±500 kV换流站交流滤波器失谐特性分析.pdf

92第 52 卷2024 年 4 月Vol.52 No.2Apr.2024云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER500 kV换流站交流滤波器失谐特性分析陈慧，刘宁（中国南方电网公司超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖 655000）摘要：换流阀运行时会产生大量特征谐波，需在换流站交流场配置滤波器解决。该文结合南方电网公司某直流换流站发生的13次谐波失谐保护动作事件，首先分析了失谐保护动作的特性和谐波电流产生的原因；然后探讨了B型交流滤波器失谐保护定值整定问题，提出了针对换流站交流滤波器13次失谐动作特性的改进措施。关键词：换流阀；交流滤波器；谐波；失谐告警；阻抗偏移Analysis of Detuning Characteristics of AC Filters in A 500 kV Converter StationChen Hui,Liu Ning（QuJing Bureau of CSG EHV Power Transmission Company,QuJing,YunNan 655000,China）Abstract:The operation of the converter valve will generate a large number of characteristic harmonics,which need to be solved by configuring filters in the AC field of the converter station.This article combines the 13th harmonic detuning protection action event that occurred at a DC converter station of Southern Power Grid Company,and first analyzes the characteristics of the detuning protection action and the reasons for the generation of harmonic current;Then,the problem of setting the detuning protection value for B-type AC filters was discussed,and improvement measures were proposed for the 13 times detuning action characteristics of AC filters in converter stations.Key words:converter valve;AC filter;harmonics;detuning alarm;impedance offset中图分类号：TM74文献标识码：B文章编号：1006-7345（2024）02-0092-040前言换流阀在运行中需消耗无功并产生大量谐波，交流侧特征谐波为 12 n1 次，谐波会对运行中的电气设备产生危害和通信干扰，因此需要配置交流滤波器解决1-2。然而，在交流滤波器运行过程中可能会产生失谐现象，从而影响到换流站的安全可靠运行3-5。国内学者及工程技术人员先后对换流站交流滤波器失谐现象开展了机理和解决措施研究6-7。文献 8 针对交流滤波器电容器不平衡电流异常进行研究，提出了元器件故障的改善措施，提高了系统运行的可靠性；文献 9 针对交流滤波器投切进行分析，提高了系统调试的效率。文献 10 研究发现交流滤波器易与电网背景谐波阻抗相互作用，并提出了实践性的改造方案。文献 11 研究了换流变充电励磁涌流对交流系统谐波的影响；文献 12-13 研究了滤波器元件参数对失谐告警的影响及失谐元件在线辨识方法；文献 14 研究了交流滤波器失谐报警的仿真模型。上述成果均有效拓展了失谐告警的研究思路，具有借鉴意义。1事件概述1.1交流滤波器配置的基本情况南方电网某 500 kV 电压等级的 NZ 换流站建有甲乙双回共四极换流设备，并配套建有四个大组共 20 个小组交流滤波器。