±800 kV沂南换流站交流滤波器保护配置及调试方法

肖文文，王宏伟，董海波，乔 木，潘玉美

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

内蒙古上海庙—山东临沂±800 kV特高压直流输电工程作为国家大气污染防治计划12条重点通道之一，是首个落点山东的特高压直流输电工程。特高压换流站在运行中，其换流装置会消耗大量感性无功并产生大量谐波。为避免对交流系统造成不利影响，必须在换流器电网侧系统加装交流滤波器，以滤除谐波并为系统提供无功支持［1-2］。

我国对常规换流站交流滤波器保护系统的研究已较为成熟。文献［3］提出了一种交流滤波器场地布置优化方案，在满足功能要求的前提下，大幅减小了场区占地面积和辅材耗量，缩减了滤波器投运成本。文献［4］和文献［5］分析了交流滤波器各类故障机理，对典型交流滤波器保护原理及方案进行了阐述。文献［6］总结介绍了多个直流工程中交流滤波器保护的配置和功能，概述国内交流滤波器保护系统的发展过程。文献［7］介绍了胶东换流站交流滤波场保护配置情况。然而，随着直流输电技术的不断发展，我国特高压直流输电工程已由单层接入模式发展为分层接入模式，交流滤波器保护系统也已由大组、小组保护分屏独立配置逐渐完善为集中化配置，目前对新模式下交流滤波器保护配置及调试方法的研究较少。

±800 kV沂南换流站是我国首批在电网侧采用分层接入模式的换流站工程，其500 kV和1 000 kV交流侧均配有交流滤波器。以沂南换流站为依托，从验收人员的角度详细介绍分层接入模式下交流滤波器保护配置情况，并对滤波器保护现场校验方法进行总结，为后续检修及新工程验收提供指导。

1 交流滤波场概况

沂南换流站500 kV交流滤波器场共配置3个大组，每大组包括5个分支；1 000 kV交流滤波器场共配置2个大组，每大组包括6个分支。站内所有大组交流滤波器均以连线方式接入相应电压等级的3／2接线串内。交流滤波场占地区域按矩形设计，其中，500 kV滤波场接线方式采用非标准“田”字型布局，1 000 kV 滤波场则采用“L”型布局［3］，标准“田”字型布局与“L”型布局分别如图1与图2所示。

图1 标准“田”字型布局

图2 “L”型布局

全站交流滤波器总计26组（500 kV侧有1分支为调相机），包括 HP12／24、HP3、SC 3 种型号。 其中HP12／24 型用于滤除 11、13、23、25 次特征谐波，HP3型用于滤除3次非特征谐波，SC型则用于补偿无功［8-9］。不同型号滤波器数量配置如表1所示，典型交流滤波器结构如图3所示。

表1 交流滤波器配置

图3 典型交流滤波器结构

沂南换流站交流滤波器保护采用集中式保护装置，即将大组母线保护和该母线上所有小组滤波器保护集成在一台装置中［10］。与胶东换流站母线保护及各小组保护单独组屏的方式相比，减少了屏柜及电缆成本，集成度更高，占地面积更小，更有利于后续运检工作的开展。

2 模拟量采集与通流通压试验

沂南换流站内500 kV交流滤波场以常规电流互感器（以下简称常规TA）为主，电容器C1不平衡支路除外；1 000 kV交流滤波场则以光电流互感器（以下简称光TA）为主，电阻、电抗及交流串内TA除外。集中式保护装置电流采集过程如图4所示。

集中式保护装置以合并单元作为前置，解决了TA数量众多且常规TA与光TA共同参与保护的问题。电流采集时，同一大组内的TA首先将电流信息送至对应合并单元，各合并单元集中处理后，通过光纤将电流信息汇总至保护装置处，由其完成逻辑判断和出口。

