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摘要：本文介绍了换流站交流滤波器构成，研究了交流滤波器电抗器过负荷保护的原理，并针对发生的交流滤波器跳闸事故进行原因分析，最终提出了运维建议。文中交流的经验对换流站的运维具有一定参考价值。
关键词：高压直流；交流滤波器；过负荷
中图分类号：U223 文献标识码：A
0引言
高压直流输电系统采用电网换相实现交流—直流或直流—交流的变换，换流装置交流侧电压与电流的波形为非标准正弦波，换流器由于换相产生的谐波电流或谐波电压流入交流系统后，将使系统电压波形发生畸变，造成不良影响和危害。[1—4]为滤除直流系统的谐波电压和电流以避免对交、直流输电系统造成的危害，同时补偿直流系统消耗的无功功率，通常需要采取措施进行无功补偿及滤波。目前在高压直流输电工程中进行无功补偿和谐波抑制较常用的方法是采用无源滤波装置——交流滤波器，为确保交流滤波器的安全可靠运行，每组交流滤波器均配置冗余保护设备，其中电抗器过负荷保护是交流滤波器的重要保护之一，用以确保运行中交流滤波器电抗器发生损坏后，保护装置能够及时检测到故障并切除故障滤波器，保护系统稳定运行。
1换流站交流滤波器配置
换流站配置的交流滤波器有滤除换流器产生的谐波电流和向换流器提供无功两个任务。换流站配置的交流滤波器型号一般有：HP11/13型，HP24/36型，HP3型和SC型。各型号滤波器的结构、各个元件的参数不同，以达到滤除不同次数谐波的目的。
交流滤波器的基本原理是：通过电抗器、电容器和电阻器的组合，使某次谐波流经它时所呈现的阻抗很小，从而将谐波电流导出系统，达到滤除谐波的功能；同时电流流经电容器、电抗器时能够产生一定的无功功率，从而达到提供无功的功能。本文以HP24/36型交流滤波器为例对其工作原理进行介绍。HP24/36交流滤波器的原理图如图1所示：
图1：HP24/36交流滤波器的原理图
该滤波器为双调谐滤波器，有两个谐振频率，可以同时吸收两个邻近频率的谐波，回路对24、36次谐波呈现低阻抗特性，使24、36次谐波电流能流入大地；对基波呈现电容特性，用于提供无功补偿。与两个单调谐滤波器相比，它只有一个公共电感器L1承受全部冲击电压，并联电路中的电容器C2容量较小，基本上只通过谐波容量，电容C1对24、36次谐波起调谐作用，对基波起补偿无功作用。
2交流滤波器电抗谐波过负荷保护
在交流滤波器中，电抗器是一个非常重要的电气元件，它与电容器、电阻器共同组成滤波回路，滤除谐波电流。调谐电抗器的作用是限制滤波器在投切过程中产生的冲击电流。在交流滤波器保护中配置了电抗过负荷保护用于保护电抗器，保护装置内部将流过交流滤波器中的电抗器的电流根据系统设置的发热频率效应系数转换成为等效的工频热效应电流。保护取量图如图 2所示
图2：电抗器过负荷（过流）保护取量图
本保护电流为50次以内的总电流有效值：
保护通过各元件的功率损耗来计算与之相应的等效温度，从而确定各元件上的热应力。如果超过各元件的热额定值，保护动作，跳交流断路器，保护各元件免受热损坏。
电抗器的功率计算：
其中R随频率变化，随着频率的增长，电抗器的阻值存在集肤效应，由于保护装置采样频率和运算能力的限制，目前还无法精确计算出电抗器的功率损耗，但可以用近似的方法推算出这个值。
计算电抗器总的功率消耗公式为：
其中K为总的发热系数，为流经电抗器的总电流有效值。
定时限过负荷保护的动作方程及电抗器谐波过流保护基本原理：
其中为定值，K为发热系数，为电抗器的总电流有效值。电抗谐波过负荷逻辑如图3所示。
图3：电抗谐波过负荷保护逻辑框图
3案例分析
3.1 案例介绍
2011年04月30日20时23分，某换流站3614滤波器保护A电抗器L2过负荷保护动作，跳开3614开关，3614滤波器保护B未动作。监控后台OWS告警信息事件记录如表1所示：
表1：OWS告警信息事件记录
序号时间 事件记录
