摘要：随着我国经济的快速发展，直流输电系统已广泛应用到了全国。在直流输电系统中，为了完成交流电到交流的转换或将直流变换为交流电，为了实现电力系统的安全稳定和电能质量的要求，建立了特高压换流系统。近几年来随着特高电压等级的直流输电项目陆续建成通电，特高压直流输电已经越来越被人们所关注。特高压直流换流站是高压直流输电项目的重要组成部分，承担着重要枢纽作用。
关键词：特高压换流站；直流滤波电容器；故障分析
1前言
特高压直流输电系统是特高压电网的重要组成部分之一。它能高效和低损耗地传输清洁能源，是长距离大容量输电的重要技术形式。随着国家电网对于智能化电网建设的稳步推进，目前有四个特高压直流输电系统投入运行。特高压直流输电容量在 6400~8000 兆瓦之间，与我国的能源基地和负荷中心相比较具有巨大的社会效益和经济效益。
2直流滤波器配置和参数
2.1 C1电容器组结构
某换流站采用双调谐滤波器滤波，直流滤波器组分为4大组，全站共有16小组直流滤波器，其配置分别为：9组HP12/24双调谐滤波器（容量310Mvar）和7组SC并联电容器（容量290Mvar）。HP12/24直流滤波器的结构如图1所示。
图1 5632直流滤波器接线示意图
高压电容器C1是直流滤波器最重要的组成部分，一般是由多台电容器单元按一定的要求串并联构成。每一个电容器单元内部又由多个电容元件组成。高压电容器承担了大部分的母线电压，容易在运行中发生元件损坏。为检测电容器的微小变化，一般采用H形接线或分支接线方式，如图2所示。某直流工程换流站直流滤波器高压电容均采用H桥结构。
图2 高压电容器接线方式示意图
直流滤波器高压电容的每个桥臂均由相同的若干台电容器串并联构成。其中S为电容器单元串联数，P为电容器单元的并联数。
2.2电容器单元内部结构
电容器单元内部由63个电容元件（电容值为Ce）组成，电气联接为3串21并（S1=3，P1=21），采用先并后串的联接方式，每个电容元件都有单独的内熔丝保护，如图3所示。
图3 电容器单元内部结构示意图
3直流滤波器C1不平衡保护
3.1不平衡保护基本原理
以H桥结构为例说明电容器组不平衡保护原理。电容器单元内部结构示意如图3所示，当电容器单元内部某个电容元件发生击穿故障时，与该故障元件在同一并联段的剩余完好的电容元件向该元件放电，使与其串联的熔丝迅速熔断，从而有效地隔离故障元件。如果电容器单元内部同一并联段有多个电容元件发生击穿故障时，该并联段剩余的电容元件将承受更高的电压，极有可能引起电容器雪崩效应。
当电容器单元的内部电容元件发生故障时，故障电容元件所在的桥臂电容值发生变化，破坏了桥臂电容的对称性，图2中TA1电流互感器将测量到不平衡电流。当该不平衡电流超过整定值时，不平衡保护将切除整组电容器组，这就是电容器不平衡保护的基本原理。
3.2不平衡电流计算分析
如图2（a）所示，假设桥臂中点TA1的阻抗为0，则流过桥臂间的不平衡电流为式中：
CA、CB、CC、CD分别为4个桥臂的电容值；ITA2为流过滤波器的总电流。
从式（1）可以看到，一个桥臂的电容元件发生故障后，不平衡电流的大小与故障电容元件的情况以及流过滤波器的总电流相关。
4特高压直流输电系统换流站故障仿真分析
4.1阀顶对中性母线故障
换流站中存在诸多设备，如若设备发生短路等故障将会引发多种类型的过电压，从而对设备的绝缘性造成损害。当出现阀顶对中性母线的短路故障时，主要体现为：直流电流与交流电相比较小，这时阀短路保护将会使整流站闭锁，并且向逆变侧传递信号，逆变侧在发生阀顶对母线故障时，一般由整流侧低压保护动作闭锁直流，保护动作的延时为0.5s。采用PSCAD仿真软件，便能够构建出宁浙±800kv输电系统的模型，将故障发生的地点设置为上阀组，发生时间为2s，持续时间为100ms。
