高压直流输电系统交流滤波器故障与保护分析.pdf

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第40卷第l9期2012年10月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControl、,0l_40NO.19Oct.1.2012高压直流输电系统交流滤波器故障与保护分析库晓斐,蔡泽祥,徐敏(华南理工大学电力学院,广东广州510640)摘要:高压直流输电系统中的交流滤波器,兼具限制谐波电流及无功补偿的双重作用,其可靠运行直接影响整个直流输电系统的安全与稳定。对交流滤波器的短路故障、电容器损坏、设备过负荷、滤波器失谐等故障进行了故障机理分析。通过故障分析和EMTDC/PSCAD仿真,对各故障可配置的保护进行了系统的研究,指出了各保护的特点及存在的不足,为实际直流工程中交流滤波器保护的选型与配置提供了理论指导。关键词:高压直流输电;交流滤波器;故障分析;保护方案FaultandprotectionanalysisofACfilterforHVDCtransmissionsystem——KUXiaofei,CAIZexiang,XUMin(SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:ACfiltersplaytheroleofbothrestrainingtheACsideharmonicsandreactivepowercompensation,whosereliableoperationdirectlyaffectstheHVDCtransmissionsystem.ThispaperanalyzesthemechanismofthefaultoftheACfilter,including—theshortcircuitfault,capacitordamage,equipmentoverload,filterdetuningandotherfaults.ThroughfaultanalysisandEMTDC/PSCADsimulation,asystematicstudyoftheprotectionforeachkindoffaultisdone.Also,thecharacteristicsandshortcomingsofeachprotectionarepointedout,whichprovidestheoreticalguidanceforprotectionselectionandconfigurationofACfilterinHVDCtransmissionproject.ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51077055).Keywords:HVDC;ACfilter;faultanalysis;protectionscheme中图分类号:TM72文献标识码:A———文章编号:16743415(2012)190150060引言高压直流输电系统中,交流滤波器起到在网侧滤除谐波和无功补偿的重要作用【IJ,是高压直流输电系统的重要组成部分,其稳定可靠运行与否直接关系到整个高压直流系统的安全稳定。交流滤波器通常并联在换流变压器交流侧母线上,不仅承受高电压,同时由于其滤波特性流过大量基波电流及谐波电流,设备的稳定性与绝缘水平面临着严峻考验,有必要对交流滤波器保护展开全面的研究。并且交流滤波器保护在运行中多次发生误动事件,严重情况下甚至造成直流系统双极停运事故,因此对交流滤波器故障机理的探讨和交流滤波器保护原理及配置的研究具有实际意义。基金项目:国家自然科学基金项目(51077055);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20100172110031)本文探讨了高压直流输电系统运行中交流滤波器可能出现的故障及其危害,通过仿真实验对故障发生机理及故障现象作出相应阐释。并针对各种故障现象,对交流滤波器所配置的保护原理及方案进行了系统的研究。1交流滤波器的构成与故障类型目前大多数直流工程所配置的交流滤波器主要为电容、电抗及电阻串并联构成的无源滤波器。其中单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器、高通滤波器及C型滤波器应用最为广泛【2j。本文以图1所示双调谐滤波器为例说明滤波器故障类型。交流滤波器常见故障包括短路故障、电容器损坏、设备过负荷、滤波器失谐等。短路故障主要指设备或连线接地短路。交流滤波器的三相相距较远,发生相间短路的可能性极小。电容器损坏指电容器内部电容元件击穿。库晓斐,等高压直流输电系统交流滤波器故障与保护分析151.C1过负荷Ll过负荷R1过负荷L2过负荷3.RI6.