肖文文，王宏偉，董海波，喬 木，潘玉美

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

內(nèi)蒙古上海廟—山東臨沂±800 kV特高壓直流輸電工程作為國家大氣污染防治計(jì)劃12條重點(diǎn)通道之一，是首個(gè)落點(diǎn)山東的特高壓直流輸電工程。特高壓換流站在運(yùn)行中，其換流裝置會(huì)消耗大量感性無功并產(chǎn)生大量諧波。為避免對(duì)交流系統(tǒng)造成不利影響，必須在換流器電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)加裝交流濾波器，以濾除諧波并為系統(tǒng)提供無功支持［1-2］。

我國對(duì)常規(guī)換流站交流濾波器保護(hù)系統(tǒng)的研究已較為成熟。文獻(xiàn)［3］提出了一種交流濾波器場(chǎng)地布置優(yōu)化方案，在滿足功能要求的前提下，大幅減小了場(chǎng)區(qū)占地面積和輔材耗量，縮減了濾波器投運(yùn)成本。文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［5］分析了交流濾波器各類故障機(jī)理，對(duì)典型交流濾波器保護(hù)原理及方案進(jìn)行了闡述。文獻(xiàn)［6］總結(jié)介紹了多個(gè)直流工程中交流濾波器保護(hù)的配置和功能，概述國內(nèi)交流濾波器保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展過程。文獻(xiàn)［7］介紹了膠東換流站交流濾波場(chǎng)保護(hù)配置情況。然而，隨著直流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，我國特高壓直流輸電工程已由單層接入模式發(fā)展為分層接入模式，交流濾波器保護(hù)系統(tǒng)也已由大組、小組保護(hù)分屏獨(dú)立配置逐漸完善為集中化配置，目前對(duì)新模式下交流濾波器保護(hù)配置及調(diào)試方法的研究較少。

±800 kV沂南換流站是我國首批在電網(wǎng)側(cè)采用分層接入模式的換流站工程，其500 kV和1 000 kV交流側(cè)均配有交流濾波器。以沂南換流站為依托，從驗(yàn)收人員的角度詳細(xì)介紹分層接入模式下交流濾波器保護(hù)配置情況，并對(duì)濾波器保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)檢修及新工程驗(yàn)收提供指導(dǎo)。

1 交流濾波場(chǎng)概況

沂南換流站500 kV交流濾波器場(chǎng)共配置3個(gè)大組，每大組包括5個(gè)分支；1 000 kV交流濾波器場(chǎng)共配置2個(gè)大組，每大組包括6個(gè)分支。站內(nèi)所有大組交流濾波器均以連線方式接入相應(yīng)電壓等級(jí)的3／2接線串內(nèi)。交流濾波場(chǎng)占地區(qū)域按矩形設(shè)計(jì)，其中，500 kV濾波場(chǎng)接線方式采用非標(biāo)準(zhǔn)“田”字型布局，1 000 kV 濾波場(chǎng)則采用“L”型布局［3］，標(biāo)準(zhǔn)“田”字型布局與“L”型布局分別如圖1與圖2所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)“田”字型布局

圖2 “L”型布局

全站交流濾波器總計(jì)26組（500 kV側(cè)有1分支為調(diào)相機(jī)），包括 HP12／24、HP3、SC 3 種型號(hào)。 其中HP12／24 型用于濾除 11、13、23、25 次特征諧波，HP3型用于濾除3次非特征諧波，SC型則用于補(bǔ)償無功［8-9］。不同型號(hào)濾波器數(shù)量配置如表1所示，典型交流濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 交流濾波器配置

圖3 典型交流濾波器結(jié)構(gòu)

沂南換流站交流濾波器保護(hù)采用集中式保護(hù)裝置，即將大組母線保護(hù)和該母線上所有小組濾波器保護(hù)集成在一臺(tái)裝置中［10］。與膠東換流站母線保護(hù)及各小組保護(hù)單獨(dú)組屏的方式相比，減少了屏柜及電纜成本，集成度更高，占地面積更小，更有利于后續(xù)運(yùn)檢工作的開展。

2 模擬量采集與通流通壓試驗(yàn)

