交流濾波器低壓側(cè)避雷器泄漏電流偏大分析

武垣成，楊 猛，王長(zhǎng)春

（上海市電力公司 檢修公司直流運(yùn)檢中心，上海 201708）

0 引言

采用電網(wǎng)換相的直流輸電換流站，無論是整流側(cè)還是逆變側(cè)，直流系統(tǒng)都要從交流系統(tǒng)吸收容性無功，即換流器對(duì)于交流系統(tǒng)而言，總是一種無功負(fù)荷。在正常情況下，整流裝置所需的無功功率約為直流功率的30%～50%，逆變裝置約為直流輸送功率的40%～60%，所以無功補(bǔ)償在直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行中占有重要的地位［1］。

楓涇站的濾波器有2類，共9組。1～5組為A型HP12／24交流濾波器，6～9組為B型不帶電抗器（SC）的電容器組。交流濾波器不僅能夠提高無功功率，而且能夠?yàn)V除換流器所產(chǎn)生的諧波，減少對(duì)系統(tǒng)的干擾。在額定運(yùn)行情況下，兩類無功補(bǔ)償電容器提供的額定無功功率均為202 Mvar。交流濾波器的投入和切除順序?yàn)橄華型后B型。

根據(jù)楓涇換流站技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，與交流系統(tǒng)無功交換的設(shè)計(jì)值和實(shí)際值之間的偏差不得超過±131 Mvar。在直流總輸送功率從最小值至2 h過負(fù)荷功率水平之間的任何直流功率水平上，兩個(gè)換流站與交流系統(tǒng)的無功功率交換設(shè)計(jì)值為零。在直流負(fù)荷從最小值變到2 h過負(fù)荷的過程中，或從2 h過負(fù)荷變到最小值的過程中，任何電容器組或?yàn)V波器組或電抗器組最多只能投入和切除一次。

1 投切濾波器的級(jí)別與原則

楓涇換流站投切濾波器的級(jí)別為：

1）絕對(duì)最小濾波器容量限制（Abs Min Filer） 為了防止濾波設(shè)備過負(fù)荷所需投入的絕對(duì)最小濾波器組數(shù)。任何情況下，該條件必須滿足。

2）最高／最低電壓限制（Umax） 監(jiān)視交流母線的穩(wěn)態(tài)電壓，避免穩(wěn)態(tài)過電壓引起保護(hù)動(dòng)作。

3）最大無功交換限制（Qmax） 根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀況，限制投入濾波器組的數(shù)量，限制穩(wěn)態(tài)過電壓。

4）最小濾波器容量要求（Min Filter） 為了滿足濾除諧波的要求，需要投入的最小濾波器組。

5）無功交換控制／電壓控制（Qcontrol／Ucontrol） 控制換流站和交流系統(tǒng)的無功交換量為設(shè)定的參考值／控制換流站交流母線電壓為設(shè)定的參考值。楓涇換流站作為逆變站，由運(yùn)檢人員選擇當(dāng)前運(yùn)行在Qcontrol狀態(tài)，并在正常運(yùn)行中此條件必須滿足。

為了防止濾波器組的頻繁投切，應(yīng)該采用滯回特性，設(shè)置的滯回窗口的上下限幅值，大于最大無功設(shè)備組容量的一半。

換流站與交流系統(tǒng)的無功交換，可由以下算式［2］得到：

式中：Qexc為換流站與交流電網(wǎng)的無功交換；Qfilt為交流濾波器或并聯(lián)電容器組產(chǎn)生的無功功率；Uac為實(shí)際交流母線電壓；UacN為無功設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)考慮的交流母線正常電壓；QfiltN為無功設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)可以提供的無功功率；Qconv為換流器損耗的無功功率；Id為直流電流；Udi0為每一組6脈動(dòng)換流器的空載直流電壓；α為觸發(fā)角；u為換相重疊角。