120:23:25:090 第一大组第四交组交流滤波器保护屏
AFP14A保护动作
220:23:25:828 第一大组第交流滤波器保护屏PBP1A
失灵动作
320:23:25:856WA-Z14-Q1/3614开关锁定
420:23:25:870WA-Z14-Q1/3614开关跳闸出口
520:23:25:871WA-Z14-Q1/3614开关合位消失
620:23:25:881WA-Z14-Q1/3614开关分位产生
现场检查3614交流滤波器保护屏A SDR-101A保护装置电抗器L2过负荷保护动作，3614开关操作箱A相跳闸Ⅰ、B相跳闸Ⅰ、C相跳闸Ⅰ红灯亮。如图4所示。
图4：3614开关Ⅰ线圈跳闸
3614交流滤波器保护屏A SDR-101A保护装置采样值，CPU1电抗器L2 Iarms值在0.09-0.58A之间波动，CPU2电抗器L2 Iarms（A相二次電流有效值）为56.274A，折算到一次电流为56274A，初步分析此值并非真实值，对装置CT二次回路进行检查，回路无异常，核对保护装置定值无误，表明保护装置采样环节存在异常。具体见表2、3。
表2：CPU2电抗L2采样值
序号 名称 量值
（A）
1电抗L2 Ia 0.000<126
2电抗L2 Ib 0.000<185
3电抗L2 Ic 0.000<140
4电抗L2 Iarms56.272
5电抗L2 Ibrms0.004
6电抗L2 Icrms0.004
表3：CPU1电抗L2采样值
序号名称量值
（A）
1电抗L2 Ia 0.000<038
2电抗L2 Ib 0.000<046
3电抗L2 Ic 0.000<140
4电抗L2 Iarms0.09-0.58
5电抗L2 Ibrms0.004
6电抗L2 Icrms0.004
现场重启保护装置，故障未消失。对3614交流滤波器保护屏A SDR-101A保护装置模拟转换插件进行更换，更换后调整了装置零漂，并对所有CT支路电流量进行采样测试，测试结果正常。查看3614交流滤波器保护屏A差动电流、电容器不平衡电流，结果正常，核对3614交流滤波器保护A保护装置定值正确。经观察CPU1、CPU2采样值正常，投入该交流滤波器后，观察CPU1、CPU2测量值正常。
3.2 事故原因分析
3.2.1 3614交流滤波器保护原理及采样原理
3614交流滤波器保护为双重化配置，两套保护均采用许继日立公司SDR-101A微机交流滤波器保护装置，保护配置及CT取量图如图5所示：
图5：3614保护配置及CT取量图
SDR-101A保护装置硬件结构如图6所示：
图6：SDR-101A保护装置硬件框图
SDR-101A保护装置共有两块完全独立、相同的CPU板卡，分别为CPU1 和CPU2，其中CPU1为动作CPU，CPU2为启动CPU。保护装置出口跳闸采用“启动＋保护动作”的方式。由于保护采样为每个周波48个采样点，针对含有高次谐波的电气量保护装置无法通过软件计算出有效值，只能通过专用的芯片计算出有效值。通过硬件框图可以看出，模拟转换插件至两块CPU插件为两条独立的通道，但是设计在同一个模拟转换板内，如图7所示，左侧通道为动作CPU1采集通道，右侧通道为启动CPU2采集通道。
图7:模拟转换插件
3.2.2 3614交流滤波器保护A动作分析
查看保护动作报告，动作元件为电抗器L2谐波过负荷3段动作，动作相为A相，动作电流有效值为0.513A。3614交流滤波器电抗器L2谐波过负荷动作策略[5]如表1所示。
表4 ：HP24/36滤波器不平衡保护动作策略表
序号故障级别动作后果电流定值延时定值
（mA） （s）
1 过负荷1段报警 0.41520
2 过负荷2段延时跳闸 0.421540
3 过负荷3段立即跳闸 0.44525
分析故障录波器录波图，发现保护动作前电抗器L2支路电流及其它各支路电流波形均正常，无故障分量。故障录波图如图8所示：
图8：故障录波图
