基于特高壓換流站的交流濾波器典型故障分析

楊劍 王健偉 繆薇

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司 江蘇省南京市 210000 2.江都水利工程管理處 江蘇省揚州市 225200）

換流器在換流的過程中會在交流側和直流側產(chǎn)生諧波電壓和諧波電流，目前換流站大多采用12 脈動換流器，對于12 脈動的換流器而言，它在交流側將產(chǎn)生n=12k±1 次的特征諧波，在直流側產(chǎn)生n=12k 次特征諧波，如果諧波過大，將會造成發(fā)電機和電容過熱、使換流器的控制不穩(wěn)定，對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾、有時會引起電網(wǎng)中發(fā)生局部的諧振過電壓等后果。換流站配置交流濾波器有濾除交流側特定次諧波和向交流側電網(wǎng)、換流器提供所需無功功率兩個任務，其元件包括高低壓電容器、電抗器、電阻器、避雷器、電流互感器等。

本文以某換流站為背景，對自投運以來交流濾波器故障情況進行歸類匯總，從運行維護的角度出發(fā)進行分析，提出一些切實可行的預防措施，有助于在今后提高交流濾波器運行的安全性，進而提高直流輸電系統(tǒng)的可靠性，特別是迎峰度夏、迎峰度冬以及特殊保電期間，保證直流負荷傳輸不會有波動，保護電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

1 交流濾波器配置情況

按照直流輸電系統(tǒng)的無功需求以及在交流側產(chǎn)生的多次諧波的要求，某換流站共配置了兩大組共10 小組交流濾波器，其中6 組A 型交流濾波器，主要負責濾除12k±1 次諧波，每組小組交流濾波器容量為245Mvar；4 組B 型交流濾波器，主要負責向系統(tǒng)提供無功，進行無功補償，每組小組交流濾波器容量為210Mvar。

如圖1所示，交流濾波器通過將電阻、電容及電抗采用不同的串并聯(lián)方式進行組合，一般使用串多并少的接線方式組成不同類型的諧振回路，對對應頻次的諧波電流呈低阻抗特性，并將諧波電流引到大地，能夠起到濾除諧波的效果。同時由于電抗、電容的存在，電流經(jīng)過時能產(chǎn)生一定的無功，進而實現(xiàn)無功補償。

圖1：HP12/24 型交流濾波器主接線

在無功控制方式優(yōu)先級中，絕對最小濾波器是最先要滿足的，因為不同的直流功率有不同的無功需求，并且產(chǎn)生的諧波量也不盡相同，為滿足絕對最小濾波器要求，無功控制會根據(jù)不同的運行工況來對小組交流濾波器進行選擇性的投切，確保滿足直流系統(tǒng)無功需求并濾除多次諧波保證交流母線電壓的穩(wěn)定。當有多組小組濾波器故障，導致不能滿足無功需求，可能導致直流系統(tǒng)降功率運行，如果直流功率降低到最小運行功率，無功還不滿足要求，則會導致直流系統(tǒng)閉鎖，進而影響直流負荷的電力供應。

2 典型故障分析

某換流站交流濾波器場自投運以來，運行情況總體良好，交流濾波器的一次、二次設備引起故障跳閘達到15 次之多，多種故障原因，一次設備原因居多，下面將詳細對每一類故障進行分析。

2.1 電容器故障

如圖2所示，電容器是每一小組交流濾波器中數(shù)量最多的元件，電容器按照一定方式進行串、并聯(lián)組成電容器單元，當其中一個電容元件故障后，故障的電容器內(nèi)部熔絲熔斷，與正常設備隔離；當多個電容器故障時，通常會由保護切換故障。C1 電容器是交流濾波器的重要組成部分，比較容易發(fā)生電容元件故障。電容器的故障通常表現(xiàn)在內(nèi)部故障、外部漏油、瓷套破裂、電容器間絕緣降低等方面，故障由于電容器內(nèi)部故障引起的，結合生產(chǎn)廠家可以發(fā)現(xiàn)，電容器自身內(nèi)部故障主要是和生產(chǎn)工藝有很大關系，不同型號或同一型號不同批次的電容器，也存在很大的區(qū)別。