设备连线图1双调谐滤波器故障类型—Fig.1Faulttypeofdoubletunedfilter设备过负荷包括高端电容器、电抗器、电阻器过负荷。滤波器失谐指滤波器实际调谐频率偏离相应谐波频率的给定值。针对这些故障,可给予相应的保护如图2所示,在下面的章节中,将分别对这些保护具体分析。图2双调谐滤波器保护配置Fig.2Protectionconfigurationofdouble-tunedfilter2交流滤波器短路故障与保护交流滤波器发生短路故障时,设定的滤波通道被改变,交流滤波器无法达到预定的滤波效果。更为严重地是,短路情况下可能引起个别元件过电流,造成元件损坏,因此必须根据故障情况及时切除交流滤波器。针对短路故障时的故障特征,可配置差动保护、过流保护及零序过流保护实现对交流滤波器整体的保护。2.1差动保护交流滤波器发生短路故障时,母线侧电流,与接地侧电流出现差电流,差动保护即是通过检测这一差电流进行故障判断。然而在交流滤波器外部故障时,由于互感器传变误差可能导致差动保护检测到差电流,这一差电流被称为不平衡电流。为区分检测到的差电流是由内部故障引起还是不平衡电流造成,交流滤波器一般采用比率制动式差动保护作为主保护,并选取交流滤波器接地侧电流作为制动电流。在区外故障时,接地侧电流较大,保证了较大的制动量;区内故障时,接地侧电流发生不同程度的减小,保证区内故障快速准确地切除,提高了差动保护的灵敏度。建立比率制动式差动保护动作方程如式(1)所不。f}Tl一T3l>max(I ̄dqd,Kx,陀)△{dqd>KrefK1(KopeK+)(1)lT,其中:J『。daa为差动电流启动值,按躲过交流滤波器过电压运行时的最犬不平衡电流整定;,为可靠系数;K为过电压倍数;为电流互感器的比误差;。为电流互感器的非周期系数;为电流互感器同型系数;Am为电流互感器匹配误差;为交流滤波器二次额定电流;为比率制动系数,按照交流滤波器末端发生金属性接地故障时,保护具有足够的灵敏度整定;』。为制动电流,选取接地侧电流。2.2过流保护及零序过流保护过流保护通常作为短路故障的后备保护,通过检测滤波器的母线侧电流防止过电流对元器件的损害,其动作电流整定值应躲过交流滤波器最大负荷电流。交流滤波器接地短路故障时,由于三相电流不对称会出现较大的零序电流,此时零序过流保护通过检测接地侧三相电流合成的零序电流进行保护动作判断。特别是在滤波器接地侧发生接地短路时,由于故障电流较小造成差动保护可能检测不出故障,此时零序过流保护动作,有效地弥补了差动保护的不足。其保护判据如式(2)所示。T3.A+T3.B+IcT3.c>Io,ac|(2)其中,,为零序过流保护整定值,应大于正常运行时系统的零序电流和测量误差。3电容器损坏故障与电容器不平衡保护3.1电容器损坏机理及故障特征高端电容器C1是交流滤波器最重要的组成部电力系统保护与控制分,承担了大部分的母线电压,容易在运行中发生元件损坏】。为检测电容器的微小变化,一般采用H型接线或分支接线方式如图3所示。1一以H型接线为例说明电容器内部结构及保护原理。如图4所示,电容器的每个桥臂均由相同大小、相同数量的若干台电容器串并联组成。为提高电容耐压,每台电容器一般由若干电容器单元串并联组合而成,每个电容器单元同样通过若干电容器元件串并联构成。为使元件故障后得到有效隔离,一般每个电容元件串联有熔丝,当该电容元件故障后,与之并联的电容元件将向该故障元件放电,使熔丝熔断,从而实现故障元件的隔离【5]。当电容器单元内同一并联段多个电容元件损坏时,该并联段总电容变小而承受更高的电压,熔丝更容易被熔断,熔断的熔丝达到一定数量时,甚至可能发生电容器雪崩损坏。桥臂电容图4电容器结构示意图Fig.4Capacitorstructure构假设电流互感器CT2的阻抗为零,根据分流原理可知流过桥接线的不平衡电流为=c一丧),CT;’ICT2 ̄(一矗=1一1”十可见在正常情况下,由于4组电容器电容相同,中间的桥接线无电流流过。当一个桥臂上发生电容元件损坏时,平衡状态被破坏,桥接线上将流过不平衡电流。以天广直流工程为例,交流滤波器单个电容器内部结构为3串2O并,通过对电容器元件损坏现象进行EMTDC/PSCAD仿真,得到高端电容的一个桥臂的一个电容器单元中,同一串联段内电容元件从0.5S开始每隔0.05S相继损坏而被隔离,直至0.6S串联段内的3个电容元件全部隔离,中间桥接线上不平衡电流,的变化情况如图5所示。可见随着电容器元件相继损坏,不平衡电流相应增加。0.4805O0.520.540.560580.6O062064仿真时gJl/s图5不平衡电流变化情况Fig.5ChangesoftheunbalanceCtllTent3.2针对电容器损坏所配置的电容器不平衡保护针对电容器损坏时,H型接线电容器中间桥接线上流过不平衡电流的特性,对电容器配置电容器不平衡保护,通过检测桥接线上的不平衡电流,判断电容器组的运行状况。