图4 电流采集路径

交流滤波器保护实现过程中，500 kV侧的光TA仅用于电容器不平衡保护，不存在光TA之间或光TA与常规TA之间的配合问题。1 000 kV侧存在光TA之间或光TA与常规TA之间的配合问题，如小组差动中存在光TA之间的配合，大组母线差动中还涉及小组首端光TA与串内常规TA之间的配合。光TA与常规TA因原理不同，二者在配合使用时存在诸多问题，如因传输介质不同造成数据不同步，数据处理机制不同等问题，所以在校验小差、大差保护时，普通的测试仪已无法实现。

为了准确地对1 000 kV侧进行差流校验，针对光TA与常规TA之间的配合问题，验收中采用直接在一次系统注流的方法，校验光TA与常规TA之间的差动配合，如图5所示。

图5 一次注流试验示意

首先调整一次系统方式，交流滤波器场内合上支路1断路器Q1，其余小组开关均保持分位；交流场内，合上中断路器Q2，合上断路器Q21号母线侧接地开关，串内两边断路器保持分位。利用大电流发生器在注流点处注入工频大电流，模拟实际运行，此时小组光TA（TA1）以及串内常规 TA（TA2）同时感应出二次电流，分别通过光纤和电缆接入集中式保护装置，从而可对大组差动保护进行差流校验。

一次注流试验模拟实际运行情况，若在此试验环境下发现差流异常，则可确定问题是由传输介质或保护装置算法导致，此时可通过软件补偿消除。在完成TA1与TA2之间的差流校验后，TA1和TA3之间的校验可转化为TA2与TA3两个常规电流互感器之间的校验，此时则可采用普通的继电保护测试仪实现。

对于小组差动保护中光TA之间的差流校验，可采取2种措施，一是采用上述一次注流方法；二是利用可加光量的试验仪，同时为多路光TA回路加电流量，以此测试光TA之间的差动配合，试验原理如图6所示。

图6 利用光量试验仪加量

3 小组滤波器保护及调试方法

以HP3型交流滤波器为例，对小组保护中的差动保护、电容器不平衡保护、电阻电抗热过负荷保护调试要点进行分析。典型保护配置及TA取用情况如图7所示。

3.1 差动保护

差动保护是滤波器支路的主保护，采首端TA、尾端TA和避雷器TA进行差动计算［4］。TA极性应满足差动计算需要，上述3组TA安装时，其P1极性端均设置在远离滤波器的一侧，二次绕组取用时均抽取S1端。

3.1.1 稳态比率差动保护

不同元件的比率差动保护（如线路、母线、变压器），其制动电流的选取不一。小组滤波器差动保护的制动电流取尾端电流与避雷器电流之和，在小组差动保护范围外部故障时制动电流较大，可避免误动；内部故障时，尾端流过较小电流，制动电流减小，保证可靠动作。

图7 HP3型交流滤波器保护配置

稳态比率差动保护分为低值比率差动段和高值比率差动段。保护逻辑调试时，对低定值区和高定值区分别取点校验，通过试验接线将保护动作节点以开入量的形式开入测试仪，测量接线原理如图8所示。通过多次试验发现，以保护动作时间特性为参照，在低定值区和高定值区分界处，两区差动跳闸时间相近；由分界线向下远离高定值区，动作时间增加；由分界线向上远离低定值区，动作时间缩短，稳态比率差动保护动作时间特性如图9所示。