交流滤波器由电容器组、电抗器、避雷器、电阻器和测量装置组成，对一种或多种谐波电流提供一低阻抗通道来吸收谐波电流。该换流站小组滤波器分为ABCD四种型号，A、B 型滤波器为双调谐滤波器，C 型为高通滤波器（HP3），D 型为单调谐滤波器（SC）。其中，A 型交流滤波器为 DT 11/24，主要滤除11/24 次特征谐波；B 型滤波器为 DT 13/36，主要滤除 13/36 次特征谐波。该整流站具体配置93第 52 卷2024 年第 2 期500 kV 换流站交流滤波器失谐特性分析 交流滤波器类型为 4A+4B+3C+9D，交流滤波器主接线如图 1 所示。图1交流滤波器主接线图直流系统解锁后，首先自动投入最小交流滤波器组合（1A+1B）；随着直流功率的增加，投入运行的交流滤波器组数也随之增加；按照C、A、B、C、A、B、C、A、B、D 的顺序投入；若某一交流滤波器不能满足自动投入条件，且无同类型的可用交流滤波器时，则按 A 型 B型 C 型 D 型的顺序替代。1.2交流滤波器失谐保护配置失谐保护通过检测小组滤波器尾端 CT 的相电流和自产零序电流来甄别交流滤波器的细小变化，在异常时发出失谐报警。护动作原理如下表 1 所示。其中，3I0_harm_rms 为交流滤波器尾端自产零序电流 236 次谐波的均方根有效值，I_base 为尾端相电流工频基波有效值。经查该整流站 561 交流滤波器（B 型）失谐保护定值 K为 0.15。表1交流滤波器失谐保护判据和后果 保护名称出口判据动作后果交流滤波器失谐保护3I0_harm_rms K I_base延时10 s，告警1.3失谐过程分析及特性分析近期，该换流站 B 型交流滤波器在运行过程中，小组滤波器保护频发失谐告警。据统计，仅 2020 年 2 月 12 日至 2021 年 5 月 16 日期间，共发生 1971 次失谐告警。其中，561 交流滤波器（B 型）1330 次，571 交流滤波器（B型）588 次，告警时刻交流滤波器投入组合均为3A+2B+2C。某年08月04日561交流滤波器失谐告警时，尾端相电流和自产零序电流录波如图 2、3 所示。可见，相电流与零序电流中均包含大量的 13 次谐波分量，其中零序电流中 13 次谐波分量幅值约为 33.09 A。图2滤波器尾端相电流和自产零序电流波形 图3自产零序电流谐波成分因小组交流滤波器相电流与尾端自产零序电流主要包含 13 次谐波分量，故对不同时刻561、571 交流滤波器相电流与零序电流中的 13次谐波电流有效值、零序电流中 236 次谐波均方根有效值 3I0_harm_rms 进行了定量分析。结果如表 2 所示。表2不同时刻交流滤波器谐波电流有效值 滤波器时刻13次谐波电流有效值/A尾端零序电流3I0_harm_rms/A失谐告警定值/A是否告警ABC56101:49:3484.68 99.44 89.88 29.3526.90是08:48:5985.85 101.30 91.80 29.4627.02是08:52:3687.74 103.37 94.55 30.4326.88是57101:49:34 103.48 90.66 94.04 27.0227.24否08:48:59 105.82 91.37 96.03 27.1027.11否08:52:36 107.19 93.98 98.80 29.9527.04是由表 2 可知，561、571 交流滤波器尾端零序电流 3I0_harm_rms 大于失谐保护告警定值时，保护正确动作；小于失谐保护告警定值时，失谐保护正确不告警。进一步分析可知，561、571 交流滤波器三相间 13 次谐波电流分布存在稳定差异：561 滤94云南电力技术第 52 卷2024 年第 2 期波器中，B 相 13 次谐波电流最大，A 相最小，两者有效值相差约 15.45 A；571 滤波器中，A相 13 次谐波电流最大，B 相最小，两者有效值相差约 14.45A。与此同时，561 滤波器与 571滤波器同一相别 13 次谐波电流之和大致相等。以 08:48:59 时刻为例，流经 561、567 滤波器同一相别的 13 次谐波电流之和均大致为 192A。由于系统内13次谐波主要流经B型交流滤波器，且告警时刻均只投入 561、571 两组 B 型交流滤波器，根据上述特征，初步判断系统馈入的 13次谐波电流三相对称。对系统馈入的 13 次谐波的相序进行分析，结果如表 3 所示，可知 13 次谐波为正序。