目前电容器不平衡保护按原理不同主要分为三类:桥差过流保护、电容器比值不平衡保护和电容器计数不平衡保护【6J。3.2.1桥差过流保护桥差过流保护通过检测中间桥接线上的电流‘,做出判断,当该电流大于整定值时,保护动作。由于桥差过流保护只采用了不平衡电流这一特征量,容易受到其他因素的干扰。在系统运行方式、‘(3)滤波器投入数量发生改变或换流站附近交流系统故正常状态下,G、:、,、Cl相等,设其值为C, ̄cU ̄1CT2--' ̄0。假设桥臂1发生故障,C11△发生微小变化C,此时有障等情况下,流过滤波器的总电流发生变化,可能引起不平衡电流的变化,从而造成桥差过流保护的误动。因此在实际应用中为了防止桥差过流保护误动,往往需要牺牲它的动作精度,作为电容器保护的后备保护检测电容器H桥一次性损坏很多组的情况。露一臀更一窜//库晓斐,等高压直流输电系统交流滤波器故障与保护分析一153.3.2.2比值不平衡保护比值不平衡保护采用不平衡电流,与总电流的比值作为保护判据I7】,避免了总电流变化△对保护动作精度的影响。当C发生微小变化C时,由式(4)得到一IcT2—:f1L—1:一(5),CT3Cl十C2G+,2_。C由式(5)可以看到,不平衡电流与总电流的比值仅与故障元件的个数及原有电容器元件的串并联方式相关。电容器比值不平衡保护就是利用这一原理,采用不平衡电流与总电流的比值作为保护判据。根据电容器接线方式、电路参数、单一元件耐受过电压水平,可确定电容器组能承受的损坏元件的个数,比值不平衡保护即通过损坏元件个数确定比值作为保护动作定值,并根据相应元件在该过电压水平下的耐受时间确定保护动作延时。3.2.3计数不平衡保护发生对称性故障时,中问桥接线流过的不平衡电流可能较小,此时比值不平衡保护也许无法检测到故障。电容器计数不平衡保护通过检测不平衡电流的大小,间接计算电容器电容损坏的个数,很好地解决了这一问题。采用电容器计数不平衡保护时,当检测到不平衡电流与总电流的比值的变化量大于整定值时,即认为电容器损坏了一个元件,并开始进行计数,当损害元件数大于定值时保护动作。在实际工况中,由于4个桥臂电容的允许制造偏差,电容大小不可能完全相同,在无故障情况下中间桥接线上也会流过不平衡电流。同时,随着滤波器的运行,电容器的电容值可能受到环境参数影响发生改变,引起保护装置误动。为解决上述问题,实际工程中通常采用带有自动补偿方式的稳态不平衡元件和带有浮动门槛的暂态不平衡元件共同构成交流滤波器的电容器不平衡保护,有效地消除了上述影响J。4设备过负荷保护4.1高端电容器过负荷保护高端电容器Cl承受了大部分母线电压及较大的谐波电压,而电容器的绝缘性能与它的工作电压密切相关J。在电网电压升高时或电容元件本身损坏数量较多时,将造成电容器的过负荷,此时电容器内部工作场强升高,降低电容器的绝缘性能,从而容易造成电容器击穿而损坏。电容器过负荷保护通过对流过电容器的电流积分获得电容器承受的电压值。由于50次以上谐波含量及幅值较小,通过采用50次谐波以内的总电流进行积分。卫i(t)=iksin(kwt+Ok)(6)==--’ ̄iksin(f+:…(7)cos(kwt+ok)一—台其中:f(r)为流过电容器的穿越电流;为各次谐波分量的峰值。通过式(7)得到电容器承受的电压值后,结合电容器的过负荷能力确定保护整定值当>us时保护动作[10]。同时,可根据厂家能够提供电容器的电压耐受曲线,实现电容器反时限过负荷保护。4.2电抗器、电阻器谐波过负荷保护基于交流滤波器的工作性质,交流滤波器长期流过较大的谐波电流,可能导致电抗器及电阻器长期发热而损坏。在正常工况下,滤波器流过的谐波电流可能占到基波电流的20%~30%,并且对于电阻器和电抗器,频率越高的电流导致的发热越严重。针对这一隋况有必要配置针对性的保护,即谐波过负荷保护。谐波过负荷保护通过元件的功率损耗计算与之相应的等效温度,从而确定元件上的热应力以实现保护[11]。电抗器或电阻器发热功率为:P:IR,R随频率变化呈现不同的阻值。流过电抗器或电阻器的总电流为卫一I(t)= ̄/2Iksin(kwt+Ok)(8)其中,,为各次谐波电流有效值,一般采用50次谐波以内的电流进行计算。由于不同频率的谐波电流的正弦分量是正交的,它们的矢量积为0,可得到单位时间内电抗器或电阻器的发热功率为P=…+尺2++,520尺50(9)…其中,足,R,,,足。是电抗器对于不同谐波分量的阻抗。由式(9)可以看出不同谐波分量的发热效应相互独立,因此可将各次谐波电流的发热贡献等效到基波电流进行叠加。—P=R(;+...+ksZo)(10)‘I\lJu电力系统保护与控制jp…’其中,_J(,3,50)为其他单位i黻分量等效到工频电流的发热贡献之间的比例系数。