段保护动作录波波形

2 故障原因排查及验证

由于某±500 kV换流站连续多天下雨，结合现场检查时发现的不平衡电流互感器一次过电压保护器内部阀片上出现的击穿痕迹及7-1-1A电容塔下层引流线出现烧蚀的情况，初步判断为，因多天降雨导致水汽沿引线外部缝隙处进入引线内部导致放电现象发生[11]。同时，第一次放电后对电容塔下层引流线造成的外层绝缘烧损破坏，再次投运时冲击电压下导致了均压环对引线击穿，最终造成了第二次不平衡保护跳闸[12]。为验证在雨水的影响下使得引线与均压环放电对交流滤波器的影响，本文运用Simulink构建起与现场相适应的电路仿真模型，对正常工况及故障工况下的不平衡电流及尾端电流互感器TA3有效值进行仿真计算。

2.1 正常工况

现场实测583滤波器中尾端电抗器阻抗为0.02049+j069062 Ω，TA2的阻抗值为1.814+j6.964，四个桥臂电容量见表1，583滤波器正常运行时电路原理图见图4。

表1 桥臂电容量测试结果

图4 滤波器正常运行时电路原理图

根据上述电路原理图建立Simulink电路仿真模型。计算得到滤波器正常运行时不平衡电流及尾端电流互感器TA3有效值分别为0.057A、193.7A，以及TA2和TA3电流波形见图5、图6。

图5 滤波器正常运行时三相电容桥不平衡电流

图6 滤波器正常运行时TA3的三相电流值

2.2 故障工况

根据现场检查情况，C1-1A桥臂（7-1-1A）最下层的第6号电容器引线距离最下层均压环较近，而均压环与7-1-1B最下层电容器连接，按照电容分压原理计算最下层均压环与7-1-1A最下层第6号电容器引线处电位差为13.1kV，在雨水的影响下易造成引线与均压环放电，使C1比值不平衡III段动作。

根据电容电桥设备接线方式简化电路后，计算得出C1-1Bm电容值、正常时及故障时尾端接地电流互感器TA3电流有效值、不平衡电流有效值。但由于该简化电路未考虑TA2、以及被短接至TA2两端的三个串联电容器对电路的影响，所以计算得到的故障时电容桥臂不平衡电流值存在较大的误差。

为更接近实际故障的电路情况，重新绘制故障滤波器电路原理图如图7所示，A相的C1-1B电容桥臂被分解为27支串联电容器的C1-1Bm和3支串联电容器的C1-1Bn，电容被短接至TA2两侧形成电容C1-1Bm电容值为2.4718823 uF，被短接C1-1Bn电容值为22.2799837 uF。

图7 滤波器A相故障时电路仿真原理图

根据上述电路原理图建立Simulink电路仿真模型，计算得到故障时A相不平衡电流波形见图8，电流有效值为99.72A。

图8 滤波器故障时A相不平衡电流波形

计算得到故障时B相、C相不平衡电流波形见图9，电流有效值为0.057 A，与正常运行时无差异。

图9 滤波器故障时B相、C相不平衡电流波形

故障时TA3电流波形见图10，A相尾端电流有效值分别为199.4A，B相和C相尾端电流有效值为194.5A；与正常运行相比，三相电流值基本保持不变。

图10 滤波器故障时TA3的三相尾端电流电波形

滤波器故障时的故障录波形如图11所示，A相出现消顶波形，三相尾端电流互感器TA3电流有效值基本保持不变，与实际结果一致。

图11 滤波器故障时TA3的三相故障录波波形

滤波器故障时三相电容桥臂的不平衡电流故障录波形如图12所示，B、C相不平衡电流与正常时无差异，与仿真结果一致。A相不平衡电流有效值为14 A，仿真计算结果显示A相不平衡电流有效值达99.72 A，根据故障波形及仿真波形分析，故障录波过程A相不平衡电流测量CT出现磁饱和。同时，故障录波图中所出现的消顶波形即是电流互感器所测电流已超过测量最大值（额定电流超过仪表保安系数10倍），导致A相不平衡电流故障录波波形异常。

图12 滤波器故障时三相不平电流故障录波波形

正常工况下计算结果与实际运行工况相符，故障工况下计算结果由于不平衡电流互感器自身饱和特性影响，而仿真计算为线性波形、实际故障录波为不平衡电流互感器饱和后的非线性波形，导致计算得出的不平衡电流值大于实际故障录波电流值，但总体趋势一致。

2.3 励磁特性分析

不平衡电流互感器采用LVB-330W3型电流互感器，其一二次电流比分为0.5/1及1/100两档，当电流互感器过电压保护未击穿时互感器一二次电流比为1/100，一次电流路径如图13所示，一次电流流经互感器外侧一次接线。

图13 正常运行时一次电流路径

当电流互感器过电压保护器击穿时一二次电流比为0.5/1，一次电流路径如图14电气原理图中箭头所示，一次电流直接经过电压保护器从互感器内部流过。

图14 过电压保护器击穿时一次电流路径

根据不平衡电流互感器的仪表保护系数值为10，二次额定电流值为1 A，可得电流互感器二次电流为10 A时，电流互感器铁芯已进入磁饱和状态，当二次电流大于10 A时，二次绕组所测的电流波形出现削顶的情况即二次绕组所测的电流值已出现超量程情况。又因电流互感器厂家验证设计与实测的励磁特性、B-H曲线吻合如图15所示，综合故障录波波形及电流值可判断，交流滤波器发生故障时不平衡电流互感器铁芯已处于严重饱和状态。仿真计算得到的电流值与实际故障滤波值存在差异，即是由于对简化电路进行计算时未考虑TA2及其被短接的两端三个串联电容器对电流所产生的影响。

图15 不平衡电流互感器设计与实测的励磁特性及B-H曲线图

2.4 小结

综合以上各项仿真计算分析，验证了导致某±500 kV换流站交流滤波器第一次跳闸的直接原因为A相电容塔的7-1-1 A电容器组最下层第6号电容器与不平衡电流互感器连接引线距离最下层均压环较近，因连接引线端头处裸露渗水，在13.1 kV电压差下发生了放电，造成过电压一次保护器击穿（＞3 kV即击穿），引起了交流滤波器第一次不平衡保护跳闸。第二次跳闸原因为7-1-1A电容器组最下层第6号电容器与不平衡电流互感器连接引线第一次放电后造成引线绝缘外皮烧蚀，再次投运时的冲击电压下导致了均压环对引线烧蚀处击穿放电，引起了交流滤波器第二次不平衡保护跳闸。