因此，系统馈入的 13 次谐波电流三相幅值相同，且非零序电流，正常情况下不会造成 B 型滤波器失谐告警。但由于 13 次谐波电流在 561 滤波器与571 滤波器各相间分布不均，造成滤波器尾端自产零序电流中包含大量的 13 次谐波分量，进而导致失谐告警频繁动作。表3告警时换流变网侧13次谐波电压相序 相别站内换流变网侧电压相角A-7.6B101.9C-121.02谐波来源分析根据上述分析可知，B 型交流滤波器 561、571 相间 13 次谐波电流分布存在稳定差异，使得 B 型交流滤波器尾端自产零序电流中包含大量的 13 次谐波分量，失谐保护正确动作。为明确流经滤波器 13 次谐波的来源，对该站换流变进线、交流进线的 13 次谐波潮流进行分析。由于交流电压和电流间要产生有功功率，需存在稳定的相角差。不同频次的谐波电压和电流间没有稳定的相角差，仅相同频次的谐波电压和谐波电流间存在稳定相角差，故能产生对应频次的谐波功率2。根据基本电流原理，可按下式计算谐波功率：Pn=UnIncosn（1）式中，Pn为第 n 次谐波的功率，Un、In分别为第 n 次谐波电压、谐波电流的有效值，n为第 n 次谐波的功率因数角。根据上式可知，功率正负由功率因数 cosn决定。当 cosn为正时，谐波功率方向与参考方向相同；当 cosn为负时，谐波功率方向与参考方向相反。考虑到基波功率可以确定为交流系统流向换流站，故分析谐波功率时将以基波方向为参考方向：假设基波功率为正，当谐波功率为正时，由交流系统流向换流站；当谐波功率为负时，由换流站流向交流系统。501350132501315013275012501227501115011175012150121750116750112501150112750136750122502350232502315023275022502115021175022150221750216750212502150212750222溪换乙线甲极1换流变甲极2换流变溪换甲线500kV#2M500kV#1M50222750236751175217F1T5F1T5500117RD501317502317500kV#1M500kV#2M5227507350732507315073275072507227507115071175072150721750712507150712750736750722乙极2换流变507167ACF35073175063506325063150632750625062275062150622506217506367甘换甲线5127506167F1T5506317505350532505315053275052505227505115051175052150512505150512750522505367505217乙极1换流变505167ACF4505317T255043504325043150432750425042275042150436750422504217ACF1504167504317T15503350332503315033275032503227503115031175032150312503150312750336750322503167503217ACF2F1T5503317溪换丙线 图4电气主接线图利用基波功率方向推断该整流站换流变网侧 13 次谐波潮流方向，表 4 为站内甲极 1 换流变网侧功率因数分析结果。表4换流变网侧功率因数 类别基波13次电压-54.3101.9电流-105.0-107.8cos(n)+-如表 4 所示，当功率因数为正时，基波功率从交流侧流向换流阀。根据表 4 中数据可知，13 次谐波的功率因数为负。因此 13 次谐波的功率方向与基波功率方向相反，即从换流阀流向交流侧。同理，对站内其他各极换流变网侧 13次谐波电流流向进行分析，发现 13 次谐波电流流向均为从换流阀流向交流侧。综合上述分析，判定 13 次谐波作为换流器的特征谐波，由换流器流向 B 型滤波器，且换流器馈出的 13 次谐波为正序分量，三相对称。对告警前同一时刻，即 03 月 19 日 07 时 35分，站内交流进线的 13 次谐波电流幅值进行分析。以 500 kV 甘换甲、溪换乙线为例，结果如表 5 所示。