圖2：單個電容器單元內(nèi)部結構圖

2.2 端子質量不良

在交流濾波器跳閘故障中，由于端子接觸不良、松動造成保護出口使設備強迫停運事件也時常發(fā)生，約占10%。在對設備進行檢查時發(fā)現(xiàn)電流回路端子松動，接觸不好，造成CT 測量電流較小或為零，從而達到保護判據(jù)出口值，而又沒能在保護出口延時內(nèi)恢復從而導致直接出口；在此類故障中多體現(xiàn)在交流濾波器組高壓端CT 回路端子接觸不良，后來利用停電檢修的機會對交流濾波器保護涉及的CT 回路端子進行了更換，情況有所好轉。

2.3 電流互感器故障

換流站交流濾波器在涉及不平衡保護的時候主要使用的是光電流互感器，與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比，OCT 具有絕緣性能優(yōu)良、無暫態(tài)磁飽和問題、動態(tài)測量范圍大、頻率范圍寬、抗電磁干擾能力強、安全性能好、體積小且重量輕、易與數(shù)字設備接口等優(yōu)點，但在實際使用中，導致OCT 不平衡保護動作，交流濾波器跳閘的故障原因主要分為：鳥害、保偏光纖異常、光纖斷裂、光CT 合并單元故障及數(shù)據(jù)無效等原因。這些原因在其他使用OCT 的換流站交流濾波器小組中也都出現(xiàn)過。

2.4 鳥害

由于特高壓站換流站一般選址都比較偏，站周邊鳥類數(shù)量較多，當鳥類尤其是體型偏大的飛鳥進入交流濾波器場內(nèi)活動時，容易導致電容器接頭間、電容器塔層間絕緣不足，短路發(fā)生，從而導致交流濾波器不平衡保護動作。結合某特高壓站多年來交流濾波器跳閘事故進行分析，可以從數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)鳥害已經(jīng)成為交流濾波器跳閘的首要事故原因，鳥害影響著設備的安全穩(wěn)定運行，也可能導致無功控制方式中絕對最小濾波器條件的不滿足，從而導致降功率極端情況下可能導致直流閉鎖，損失直流負荷，導致電網(wǎng)振動。鳥害主要引起以下3 類放電情況：電容器層間短路、電容器出線套管間接短路、頂層電容器和頂層母線間短路.

2.5 二次設備故障

交流濾波器保護的作用是保護構成交流濾波器的電容器、電抗器和電阻器，對于典型的H 型電容器結構，通常是通過檢測中間點的電流而啟動電容器的不平衡保護，一次測量元件采集電流電壓值傳到控制保護系統(tǒng)中，保護系統(tǒng)再通過判據(jù)進行判斷出口并給出返回值。電子單元作為測量元件的采集裝置，經(jīng)常會發(fā)生自身的故障，導致數(shù)據(jù)采集出線偏差，從而導致保護的誤出口。在對多次交流濾波器跳閘事件進行分析發(fā)現(xiàn)二次設備故障主要包括保護程序跑死、保護板卡故障、測量板卡故障、主機死機等。

3 預防措施

（1）充分利用停電檢修工作，對全站所有電容器涉及的電流電壓回路的端子排、電容器瓷套接口、內(nèi)熔絲以及電容器外殼有無鼓包情況進行全面排查，遇有問題處理或者對問題電容器進行更換；

（2）電容器的電容值測試是判斷電容器能否合格的主要依據(jù)，換流站可將站內(nèi)電容器按不同作用進行分類，實行設備分類周期性管理，換流站可根據(jù)實際情況，優(yōu)化電容器預試周期，制定周期性滾動試驗計劃，及時發(fā)現(xiàn)更換不合格電容器。同時，利用OWS 工作站對 C1 電容器的不平衡電流進行監(jiān)視，結合保護定值進行核算，當不平衡電流已有增大趨勢并且即將達到動作值時，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況報計劃申請進行停電處理。另外，結合電容器紅外測溫，按照《帶電設備紅外診斷技術應用導則》中對電容器的要求，當發(fā)現(xiàn)電容器本體及接頭溫度異常時立即停電進行更換。