根据录波图和保护动作情况分析，一次设备无异常，3614交流滤波器保护A测量故障是导致保护动作跳闸的原因。保护装置CPU1电抗器L2 Iarms为0.099A，而CPU2电抗器L2 Iarms为56.274A。保护装置CPU1/CPU2电抗器L2 电流有效值是根据电抗器L2支路CT采样值计算均方根而得，此时3614交流滤波器已停运，已无电流流过此CT。根据此现象分析3614交流滤波器保护A模拟量采样存在异常。
为确定采样环节中具体的故障点，对装置进行以下检查处理：
1）对保护装置的L2电抗器CT回路进行注流试验，检查保护装置人机界面上显示的采样值和计算值。
2）重启保护装置，检查异常未消失，证明3614交流滤波器保护A装置的模拟转化插件可能故障，现场更换了新的模拟转换插件。
3）更换模拟转换插件后异常消失，证明故障点在模拟转换插件上，再将旧模拟转换插件重新更换回去，异常再次出现，确定为模拟转换插件故障导致测量异常。
4）现场更换模拟转换插件后，对各通道的零漂进行调整和1A运行环境下的系数进行调整后故障消除。
4结论及建议
通过上述检查处理过程可得到以下结论：此次保护动作为3614交流滤波器保护A模拟转换插件上L2电抗器A相电流采集、计算双通道异常导致。针对该异常提出以下建议：
1）建议改进装置，将保护启动元件和动作元件完全隔离，目前两个元件的模拟转换设备设计在同一块板卡上，存在单板卡故障导致保护误出口隐患，改良后将防止装置误动作，保障交流滤波器的稳定运行。
2）运维单位定期对保护装置的采样值进行分析，制定相应反措，及时发现异常采样值。
参考文献
[1] 刘振亚．特高压直流输电技术研究成果专辑[M]．北京：中国电力出版社，2006.
[2] 赵婉君．高压直流输电工程技术[M]：中国电力出版社，2009.
[3] 国网运行有限公司．互感器、滤波器及避雷器设备[M]．北京：中国电力出版社，2009.
[4] 中国南方电网有限责任公司．高压直流输电基础[M]．北京：中国电力出版社，2010.
[5] 北京网联直流工程技術有限公司．宁东—山东±660kV直流输电工程技术协议—交流滤波器定值研究[R]．北京：北京网联直流工程技术有限公司，2009．
关键词：高压直流；交流滤波器；过负荷
中图分类号：U223 文献标识码：A
0引言
高压直流输电系统采用电网换相实现交流—直流或直流—交流的变换，换流装置交流侧电压与电流的波形为非标准正弦波，换流器由于换相产生的谐波电流或谐波电压流入交流系统后，将使系统电压波形发生畸变，造成不良影响和危害。[1—4]为滤除直流系统的谐波电压和电流以避免对交、直流输电系统造成的危害，同时补偿直流系统消耗的无功功率，通常需要采取措施进行无功补偿及滤波。目前在高压直流输电工程中进行无功补偿和谐波抑制较常用的方法是采用无源滤波装置——交流滤波器，为确保交流滤波器的安全可靠运行，每组交流滤波器均配置冗余保护设备，其中电抗器过负荷保护是交流滤波器的重要保护之一，用以确保运行中交流滤波器电抗器发生损坏后，保护装置能够及时检测到故障并切除故障滤波器，保护系统稳定运行。
1换流站交流滤波器配置
换流站配置的交流滤波器有滤除换流器产生的谐波电流和向换流器提供无功两个任务。换流站配置的交流滤波器型号一般有：HP11/13型，HP24/36型，HP3型和SC型。各型号滤波器的结构、各个元件的参数不同，以达到滤除不同次数谐波的目的。
交流滤波器的基本原理是：通过电抗器、电容器和电阻器的组合，使某次谐波流经它时所呈现的阻抗很小，从而将谐波电流导出系统，达到滤除谐波的功能；同时电流流经电容器、电抗器时能够产生一定的无功功率，从而达到提供无功的功能。本文以HP24/36型交流滤波器为例对其工作原理进行介绍。HP24/36交流滤波器的原理图如图1所示：
图1：HP24/36交流滤波器的原理图