此时可得到等效的工频热效应电流为√…f=H;2+2o52o(11)当该工频热效应电流Z大于定值时,谐波过负荷保护动作。5滤波器失谐与失谐监视由于滤波器的调谐频率取决于电容器及电抗器的取值,滤波器元件参数变化和电网频率变化是导致滤波器失谐的主要原因。在实际运行中,由于电抗器及电容器允许的制造误差、元件老化、环境温度变化等因素,造成元件实际运行值偏离标称值;并且交流系统工作频率随用电负荷波动,导致滤波器实际调谐频率与谐波频率存在一定偏差,交流滤波器达不到预想的滤波效果【』引。为检测滤波器元件早期的细小变化,防止一相失谐造成不对称给正常滤波器带来过应力,应对交流滤波器配置失谐监视功能,在三相调谐特性不一致时发出告警信号。以交流滤波器的电容器容值产生偏差为例,对天广直流DT12/24型滤波器正常运行时、高端电容器cl的A相容值偏离5%、l0%时各次零序谐波电流的幅值变化情况进行EMTDC/PSCAD仿真,结果如图6所示。粤f/Hz(a1正常运行时各次零序谐波电流幅值flHz(b)C1容值偏离时各次零序谐波电流幅值dHz(c)c1容值偏离1O%时各次零序谐波电流幅值图6C1容值变化时零序谐波电流仿真情况Fig.6SimulationresultsofzerosequenceharmoniccurrentswhencapacitanceofC1changes从仿真结果可以看到交流滤波器正常运行时,流过滤波器的零序电流基本为零,而随着电容器C1的A相电容值偏离标称值,接地侧出现零序谐波电流且幅值随电容值变化,因此交流滤波器失谐监视可通过检测滤波器接地侧的零序谐波电流实现。6结语本文对高压直流输电系统交流滤波器可能发生的短路故障、电容器损坏、设备过负荷、滤波器失谐等故障的故障机理及故障现象进行了理论分析与仿真实验。针对交流滤波器的各类故障,应配置差动保护、过流保护、零序过流保护、电容器不平衡保护、电容器过负荷保护、电抗器谐波过负荷保护、电阻器谐波过负荷保护及失谐监视以实现对滤波器整体及各设备的保护。本文对这些保护展开了详细的讨论和研究,为现场运行人员对交流滤波器保护的运行提供了理论基础。在实际工程中,应结合高压直流工程运行工况,并充分考虑到滤波器及其设备的参数及安装方式确定保护动作定值、延时逻辑,并选择合适的采样频率,从而提高交流滤波器保护的正确动作率。参考文献[1]夏道止,沈赞埙.高压直流输电系统的谐波分析及滤波[M】.北京:水利电力出版社,1994.[2]赵婉君.高压直流输电工程技术[M】.北京:中国电力出版社,2004.E3]朱韬析,王超.广州换流站交流滤波器运行中存在的—问题[J】.电力设备,2007,8(10):6668.ZHUTao-xi,WANGChao.ExistentproblemsinoperationofACfilterinGuangzhouconverterstation[J].—ElectricEquipment,2007,8(1O):6668.[4]余江,周红阳,赵曼勇.高压电容器不平衡保护的相关问题[J].电力系统自动化,2006,30(13):85.89.YUJiang,ZHOUHong-yang,ZHAOManyong.Related库晓斐,等高压直流输电系统交流滤波器故障与保护分析.155.problemsofunbalanceprotectionforhighvoltagecapacitor[J].AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(13):85-89.[5]杨文荣,董燕,陈温良.对高压内熔丝并联电容器性能的认识和研究[J】.电力电容器和无功补偿,2010,31(5):50-54.—YANGWenrong,DONGYan,CHENWen-liang.Study—ontheinternallyfusedhighvoltageshuntcapacitors[J].PowerCapacitor&ReactivePowerCompensation,2010,31(5):50-54.[6]朱韬析,王宁宁,郭卫明,等.交流滤波器电容器不平衡保护在南方电网直流输电系统中的应用【J].电力系统保护与控制,2010,38(2O):102.105.—ZHUTaoxi,WANGNing-ning,GUOWei-ruing,eta1.TheapplicationoftheunbalancecurrentprotectionforcapacitorofACfilterusedintheHVDCsystemofCSG[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,—38(20):102105.[7]吴娅妮,吕鹏飞,王德林,等.交流滤波器高压电容器不平衡保护新原理fJ1.电力系统自动化,2008,—32(24):5659.