（3）平時通過對電流互感器運行以來的參數(shù)進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)參數(shù)不正常，及時匯報處理；建議結合停電檢修對光纖熔接情況、極性以及保護室內(nèi)的合并單元進行檢驗校準；定期檢測電流互感器的參數(shù)以及絕緣數(shù)值，若與出廠存在偏差及時修正或者申請停電進行更換。

（4）通過對多次鳥害故障的分析，可以發(fā)現(xiàn)鳥害主要是破壞原有絕緣，導致絕緣降低，從而造成不平衡保護的動作，從這一點出發(fā)，我們可以選用具有可靠絕緣防護效果、經(jīng)久耐用的防鳥罩來保證電容器套管間絕緣正常；在電容器塔接線排上加裝絕緣護套，銅絞線盡量做到不裸露；在電容器塔間加裝絕緣材料的擋板或者在電容器表面噴涂阻燃導熱絕緣涂料，可以從根本上解決絕緣遭到破壞的情況；此外，還可以裝設諸如超聲波驅鳥裝置、激光驅鳥裝置、反光風車驅鳥裝置、聲波驅鳥裝置及煤氣驅鳥炮等被動防御措施。

（5）可以及時進行程序升級及機箱升級，防止由于不兼容導致程序跑死、主機死機等問題的發(fā)生；可以在保護出口的時候增加一個自檢確認過程，即讓程序自己再次肯定自己的判定結果，隨后可繼續(xù)發(fā)出口命令從而響應一次設備根據(jù)設定邏輯動作。綜合利用后臺OWS 的光CT 實時參數(shù)表、一體化在線監(jiān)測等運行分析手段，對二次參數(shù)進行監(jiān)控；結合現(xiàn)場巡視及時發(fā)現(xiàn)電子單元、板卡故障，對于偶發(fā)的、瞬時復歸事件也要及時去現(xiàn)場查看，有問題及時處理，可以有效避免濾波器的跳閘故障。

4 結語

交流濾波器是換流站直流系統(tǒng)的重要組成部分，本文通過對投運以來的典型跳閘故障進行分析，并提出了預防措施，但在維護過程中還有如下問題需要解決：

（1）運行人員周期性會對濾波器進行紅外測溫，但由于電容塔較高，在紅外測溫的時候基本都是仰拍，就導致電容器上端的接頭存在測溫死角，對于輕微的內(nèi)部故障也不能通過測溫及后臺參數(shù)發(fā)現(xiàn)，可通過后期申報項目將現(xiàn)有電容器護套改進為具備紅外測溫觀察孔并可在斜下方測溫的類型，解決測溫死角的問題，在此之前就需要運行人員更加仔細的周期性關注才能查找到問題。

（2）濾波器場地開闊，鳥類繁多，對于大鳥，雙翅展開可以達到30+公分，而電容器塔層與層之間一般間隙只有35 公分，就存在空氣間隙太小，達到間隙放電的條件，可以通過增加電容器塔層間距離，來適當降低鳥害的發(fā)生概率，但此方法不能從理論上杜絕鳥害；現(xiàn)有驅鳥裝置不能做到無死角驅鳥，都是周期性的被動防御，所以更加高效的驅鳥裝置也是一個需要解決的問題。

（3）可以在運行人員工作站增加不平衡電流的告警值事件告警以及不平衡電流值的趨勢分析圖，以便不平衡保護在有增長趨勢但還沒有達到報警或跳閘值的時候就發(fā)現(xiàn)問題，并將該不平衡電流互感器作為重點關注；本著逢停必檢的原則，周期性的對光電流互感器等測量元件進行測參、修正等工作。