沂南換流站內(nèi)500 kV交流濾波場(chǎng)以常規(guī)電流互感器（以下簡稱常規(guī)TA）為主，電容器C1不平衡支路除外；1 000 kV交流濾波場(chǎng)則以光電流互感器（以下簡稱光TA）為主，電阻、電抗及交流串內(nèi)TA除外。集中式保護(hù)裝置電流采集過程如圖4所示。

集中式保護(hù)裝置以合并單元作為前置，解決了TA數(shù)量眾多且常規(guī)TA與光TA共同參與保護(hù)的問題。電流采集時(shí)，同一大組內(nèi)的TA首先將電流信息送至對(duì)應(yīng)合并單元，各合并單元集中處理后，通過光纖將電流信息匯總至保護(hù)裝置處，由其完成邏輯判斷和出口。

圖4 電流采集路徑

交流濾波器保護(hù)實(shí)現(xiàn)過程中，500 kV側(cè)的光TA僅用于電容器不平衡保護(hù)，不存在光TA之間或光TA與常規(guī)TA之間的配合問題。1 000 kV側(cè)存在光TA之間或光TA與常規(guī)TA之間的配合問題，如小組差動(dòng)中存在光TA之間的配合，大組母線差動(dòng)中還涉及小組首端光TA與串內(nèi)常規(guī)TA之間的配合。光TA與常規(guī)TA因原理不同，二者在配合使用時(shí)存在諸多問題，如因傳輸介質(zhì)不同造成數(shù)據(jù)不同步，數(shù)據(jù)處理機(jī)制不同等問題，所以在校驗(yàn)小差、大差保護(hù)時(shí)，普通的測(cè)試儀已無法實(shí)現(xiàn)。

為了準(zhǔn)確地對(duì)1 000 kV側(cè)進(jìn)行差流校驗(yàn)，針對(duì)光TA與常規(guī)TA之間的配合問題，驗(yàn)收中采用直接在一次系統(tǒng)注流的方法，校驗(yàn)光TA與常規(guī)TA之間的差動(dòng)配合，如圖5所示。

圖5 一次注流試驗(yàn)示意

首先調(diào)整一次系統(tǒng)方式，交流濾波器場(chǎng)內(nèi)合上支路1斷路器Q1，其余小組開關(guān)均保持分位；交流場(chǎng)內(nèi)，合上中斷路器Q2，合上斷路器Q21號(hào)母線側(cè)接地開關(guān)，串內(nèi)兩邊斷路器保持分位。利用大電流發(fā)生器在注流點(diǎn)處注入工頻大電流，模擬實(shí)際運(yùn)行，此時(shí)小組光TA（TA1）以及串內(nèi)常規(guī) TA（TA2）同時(shí)感應(yīng)出二次電流，分別通過光纖和電纜接入集中式保護(hù)裝置，從而可對(duì)大組差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行差流校驗(yàn)。

一次注流試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際運(yùn)行情況，若在此試驗(yàn)環(huán)境下發(fā)現(xiàn)差流異常，則可確定問題是由傳輸介質(zhì)或保護(hù)裝置算法導(dǎo)致，此時(shí)可通過軟件補(bǔ)償消除。在完成TA1與TA2之間的差流校驗(yàn)后，TA1和TA3之間的校驗(yàn)可轉(zhuǎn)化為TA2與TA3兩個(gè)常規(guī)電流互感器之間的校驗(yàn)，此時(shí)則可采用普通的繼電保護(hù)測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于小組差動(dòng)保護(hù)中光TA之間的差流校驗(yàn)，可采取2種措施，一是采用上述一次注流方法；二是利用可加光量的試驗(yàn)儀，同時(shí)為多路光TA回路加電流量，以此測(cè)試光TA之間的差動(dòng)配合，試驗(yàn)原理如圖6所示。

圖6 利用光量試驗(yàn)儀加量

3 小組濾波器保護(hù)及調(diào)試方法

以HP3型交流濾波器為例，對(duì)小組保護(hù)中的差動(dòng)保護(hù)、電容器不平衡保護(hù)、電阻電抗熱過負(fù)荷保護(hù)調(diào)試要點(diǎn)進(jìn)行分析。典型保護(hù)配置及TA取用情況如圖7所示。