表5交流进线功率因数 谐波次数甘换甲线溪换乙线基波13次基波13次电压-24.4-178.478.3-79.9电流-155.2-123.7-104.0103.2cos(n)-+-95500 kV 换流站交流滤波器失谐特性分析 第 52 卷2024 年第 2 期由表 5 可知，甘换甲线的 13 次谐波流向与基波相反，为换流站流出；溪换乙线的 13 次谐波流向与基波方向相同，为流入换流站。进一步对溪换乙线电流进行谐波分析可知：溪换乙线三相 13 次谐波电流幅值较小，分别为 0.4 A、0.7 A、0.7 A，远小于流入 B 型滤波器的 13 次谐波电流幅值 271 A（08:48:59 时刻）。因此，可以判断站内各交流进线对 13 次谐波的贡献较小。3谐波电流不平衡分布原因分析以上分析表明，该整流站交流侧 13 次谐波电流由换流器产生并流入站内 561 与 571 滤波器，换流器馈出的 13 次谐波电流三相幅值相同，相序为正，系统不存在 13 次谐波零序电流源。但是，561、571 滤波器中 13 次谐波电流在三相间的分布存在较大差异，且呈现一定的规律性，造成滤波器尾端自产零序电流中包含大量13 次谐波分量，导致滤波器失谐告警频繁。在实际工程应用中，随环境变化、设备投运时间增加，在不同的温度、湿度、电压、电流条件下，滤波器三相电容、电感元件实际参数与其出厂值会存在一定偏差。当该 B 型双调谐滤波器中三相电容、电感元件参数偏移量不一致时，将导致滤波器三相的谐振点阻抗出现一定变化，进而使得滤波器尾端电流出现相间不平衡分布现象。根据现场失谐告警统计情况，告警时刻都只投入 2 组 B 型交流滤波器，且均为 561+571组合。对母线电压及 561、571 交流滤波器首端电流进行傅里叶分解，计算出运行时交流滤波器 13 次谐振点阻抗值，如表 6 所示。表6交流滤波器13次谐振点阻抗值 滤波器A相/B相/C相/5613.65793.84903.52395713.02274.28113.4052结合表 6 阻抗计算结果，以交流侧总 13 次谐波电流幅值为基准，根据电流分配定则，可得出电流分配情况如表 7 所示。根据表 6 可知，虽然 561、571 交流滤波器三相间 13 次谐波阻抗均存在一定差异，但由于换流器馈出的 13 次谐波电流三相对称，因此，561 或 571 滤波器单独运行时，流入三相的 13次谐波差异不大。当 561 与 571 滤波器同时运行时，因 571 滤波器 A 相 13 次谐波阻抗明显小于 561 滤波器，B 相 13 次谐波阻抗明显大于561 滤波器，根据并联分流关系，561 滤波器中B 相 13 次谐波电流将大于 A 相，571 滤波器中A 相 13 次谐波电流将大于 B 相，与表 2 记录的现场数据相符。初步判断 13 次谐波分布不均的原因为：561 滤波器与 571 滤波器同一相的 13次谐波阻抗，因元件参数变化存在明显差异，561 与 571 滤波器并列运行时，各相分流不同，造成交流滤波器尾端零序电流变大，失谐保护发出告警信号。表7交流滤波器13次谐波电流分配情况 滤波器A相B相C相5610.4525 p.u.0.5266 p.u.0.4914 p.u.5710.5475 p.u.0.4734 p.u.0.5086 p.u.经查，2021 年 B 型交流滤波器 C1、C2、L1、L2 的预试结果，与出厂值进行比较，发现561、571 交流滤波器中 C1 电容器电容值均偏差较大，疑此与 561、571 交流滤波器谐振阻抗变化有关。4失谐告警仿真验证利 用 具 有 详 细 控 制 保 护 功 能 的 直 流 系统 PSCAD/EMTDC 模 型，选 取 失 谐 告 警 时运 行 工 况，即 双 回 四 极 大 地 回 线 方 式，总功 率 约 3200 MW，交 流 滤 波 器 投 入 组 合 为3A+2B+2C。将 561、571 滤波器各元件参数改为 2021 年预试结果数值，其他 B 型滤波器（581、591）采用标准设计参数。在相同工况下分别投入 561+581、561+571 组合，测试不同 B 型滤波器组合下 561 交流滤波器尾端自产零序电流工频分量之外 236 次谐波的均方根有效值 3I0_harm_rms，仿真结果如表 8 所示。从表 8 可知，561 交流滤波器与一组采用标准设计参数的 B 型交流滤波器并联运行时（如561+581），561 的 3I0_harm_rms 小于失谐告警动作定值；当 561 与 571 并联运行时，561的 3I0_harm_rms 明显大于失谐告警动作定值。