该滤波器为双调谐滤波器，有两个谐振频率，可以同时吸收两个邻近频率的谐波，回路对24、36次谐波呈现低阻抗特性，使24、36次谐波电流能流入大地；对基波呈现电容特性，用于提供无功补偿。与两个单调谐滤波器相比，它只有一个公共电感器L1承受全部冲击电压，并联电路中的电容器C2容量较小，基本上只通过谐波容量，电容C1对24、36次谐波起调谐作用，对基波起补偿无功作用。
2交流滤波器电抗谐波过负荷保护
在交流滤波器中，电抗器是一个非常重要的电气元件，它与电容器、电阻器共同组成滤波回路，滤除谐波电流。调谐电抗器的作用是限制滤波器在投切过程中产生的冲击电流。在交流滤波器保护中配置了电抗过负荷保护用于保护电抗器，保护装置内部将流过交流滤波器中的电抗器的电流根据系统设置的发热频率效应系数转换成为等效的工频热效应电流。保护取量图如图 2所示
图2：电抗器过负荷（过流）保护取量图
本保护电流为50次以内的总电流有效值：
保护通过各元件的功率损耗来计算与之相应的等效温度，从而确定各元件上的热应力。如果超过各元件的热额定值，保护动作，跳交流断路器，保护各元件免受热损坏。
电抗器的功率计算：
其中R随频率变化，随着频率的增长，电抗器的阻值存在集肤效应，由于保护装置采样频率和运算能力的限制，目前还无法精确计算出电抗器的功率损耗，但可以用近似的方法推算出这个值。
计算电抗器总的功率消耗公式为：
其中K为总的发热系数，为流经电抗器的总电流有效值。
定时限过负荷保护的动作方程及电抗器谐波过流保护基本原理：
其中为定值，K为发热系数，为电抗器的总电流有效值。电抗谐波过负荷逻辑如图3所示。
图3：电抗谐波过负荷保护逻辑框图
3案例分析
3.1 案例介绍
2011年04月30日20时23分，某换流站3614滤波器保护A电抗器L2过负荷保护动作，跳开3614开关，3614滤波器保护B未动作。监控后台OWS告警信息事件记录如表1所示：
表1：OWS告警信息事件记录
序号时间 事件记录
120:23:25:090 第一大组第四交组交流滤波器保护屏
AFP14A保护动作
220:23:25:828 第一大组第交流滤波器保护屏PBP1A
失灵动作
320:23:25:856WA-Z14-Q1/3614开关锁定
420:23:25:870WA-Z14-Q1/3614开关跳闸出口
520:23:25:871WA-Z14-Q1/3614开关合位消失
620:23:25:881WA-Z14-Q1/3614开关分位产生
现场检查3614交流滤波器保护屏A SDR-101A保护装置电抗器L2过负荷保护动作，3614开关操作箱A相跳闸Ⅰ、B相跳闸Ⅰ、C相跳闸Ⅰ红灯亮。如图4所示。
图4：3614开关Ⅰ线圈跳闸
3614交流滤波器保护屏A SDR-101A保护装置采样值，CPU1电抗器L2 Iarms值在0.09-0.58A之间波动，CPU2电抗器L2 Iarms（A相二次電流有效值）为56.274A，折算到一次电流为56274A，初步分析此值并非真实值，对装置CT二次回路进行检查，回路无异常，核对保护装置定值无误，表明保护装置采样环节存在异常。具体见表2、3。
表2：CPU2电抗L2采样值
序号 名称 量值
（A）
1电抗L2 Ia 0.000<126
2电抗L2 Ib 0.000<185
3电抗L2 Ic 0.000<140
4电抗L2 Iarms56.272
5电抗L2 Ibrms0.004
6电抗L2 Icrms0.004
表3：CPU1电抗L2采样值
序号名称量值
（A）
1电抗L2 Ia 0.000<038
2电抗L2 Ib 0.000<046
3电抗L2 Ic 0.000<140
4电抗L2 Iarms0.09-0.58
5电抗L2 Ibrms0.004
6电抗L2 Icrms0.004
现场重启保护装置，故障未消失。对3614交流滤波器保护屏A SDR-101A保护装置模拟转换插件进行更换，更换后调整了装置零漂，并对所有CT支路电流量进行采样测试，测试结果正常。查看3614交流滤波器保护屏A差动电流、电容器不平衡电流，结果正常，核对3614交流滤波器保护A保护装置定值正确。经观察CPU1、CPU2采样值正常，投入该交流滤波器后，观察CPU1、CPU2测量值正常。