3.1 差動(dòng)保護(hù)

差動(dòng)保護(hù)是濾波器支路的主保護(hù)，采首端TA、尾端TA和避雷器TA進(jìn)行差動(dòng)計(jì)算［4］。TA極性應(yīng)滿足差動(dòng)計(jì)算需要，上述3組TA安裝時(shí)，其P1極性端均設(shè)置在遠(yuǎn)離濾波器的一側(cè)，二次繞組取用時(shí)均抽取S1端。

3.1.1 穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)保護(hù)

不同元件的比率差動(dòng)保護(hù)（如線路、母線、變壓器），其制動(dòng)電流的選取不一。小組濾波器差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流取尾端電流與避雷器電流之和，在小組差動(dòng)保護(hù)范圍外部故障時(shí)制動(dòng)電流較大，可避免誤動(dòng)；內(nèi)部故障時(shí)，尾端流過較小電流，制動(dòng)電流減小，保證可靠動(dòng)作。

圖7 HP3型交流濾波器保護(hù)配置

穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)保護(hù)分為低值比率差動(dòng)段和高值比率差動(dòng)段。保護(hù)邏輯調(diào)試時(shí)，對(duì)低定值區(qū)和高定值區(qū)分別取點(diǎn)校驗(yàn)，通過試驗(yàn)接線將保護(hù)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)以開入量的形式開入測(cè)試儀，測(cè)量接線原理如圖8所示。通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以保護(hù)動(dòng)作時(shí)間特性為參照，在低定值區(qū)和高定值區(qū)分界處，兩區(qū)差動(dòng)跳閘時(shí)間相近；由分界線向下遠(yuǎn)離高定值區(qū)，動(dòng)作時(shí)間增加；由分界線向上遠(yuǎn)離低定值區(qū)，動(dòng)作時(shí)間縮短，穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間特性如圖9所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)保護(hù)試驗(yàn)原理

圖9 穩(wěn)態(tài)比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間特性

3.1.2 差動(dòng)速斷保護(hù)

速斷動(dòng)作方程為

式中：I1，I2，I3分別為首端電流、尾端電流與避雷器電流；Isd為速斷定值；Ie為濾波器額定電流。

驗(yàn)收人員在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，除裝置說明書所列的動(dòng)作條件外，差動(dòng)速斷保護(hù)還存在隱性條件限制為

即尾端和避雷器電流均小于廠家隱性設(shè)定值Iset，且不同型號(hào)的濾波器該定值不同。校驗(yàn)時(shí)對(duì)式（1）與式 （2）做如下驗(yàn)證：

1）用保護(hù)測(cè)試儀分別加電流I2，I3，任一電流大于Isd，則差動(dòng)速斷被閉鎖；

2）用保護(hù)測(cè)試儀同時(shí)加首端電流I1和尾端電流I2，滿足｜I1+I2｜＞Isd，且 I2＞Iset，則差動(dòng)速斷被閉鎖；

3）用保護(hù)測(cè)試儀同時(shí)加首端電流I1和避雷器電流 I3，滿足｜I1+I3｜＞Isd，且 I3＞Iset，則差動(dòng)速斷被閉鎖。

根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果推斷，式（2）限制條件是由于小差保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)其尾端TA或避雷器TA將流過較小電流，若I2或I3過大則認(rèn)為有異常（如首端TA斷線），且速斷保護(hù)無比率制動(dòng)等限制條件，所以在式（1）基礎(chǔ)上，增加式（2）隱性條件，當(dāng)不滿足時(shí)，則閉鎖差動(dòng)速斷保護(hù)。

同樣，在校驗(yàn)零序差動(dòng)保護(hù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，零序差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件除大于門檻值外，還應(yīng)滿足尾端零序電流大于首端零序電流這一隱性條件。

3.2 電容器不平衡保護(hù)

電容器組采用典型“H”橋接線方式，如圖10所示。

正常情況下中間橋線無電流，但當(dāng)某一組電容器發(fā)生故障導(dǎo)致兩臂不平衡時(shí)，橋線上則會(huì)流過不平衡電流［11-13］。一般情況下此電流為mA級(jí)，為保證采樣精度，沂南站所有高端電容器組C1的不平衡TA均采用了光TA，HP3型交流濾波器低端電容器組C2的不平衡TA仍使用常規(guī)TA。