因此，为避免该站交流滤波器失谐保护频繁告警，应在确保无功功率满足要求的前提下，571与 561 交流滤波器不同时投运。（下转第99页）99水电站主变压器设备配置问题分析第 52 卷2024 年第 2 期运行检修的难易程度等方面全方位考虑，同时受到场地、环境等因素的制约影响，需要具体分析。参考文献1 NB/T 10878-2021水力发电厂机电设计规范.2 NB/T 35044-2014水力发电厂厂用电设计规程.3 GB/T 50065-2011交流电气装置的接地设计规范.4 GB/T 6451-2023油浸式电力变压器技术参数和要求.5 贾蔚.探讨小型水电站设计.6 徐军.如何选择主变压器.7 钟滔.溪洛渡主变压器选型.8 王晨曦.水电站电气主接线优化设计.9 刘志欣.水电站电气主接线优化设计探讨.10 周百鸣.大型水电站厂用电系统设计.收稿日期：2024-04-18作者简介：彭程（1995），男，长春工程学院智能电网信息工程专业，2018 年至今就职于国能大渡河猴子岩发电有限公司，主要从事电力生产和设备运行维护管理等方面工作。表8不同组合下561滤波器的3I0_harm_rms值 滤波器组合3I0_harm_rms/A定值/A561+57133.427.2561+58121.127.2561+571+58122.127.25结束语通过上述分析，得出以下结论：1）换流站各交流进线对 13 次谐波电流的贡献较小，作为换流器特征谐波，13 次谐波电流由换流器馈出并流入 561 与 571 滤波器。2）失谐保护告警时，561 与 571 滤波器均同时投入，且三相间 13 次谐波电流分布存在明显差异。因相间分布不均，滤波器尾端自产零序电流中包含大量的 13 次谐波分量，失谐保护正确告警。3）谐波阻抗差异因滤波器元件参数变化造成，参考预试结果，重点怀疑 C1 电容器参数变化原因。4）仿真结果表明，与采用标准参数的 B 型滤波器并联相比，571 滤波器的投入会使 561 的3I0_harm_rms 明显大于失谐告警动作定值。参考文献1 陈慧,刘宁.一起同塔双回直流输电线路避雷器击穿事故原因分析J.云南电力技术,2023,51(4):60-64.2 赵畹君.高压直流输电工程技术M.北京:中国电力出版社.2004.3 古智鹏.换流站交流滤波器电容器运维分析及故障处理J.电力电容器与无功补偿,2019,40(6):58-61.4 张杰,韩永霞,李立浧,等.换流站交流滤波器避雷器压敏电阻冲击老化特性及应用研究J.电网技术,2023,47,(7):2967-2976.5 刘书吉,王兴善,刘进鹏,等.一起鸟害引起的交流滤波器不平衡保护跳闸分析J.青海电力,2022,41,(2):60-63.6 马虎涛,吴永利,申廷进,等.换流站 TILP 型交流滤波器电容器接线柱发热分析研究J.电力电容器与无功补偿,2023,Vol44,(4):1-4.7 刘天作,赵文诗,张泽强.锡盟换流站交流滤波器不平衡保护误动作分析J.东北电力技术,2022,43,(5):49-56.8 古智鹏,胡蕴斌,翁洪志,等.基于PSCAD/EMTDC的换流站交流滤波器电容器不平衡电流异常分析J.电力电容器与无功补偿,2021,Vol42,(1):12-17.9 李山,杨定乾.某换流站750 kV交流滤波器投切仿真计算及现场实测分析J.电力电容器与无功补偿,2020,41,(1):91-95.10 吕文韬,谢海葳,徐群伟,等.特高压直流换流站交流滤波器组对电网谐波的影响分析J.电力系统自动化,2019,43,(23):217-225.11 施红军.影响800 kV特高压直流输电交流滤波器失谐保护准确性的原因分析J.华东电力,2013,41,(10):2201-2202.12 胡宇林,焦华,严伟,等.从西换流站交流滤波器失谐特性分析J.广东电力,2019,32,(3):66-73.13 马骞,王巍,刘昊一,等.基于电流变化率的交流滤波器失谐元件在线辨识方法J.湖南电力,2021,41,(4):1-7.14 黄小羽,高沁翔,夏明超.特高压直流输电交流滤波器失谐报警的仿真J.北京交通大学学报,2012,36,(2):136-139.收稿日期：2024-02-18作者简介：陈慧（1988），女，大学本科，高级工程师，从事高压直流输电系统运行与维护管理工作；刘宁（1986），男，硕士研究生，高级工程师，从事变电设备检修试验工作。（上接第95页）