±800 kV直流輸電交流濾波器過流保護

周源，陳國峰，高暉

(中國南方電網超高壓輸電公司，昆明 650217)

1 前言

特高壓直流輸電系統輸電容量大，換流裝置多，在換流時產生大量的諧波。諧波會引起電氣應力的增加、發熱、控制保護的誤動作、干擾通信系統等危害，必須予以抑制。通常采用裝設交流濾波器的方法來消除交流側的諧波，交流濾波器還可以起到調控電壓和無功的作用。某±800 kV換流站輸送容量達5000 MW，輸送距離1373 km，采用雙十二脈動閥組串聯的接線方式，但是孤島運行方式下單極閉鎖會導致A、B型濾波器過流保護異常動作，須深入分析研究，采取措施避免該保護誤動作。

2 系統配置

2.1 交流濾波器的配置

±800 kV換流站的換流器的脈動數為十二，交流側產生的諧波次數為12k±1(k為正整數)，且特征諧波次數越高，其有效值越小。為此裝設了4個大組交流濾波器，共17小組，每個小組均提供額定無功187 Mvar，總共可提供的無功功率為3179 Mvar，有四種類型:A:DT(11/24)、B:DT(13/36)、C:HP3、D:Shunt C。接線如圖1所示。

圖1 換流站交流濾波器配置圖

2.2 交流濾波器過流保護

交流濾波器過流保護主要保護濾波器組或并聯電容器組，防止過電流的損壞，固定采用濾波器高壓端電流。其電流定值可整定為交流濾波器做大可能通過電流的均方根的1.2倍，延時應該考慮濾波器的熱穩定因素，同時需要考慮躲開交流線路故障及恢復的最長時間。對于楚穗直流和普僑直流，還應考慮孤島運行方式下單極閉鎖時短時過壓及頻率升高的情況下不會誤動。該保護在濾波器首端電流互感器的采樣電流達到保護動作定值的0.95倍時啟動，開放保護正電源，達到保護定值后，經動作延時出口，跳開相應小組濾波器。

2.3 直流孤島運行方式

楚穗直流正常運行有聯網和孤島兩種運行方式。以下三種情況下將采用孤島運行方式:一是當汛末云南面臨全面棄水或小灣水庫接近蓄滿后，小灣電廠出力不再受流域優化限制時;二是當云南外送電力需求超過9600 MW時;三是當楚穗直流聯網運行，云南總外送功率大于8400 MW時 (直流輸送功率大于3800 MW，500 kV交流斷面按最大能力4050 MW滿送、另外魯布革電廠通過220 kV外送550 MW)，雙極閉鎖大功率潮流轉移將導致主網功角失穩時。由此可見，孤島運行對增大云南外送電量及增強主網穩定性方面有較大優勢，但是孤島運行方式下單極閉鎖時產生的瞬時過電壓 (交流場線電壓最高達到640 kV左右)及高頻率 (達到55 Hz左右)，對設備形成嚴峻考驗，極易造成設備損壞，甚至發生單極閉鎖演變成雙極閉鎖的嚴重事故。

3 實例分析

楚穗直流孤島調試進行極I單極保護出口閉鎖試驗過程中，試驗人員人工設置27DC直流低電壓保護使極I閉鎖，極I閉鎖后3.2 s，直流功率由閉鎖前約4905 MW快速降到3500 MW(極II三秒過負荷1.4 pu)，因直流功率大幅降低，換流器消耗無功功率相應大幅減少，導致楚雄換流站交流電壓快速升高至612 kV左右，直流站控過電壓限制控制邏輯啟動切交流濾波器小組 (交流母線電壓大于588 kV后延時1秒啟動，約160 ms切除一組ACF小組)，共切除4小組D型交流濾波器，楚雄站交流電壓在極I閉鎖后約1.72 s被控制在580 kV左右。