圖10 電容器組“H”橋接線方式

電容器不平衡保護(hù)包括穩(wěn)態(tài)不平衡保護(hù)和暫態(tài)不平衡保護(hù)。以穩(wěn)態(tài)不平衡保護(hù)為例，其動(dòng)作方程為

式中：Iub為不平衡電流；Itro為電容器組的穿越電流；Iubqd為啟動(dòng)定值；Kubzd為不平衡保護(hù)定值。上述穿越電流是指流過電容器組的電流，對(duì)高端電容器C1而言，其穿越電流取尾端電流；對(duì)低端電容器C2而言，其穿越電流由尾端電流與電阻支路電流相減而來。

調(diào)試中，在校驗(yàn)低端電容器C2不平衡保護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)穿越電流采樣錯(cuò)誤，檢查發(fā)現(xiàn)是由于TA極性錯(cuò)誤導(dǎo)致。尾端電流與電阻支路電流的減法計(jì)算是在程序內(nèi)部完成的，故要求電阻支路TA極性與尾端TA極性必須一致，但在前期設(shè)計(jì)及接線階段，設(shè)計(jì)人員或接線人員由于不了解保護(hù)裝置邏輯，就有可能出現(xiàn)TA極性設(shè)計(jì)或取用錯(cuò)誤的情況，故涉及相關(guān)工作時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢查。

3.3 電阻和電抗熱過負(fù)荷保護(hù)

熱過負(fù)荷保護(hù)用于監(jiān)視電抗和電阻支路的過載情況，其動(dòng)作曲線遵循反時(shí)限特性

式中：T為動(dòng)作時(shí)間；τ為熱過負(fù)荷時(shí)間常數(shù)；IB為基準(zhǔn)電流；k為過載倍數(shù)；I為計(jì)及諧波和集膚效應(yīng)系數(shù)的全電流有效值。反時(shí)限特性校驗(yàn)時(shí)可采用描點(diǎn)法，對(duì)報(bào)警曲線和跳閘曲線分別校驗(yàn)。取τ=60 s，IB=100 A，k=1.2進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖11所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本符合反時(shí)限特性。

圖11 熱過負(fù)荷跳閘實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)密切關(guān)注電阻或電抗熱過負(fù)荷累計(jì)百分比的變化，該值達(dá)到100%時(shí)保護(hù)動(dòng)作于報(bào)警或跳閘，且只有在熱過負(fù)荷累計(jì)百分比降至0（即完全散熱）后，才能再次測(cè)點(diǎn)，否則會(huì)有累計(jì)熱負(fù)荷，影響時(shí)間測(cè)量精度。另外，校驗(yàn)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢查集膚效應(yīng)系數(shù)配置是否正確，避免因系數(shù)錯(cuò)誤引起保護(hù)誤動(dòng)。

4 結(jié)語

±800 kV沂南換流站在電網(wǎng)側(cè)采用了分層接入模式，這是我國首批實(shí)踐工程。結(jié)合實(shí)際，對(duì)交流濾波場(chǎng)概況、保護(hù)配置和單體調(diào)試方法進(jìn)行分析和總結(jié)，對(duì)后續(xù)驗(yàn)收和檢修工作具有一定指導(dǎo)意義。

常規(guī)TA與光TA同時(shí)參與保護(hù)時(shí)，通過直接在一次系統(tǒng)做注流試驗(yàn)的方法可校驗(yàn)常規(guī)TA與光TA之間的配合；通過利用光量測(cè)試儀可校驗(yàn)光TA之間的配合。

濾波器小組保護(hù)中，部分支路的電流由其他支路TA值計(jì)算而來，故相關(guān)支路TA極性應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)。

單體邏輯校驗(yàn)時(shí)，應(yīng)綜合模擬各種情況，深入挖掘保護(hù)中的隱性條件，如本文所用集中式保護(hù)裝置要求小組差動(dòng)速斷保護(hù)中接地支路電流（尾端電流及避雷器電流）小于隱性限定值等。