图8 稳态比率差动保护试验原理

图9 稳态比率差动保护动作时间特性

3.1.2 差动速断保护

速断动作方程为

式中：I1，I2，I3分别为首端电流、尾端电流与避雷器电流；Isd为速断定值；Ie为滤波器额定电流。

验收人员在现场调试过程中发现，除装置说明书所列的动作条件外，差动速断保护还存在隐性条件限制为

即尾端和避雷器电流均小于厂家隐性设定值Iset，且不同型号的滤波器该定值不同。校验时对式（1）与式 （2）做如下验证：

1）用保护测试仪分别加电流I2，I3，任一电流大于Isd，则差动速断被闭锁；

2）用保护测试仪同时加首端电流I1和尾端电流I2，满足｜I1+I2｜＞Isd，且 I2＞Iset，则差动速断被闭锁；

3）用保护测试仪同时加首端电流I1和避雷器电流 I3，满足｜I1+I3｜＞Isd，且 I3＞Iset，则差动速断被闭锁。

根据多次试验结果推断，式（2）限制条件是由于小差保护范围内发生接地故障时其尾端TA或避雷器TA将流过较小电流，若I2或I3过大则认为有异常（如首端TA断线），且速断保护无比率制动等限制条件，所以在式（1）基础上，增加式（2）隐性条件，当不满足时，则闭锁差动速断保护。

同样，在校验零序差动保护时发现，零序差动保护动作条件除大于门槛值外，还应满足尾端零序电流大于首端零序电流这一隐性条件。

3.2 电容器不平衡保护

电容器组采用典型“H”桥接线方式，如图10所示。

正常情况下中间桥线无电流，但当某一组电容器发生故障导致两臂不平衡时，桥线上则会流过不平衡电流［11-13］。一般情况下此电流为mA级，为保证采样精度，沂南站所有高端电容器组C1的不平衡TA均采用了光TA，HP3型交流滤波器低端电容器组C2的不平衡TA仍使用常规TA。

图10 电容器组“H”桥接线方式

电容器不平衡保护包括稳态不平衡保护和暂态不平衡保护。以稳态不平衡保护为例，其动作方程为

式中：Iub为不平衡电流；Itro为电容器组的穿越电流；Iubqd为启动定值；Kubzd为不平衡保护定值。上述穿越电流是指流过电容器组的电流，对高端电容器C1而言，其穿越电流取尾端电流；对低端电容器C2而言，其穿越电流由尾端电流与电阻支路电流相减而来。

调试中，在校验低端电容器C2不平衡保护时，发现穿越电流采样错误，检查发现是由于TA极性错误导致。尾端电流与电阻支路电流的减法计算是在程序内部完成的，故要求电阻支路TA极性与尾端TA极性必须一致，但在前期设计及接线阶段，设计人员或接线人员由于不了解保护装置逻辑，就有可能出现TA极性设计或取用错误的情况，故涉及相关工作时应重点检查。

3.3 电阻和电抗热过负荷保护

热过负荷保护用于监视电抗和电阻支路的过载情况，其动作曲线遵循反时限特性

式中：T为动作时间；τ为热过负荷时间常数；IB为基准电流；k为过载倍数；I为计及谐波和集肤效应系数的全电流有效值。反时限特性校验时可采用描点法，对报警曲线和跳闸曲线分别校验。取τ=60 s，IB=100 A，k=1.2进行测试，测试结果如图11所示，实测数据基本符合反时限特性。

图11 热过负荷跳闸实测数据

试验测点时应密切关注电阻或电抗热过负荷累计百分比的变化，该值达到100%时保护动作于报警或跳闸，且只有在热过负荷累计百分比降至0（即完全散热）后，才能再次测点，否则会有累计热负荷，影响时间测量精度。另外，校验时应重点检查集肤效应系数配置是否正确，避免因系数错误引起保护误动。

4 结语

±800 kV沂南换流站在电网侧采用了分层接入模式，这是我国首批实践工程。结合实际，对交流滤波场概况、保护配置和单体调试方法进行分析和总结，对后续验收和检修工作具有一定指导意义。

常规TA与光TA同时参与保护时，通过直接在一次系统做注流试验的方法可校验常规TA与光TA之间的配合；通过利用光量测试仪可校验光TA之间的配合。

滤波器小组保护中，部分支路的电流由其他支路TA值计算而来，故相关支路TA极性应严格把关。

单体逻辑校验时，应综合模拟各种情况，深入挖掘保护中的隐性条件，如本文所用集中式保护装置要求小组差动速断保护中接地支路电流（尾端电流及避雷器电流）小于隐性限定值等。