（1）整流侧仿真分析
当整流侧中出现阀顶对中性母线故障问题时，故障发生在2s的位置，与逆变侧相比，整流侧应提前对故障做出反应。通过相关仿真分析可知，在此次故障中，在整流侧的线路端口位置会出现1015kv的过电压，大约为1.27个p.u.，其中1p.u.相当于800kv，其他位置的过电压水平普遍较低，换流站的各个避雷器中没有出现其他异常情况。
（2）逆变侧仿真分析
当逆变侧中出现阀顶对中性母线故障问题时，故障发生在2s的位置，与整流侧相比，逆变侧应提前对故障做出反应。通过相关仿真分析可知，在此次故障中，过电压的水平较低，最早出现过电压的位置是在逆变侧的端口，但是在数值上要小于整流侧。在换流站当中，虽然只有单一的母线避雷器动作，但是能耗上看却是较为理想。
4.2换流变阀侧单相接地故障
当换流阀侧位置出现单相接地情况时，可能会产生较大的能量，这些能量会被传输到直流极线与直流滤波器当中，从而导致过电压的产生。当整流侧、逆变侧均产生单相接地故障时，在阀的保护方式上存在一定的区别。
在整流侧中，由于直流线路上的电流与中性母线电流相比较小，在阀发生保护动作的同时，会将信号传递到逆变侧当中。对整流侧单相接地故障中直流电压进行计算后可知，当故障位置出现在52s时，非故障极线路电压为915kv；当故障位置出现在51s时，非故障极线路电压为859kv；当故障位置出现在62s时，非故障极线路电压为898kv；当故障位置出现在61s时，非故障极线路电压为868kv；由上述一组数据能够看出，当上组高压端Y/Y端子出现单相接地故障时，最高的过电压数值为915KV，而中性母线、平波电抗器等均具有较大的过电压，但是只有布置在中性母线附近的避雷器出现的了动作，其他的能量消耗均可忽略不计。
当逆变侧出现单相接地时，只有在直流电大小低于交流电时，才会开启换流阀保护动作。对逆变侧单相接地故障中直流电压进行计算后可知，当故障位置出现在52s时，非故障极线路电压为907kv；当故障位置出现在51s时，非故障极线路电压为850kv；当故障位置出现在62s时，非故障极线路电压为881kv；当故障位置出现在61s时，非故障极线路电压为887kv；由此可IE建，在52s时产生的故障过电压最高，在宁浙输电工程中Y/Y绕组端子中布置了A2避雷器，使空气间的缝隙被压缩，换流变阀侧的绝缘性能得到显著提升。
5结束语
特高压直流换流站不同于常规变电站和换流站。国家电网公司在设备维修方面积累了大量的技术和管理经验。为了防止直流滤波电容器故障事件发生，提出了防范措施，确保了机组安全稳定运行。
参考文献：
[1]朱革兰.三调谐直流滤波器高压电容故障分析与保护[J].高压电器，2010（12）
[2]杨跃辉.换流站交流滤波器典型故障分析［J］.电力电容器与无功补偿，2014（03）
[3]方冰.特高压换流站交流滤波器断路器恢复电压特性研究[J].高压电器，2015（08）
[4]谢丰战.特高压直流输电系统单极接地过电压的研究[D].广西大学，2014
[5]彭东.对某换流站滤波器组故障电容器的解体分析[J].电力电容器与无功补偿，2013（02）
[6]郭树永.一起交流滤波器不平衡保护跳闸事故分析[J].电力电容器与无功补偿，2012（01）
论文作者:任阿阳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/17
标签：故障论文; 电容器论文; 过电压论文; 滤波器论文; 电容论文; 母线论文; 元件论文; 《电力设备》2018年第32期论文;