3.2 事故原因分析
3.2.1 3614交流滤波器保护原理及采样原理
3614交流滤波器保护为双重化配置，两套保护均采用许继日立公司SDR-101A微机交流滤波器保护装置，保护配置及CT取量图如图5所示：
图5：3614保护配置及CT取量图
SDR-101A保护装置硬件结构如图6所示：
图6：SDR-101A保护装置硬件框图
SDR-101A保护装置共有两块完全独立、相同的CPU板卡，分别为CPU1 和CPU2，其中CPU1为动作CPU，CPU2为启动CPU。保护装置出口跳闸采用“启动＋保护动作”的方式。由于保护采样为每个周波48个采样点，针对含有高次谐波的电气量保护装置无法通过软件计算出有效值，只能通过专用的芯片计算出有效值。通过硬件框图可以看出，模拟转换插件至两块CPU插件为两条独立的通道，但是设计在同一个模拟转换板内，如图7所示，左侧通道为动作CPU1采集通道，右侧通道为启动CPU2采集通道。
图7:模拟转换插件
3.2.2 3614交流滤波器保护A动作分析
查看保护动作报告，动作元件为电抗器L2谐波过负荷3段动作，动作相为A相，动作电流有效值为0.513A。3614交流滤波器电抗器L2谐波过负荷动作策略[5]如表1所示。
表4 ：HP24/36滤波器不平衡保护动作策略表
序号故障级别动作后果电流定值延时定值
（mA） （s）
1 过负荷1段报警 0.41520
2 过负荷2段延时跳闸 0.421540
3 过负荷3段立即跳闸 0.44525
分析故障录波器录波图，发现保护动作前电抗器L2支路电流及其它各支路电流波形均正常，无故障分量。故障录波图如图8所示：
图8：故障录波图
根据录波图和保护动作情况分析，一次设备无异常，3614交流滤波器保护A测量故障是导致保护动作跳闸的原因。保护装置CPU1电抗器L2 Iarms为0.099A，而CPU2电抗器L2 Iarms为56.274A。保护装置CPU1/CPU2电抗器L2 电流有效值是根据电抗器L2支路CT采样值计算均方根而得，此时3614交流滤波器已停运，已无电流流过此CT。根据此现象分析3614交流滤波器保护A模拟量采样存在异常。
为确定采样环节中具体的故障点，对装置进行以下检查处理：
1）对保护装置的L2电抗器CT回路进行注流试验，检查保护装置人机界面上显示的采样值和计算值。
2）重启保护装置，检查异常未消失，证明3614交流滤波器保护A装置的模拟转化插件可能故障，现场更换了新的模拟转换插件。
3）更换模拟转换插件后异常消失，证明故障点在模拟转换插件上，再将旧模拟转换插件重新更换回去，异常再次出现，确定为模拟转换插件故障导致测量异常。
4）现场更换模拟转换插件后，对各通道的零漂进行调整和1A运行环境下的系数进行调整后故障消除。
4结论及建议
通过上述检查处理过程可得到以下结论：此次保护动作为3614交流滤波器保护A模拟转换插件上L2电抗器A相电流采集、计算双通道异常导致。针对该异常提出以下建议：
1）建议改进装置，将保护启动元件和动作元件完全隔离，目前两个元件的模拟转换设备设计在同一块板卡上，存在单板卡故障导致保护误出口隐患，改良后将防止装置误动作，保障交流滤波器的稳定运行。
2）运维单位定期对保护装置的采样值进行分析，制定相应反措，及时发现异常采样值。
参考文献
[1] 刘振亚．特高压直流输电技术研究成果专辑[M]．北京：中国电力出版社，2006.
[2] 赵婉君．高压直流输电工程技术[M]：中国电力出版社，2009.
[3] 国网运行有限公司．互感器、滤波器及避雷器设备[M]．北京：中国电力出版社，2009.
[4] 中国南方电网有限责任公司．高压直流输电基础[M]．北京：中国电力出版社，2010.
[5] 北京网联直流工程技術有限公司．宁东—山东±660kV直流输电工程技术协议—交流滤波器定值研究[R]．北京：北京网联直流工程技术有限公司，2009．