———WUYani,LtiPengfei,WANGDelin,eta1.NewprincipleofunbalancecurrentprotectionforcapacitorofACfilter[J].Automati0nofElectricPowerSystems,2008,32(24):56・59.[8]文继锋,陈松林,李海英,等.交流滤波器保护配置—和实现[J].电力系统自动化,2006,30(2):109112.—WENJi-feng,CHENSonglin,LIHai-ying,eta1.ConfigurationandapplicationofACfilterprotection[J】.AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(2):109-112.[9]郑斌毅,吴元熙.交、直流滤波器中电力电容器的运行和改造[J].电力电容器,2006(1):30-34.ZHENGBin-yi.WUYuan-xi.OperationandimprovementofpowercapacitorsinAC/DCfilters[J].—PowerCapacitors,2006(1):3034.[10]程江平,周全.直流滤波器保护的研究和改进【J】.电—力系统保护与控制,2011,39(4):105109.—CHENGJiangping,ZHOUQuan.StudyandimprovementofDCfilterprotection[J].PowerSystem—ProtectionandControl,201I,39(4):105109.[11]田庆.葛洲坝换流站交流滤波器过负荷保护误动作分析[J].高电压技术,2009,35(5):1225・1230.TIANQing.AnalysisonthefaulttripofACfilteroverloadprotectioninGezhoubaconverterstation[J].Hi曲VoltageEngineering,2009,35(5):1225-1230.[12]同向前,周世平,薛钧义.交流调谐滤波器失谐度检测方法的研究[J].仪器仪表学报,2005,26(6):—658660.—‘TONGXiang-qian,ZHOUShiping,XUEJun-yi.ResearchonthemeasurementofdetuninginACtunedfilter[J】.ChineseJournalofScientificInstrument,2005,—26(6):658660.[13]罗宇航,张振华,张文,等.云广直流系统交流滤波器保护误动作分析及改进措施[J】.电力系统保护与控制,2011,39(3):138-140.LUOYu-hang,ZHANGZhen-hua,ZHANGWen,eta1.Analysisonreal・operationofACfilterprotectionanditsimprovementmeasureinYun-GuangHVDCtransmissionsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,201l,39(3):138-140.El4]徐峰,吕涛,曹继丰.云广直流±800kV交流滤波器的电阻过负荷保护[J].南方电网技术,2011,5(1):53-56.—XUFeng,LfiTao,CAOJifeng.Overloadprotectionof士8OOkVACfilterresistorinYunnan-GuangdongDCproject[J].SouthernPowerSystemTechnology,2011,5(1):53-56[15]张亚东,耿杰.微机滤波器过流保护误动的原因分析—与对策[J】.低压电器,2011(13):5860.ZHANGYa-dong,GENGJie.Falseactionanalysisofmicrocomputerfilterovercurrentprotectionanditscountermeasures[J].LowVoltageApparatus,2011(13):58.6O.—收稿日期;2011-1118:—修回日期;2012-0314作者简介:库晓斐(1988-),女,硕士研究生,研究方向为电力系—统保护、控制与自动化;E.mail:xiaofeik@163.com蔡泽祥(1960-),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为电力系统继电保护与控制、电力系统稳定分析与控制:徐敏(I988一),男,博士研究生,研究方向为电力系统保护、控制与自动化。
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