極I閉鎖后3.2 s，極2經過3 s的1.4倍過負荷后，極II輸送功率降為1.1倍過負荷，因有功功率再次大幅降低導致閥組消耗無功再次大幅減少，導致楚雄站500 kV交流母線電壓由582 kV左右快速升高至605 kV以上，從現場錄波TFR可見，此時直流站控過電壓限制控制邏輯再次啟動發出切交流濾波器小組命令，但因PSD故障而使交流濾波器小組未能切除，極II三秒過負荷結束后約2 s，楚雄站運行中的全部8小組A、B型交流濾波器因過流保護動作跳閘，從而使直流運行不滿足最小交流濾波器要求 (無A、B型濾波器)，導致極II因FASOFF動作最終閉鎖。從故障錄波波形上看，500 kV 563、564、571、572、581、582、594、595小組濾波器首端CT電流在故障時間內三相交替或同時大于保護定值272 A(二次值0.68 A)，且持續時間均達到動作時間2 s，滿足動作邏輯，保護動作正確。595小組濾波器保護的錄波如圖2所示，其余小組濾波器的錄波與此類似。

圖2 595小組濾波器保護錄波圖

圖中可看出，單極閉鎖后，交流場母線電壓最高達到640.2 kV，頻率最高達到55.2 Hz，交流濾波器首端電流上升到292 A(二次值為0.73 A)左右。

從此次保護動作行為上看，雖然另一極閉鎖原因是由于PSD裝置故障未發小組濾波器切除指令而導致A、B小組濾波器過流，但是單極閉鎖后電壓和頻率均會升高，對交流濾波器的影響必須加以考慮，即原來的定值0.68 A/2 s(A、B型)需要作出調整，以適應之后的孤島運行方式。

4 過流保護整定原理

4.1 穩態額定值計算原理

穩態額定值計算的原理如圖3所示。

圖3 交流濾波器定值計算原理圖

圖3中為等效的系統諧波源，為等效的換流器諧波源，、分別是等效的系統阻抗和濾波器阻抗。定值計算首先要考慮換流器諧波。斷開K1，閉合K2、K3，計算系統阻抗與濾波器阻抗發生并聯諧振時，換流器諧波在濾波器元件上引起的應力。斷開K2，閉合K1、K3，計算系統阻抗與濾波器阻抗發生串聯諧振時，系統諧波在濾波器元件上引起的應力。根據上述兩種諧波源影響下濾波器元件上所受到的應力，來確定濾波器元件定值參數。

4.2 穩態額定值計算

在性能計算得到滿足要求的交流濾波器配置和確定投切策略之后，進行穩態額定值計算，最終決定交流濾波器穩態額定值結果。性能計算和穩態額定值計算的流程圖如圖4所示。在穩態額定值計算之后，計算交流濾波器暫態額定值，以確定交流濾波器元件的最終定值。

按照上述方法，計算出的A型交流濾波器的電容器電壓電流值如表1。

圖4 性能計算和穩態額定值計算流程圖

直流交流濾波器接線方式及參數如圖5。

圖5 ±800 kV楚雄換流站交流濾波器接線及參數

表1 換流站A型電容穩態額定值計算結果 (均方根)

根據上述參數，在PSCAD軟件上進行仿真分析，正常運行時交流濾波器首端電流均在200 A(變比400/1，二次值為0.5 A)左右.孤島運行方式下單極閉鎖的情況，A、B型交流濾波器的首端電流都能在4 s內下降到272 A(二次值0.68 A)以下，C型交流濾波器能在2 s內降到320 A(二次值0.8 A)以下，D型交流濾波器能在2 s內降到316 A(二次值0.79 A)以下。同時，交流濾波器首端最大電流還應考慮各元件允許的最大運行電流。綜合上述各種因素，A、B型交流濾波器過流保護的電流定值設置為0.68 A是合適的，但是時間延時應由2 s改為4 s較為合適，C型與D型交流濾波器過流保護的定值分別為0.8 A/2 s、0.79 A/2 s。

針對換流站在孤島運行方式下出現的過壓和高頻的情況，應更改A、B型交流濾波器的過流保護定值，宜將過流保護延時由2 s改為4 s，確保一次設備在可承受的電壓電流條件下，不發生保護誤動。

5 結束語

通過交流濾波器穩態額定值計算原理和模型，計算出合適的過流保護定值，使楚雄換流站在孤島運行方式下，不會因電壓和頻率的升高而誤動，減少由單極閉鎖發展成雙極閉鎖的風險。

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