如果無功功率交換超過下列限制值，那么Qcontrol會(huì)發(fā)出命令，投入或切出一個(gè)濾波器或并聯(lián)電容器組。

式中：Q為換流站與交流系統(tǒng)的無功交換量；Qref為運(yùn)行人員設(shè)置的一個(gè)參考值。

楓涇換流站與交流系統(tǒng)無功交換量的死區(qū)為131 MVar，交流濾波器投切順序?yàn)橄韧禜P12／24型號(hào)再投SC型號(hào)。在現(xiàn)在無功控制策略下，楓涇站逆變、雙極全壓模式運(yùn)行時(shí)，最小濾波器和絕對(duì)最小濾波器投切時(shí)需要滿足表1要求。

表1 最小和絕對(duì)最小濾波器投切

2 避雷器泄漏電流偏大分析

2.1 泄漏電流超標(biāo)

4月27日，直流雙極負(fù)荷300 MW，由于交流母線電壓偏高，調(diào)度要求只投一組交流濾波器（之前系統(tǒng)無功控制方式為自動(dòng)時(shí)，按滿足最小濾波器控制要求系統(tǒng)投入2組交流濾波器）。運(yùn)行人員在現(xiàn)場(chǎng)巡視中發(fā)現(xiàn)，按照無功控制策略在手動(dòng)模式下，并聯(lián)于電抗器兩端的Y10W1-23／55W型交流濾波器（5632）低壓側(cè)避雷器A3泄漏電流偏大，高達(dá)8.4～9.3 m A，正常泄漏電流值應(yīng)該低于5 m A，超過5 m A就有可能造成閥片熱崩潰而爆炸。

檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)三相電流較大，5632交流濾波器其他部件運(yùn)行正常，無明顯放電發(fā)熱現(xiàn)象。檢查保護(hù)裝置的采樣值正確，故障錄波也正常。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行紅外測(cè)溫，設(shè)備運(yùn)行正常，避雷器表面為22℃，環(huán)境溫度為20℃，均無明顯發(fā)熱點(diǎn)。分析原因認(rèn)為這是由于交流濾波器（5632）中流過大量諧波分量過負(fù)荷引起，導(dǎo)致低壓側(cè)電感元件兩端電壓偏高，達(dá)到避雷器動(dòng)作門檻電壓值，使避雷器出現(xiàn)泄漏電流大幅增加的緣故，屬于輕度諧波過負(fù)荷現(xiàn)象。

在電力系統(tǒng)中，發(fā)生避雷器泄漏電流增大或內(nèi)部閃絡(luò)的事故較多，嚴(yán)重時(shí)避雷器會(huì)發(fā)生爆炸，所以一旦發(fā)現(xiàn)避雷器泄漏電流增大，應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視。當(dāng)泄漏電流讀數(shù)為投運(yùn)初始值的120%時(shí)，必須作為緊急缺陷立刻上報(bào)，必要時(shí)要采取隔離避雷器的應(yīng)急措施［3］。

2.2 泄漏電流偏大原因分析

在當(dāng)天雙極負(fù)荷300 MW工況下，1組交流濾波器僅能滿足絕對(duì)最小濾波器要求，無法滿足最小濾波器要求（投1組交流濾波器主要為滿足交流母線電壓要求），初步推測(cè)1組交流濾波器可能有輕度的諧波過負(fù)荷現(xiàn)象，導(dǎo)致低壓側(cè)電感元件兩端電壓較高，達(dá)到避雷器動(dòng)作門檻電壓值，使避雷器出現(xiàn)泄漏電流大幅增加的現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步找出泄漏電流偏大的原因，申請(qǐng)輪換交流濾波器。在投入5622交流濾波器，操作到5622與5632共同運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩組避雷器的泄露電流均在3.5～4.0 m A之間，小于廠家規(guī)定的最小額定電流值。繼續(xù)操作，拉開5632交流濾波器開關(guān)后，發(fā)現(xiàn)5622濾波器的該型避雷器電流也增加至9 m A左右，隨后又進(jìn)行了3次濾波器輪換操作，現(xiàn)象與之一致。

因此，懷疑異常原因在于1組交流濾波器可能有輕度的諧波過負(fù)荷現(xiàn)象。而在其他運(yùn)行條件下，也曾發(fā)生過泄漏電流偏大的案例。

楓涇換流站在無功自動(dòng)方式下運(yùn)行時(shí)，測(cè)得交流濾波器低壓側(cè)避雷器的泄漏電流值，如表2所示。

表2 交流濾波器低壓側(cè)避雷器實(shí)際運(yùn)行時(shí)泄漏電流

2.3 臨時(shí)應(yīng)急措施

針對(duì)交流濾波器低壓側(cè)避雷器A3泄漏電流在某些功率下發(fā)生泄漏電流偏大、對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅的現(xiàn)狀，短期可以將無功控制暫時(shí)改為手動(dòng)運(yùn)行方式，采用提前投1組交流濾波器的方法來限制泄漏電流在合理范圍內(nèi)。采取以下策略，換流站與系統(tǒng)無功交換時(shí)不會(huì)超過設(shè)計(jì)要求（0，300 Mvar），同時(shí)，交流濾波器低壓側(cè)避雷器泄漏電流可以降低到可以接受的水平。

1）單極大地回線運(yùn)行時(shí) 當(dāng)直流輸送功率達(dá)到850 MW時(shí)，投入第三組濾波器。直流輸送功率達(dá)到1.25 GW時(shí)，投入第四組濾波器。

2）雙極全壓運(yùn)行時(shí) 當(dāng)直流輸送功率達(dá)到1 GW時(shí)，投入第三組濾波器；直流輸送功率達(dá)到1.4 GW時(shí)，投入第四組濾波器。

2.4 手動(dòng)投切方式存在弊端

為避免避雷器發(fā)生異常，運(yùn)行人員采取手動(dòng)增加一組交流濾波器，使泄露電流降至5 m A以內(nèi)。楓涇換流站在無功手動(dòng)方式下運(yùn)行時(shí)，測(cè)得交流母線電壓，如表3所示。

表3 手動(dòng)投入濾波器后交流母線電壓

由于提前增加一組濾波器，引起與系統(tǒng)交換無功過大，造成母線電壓較高。國(guó)調(diào)與華東網(wǎng)調(diào)對(duì)交流母線電壓均有嚴(yán)格要求，特別是華東地區(qū)對(duì)于電壓合格率有較高要求，楓涇換流站采用手動(dòng)提前投一組交流濾波器的方法雖能使避雷器泄漏電流限制在5 m A以內(nèi)，但是由于無功交換增大，使得在某些功率運(yùn)行條件下不能滿足電壓考核要求。

另外，無功控制模式處于手動(dòng)狀態(tài)，按調(diào)度曲線升降功率時(shí)，必須將無功控制模式先改為自動(dòng)，使濾波器按照程序設(shè)定自行投切后，如果A3避雷器泄漏電流沒有超標(biāo)則保持無功模式自動(dòng)狀態(tài)，如果泄露電流超標(biāo)則將無功控制模式改為手動(dòng)，然后手動(dòng)投入交流濾波器，嚴(yán)重地影響了運(yùn)行工作。所以，目前手動(dòng)投切方式僅為應(yīng)急手段，不能滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行需要，對(duì)于系統(tǒng)無功交換，電壓合格率以及運(yùn)行管理存在影響。

3 結(jié)語

電力系統(tǒng)中避雷器泄漏電流增大導(dǎo)致的事故較多，嚴(yán)重時(shí)避雷器會(huì)發(fā)生爆炸，提前投1組交流濾波器的方法來限制泄漏電流在合理范圍內(nèi)只是短期的做法，為了使設(shè)備能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行，建議相關(guān)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行更嚴(yán)密的計(jì)算和測(cè)量，及時(shí)更換滿足要求的避雷器使用，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

［1］ 王官潔，任震.高壓直流輸電技術(shù)［M］.重慶大學(xué)出版社，1997.

［2］ 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.中國(guó)電力出版社，2004.

［3］ 張全元.變電運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)問答［M］.中國(guó)電力出版社，2009.