第4卷 第3期 2016年3月 智 能 电 网 Smart Grid V ol. 4 No. 3 Mar. 2016
DOI ：10.14171/j.2095-5944.sg.2016.03.012 文章编号：2095-5944 (2016) 03-0301-06 中图分类号：TM 77 文献标志码：A
高压滤波电容器不平衡保护的试验研究
肖遥，张晋寅，杨晓峰，郑伟，刘畅，黎建平，陆春玉
(南方电网超高压输电公司检修试验中心，广州省 广州市 510663)
Test Research on Unbalance Protection for HVDC Filter Capacitor Bank
XIAO Yao, ZHANG Jingying, YANG Xiaofeng, ZHENG Wei, LIU Chang, LI Jianping, LU Chunyu
(Maintenance and Test Center, Extra High Voltage Power Transmission Co., China Southern Power Grid,
Guangzhou 510663, Guangzhou Province, China)
ABSTRACT: A series of tests were carried out on site to analyze the tripping phenomenon caused by the frequent operation of unbalance protection for the high voltage filter capacitor bank located at Gaopo-Zhaoqing HVDC link. The tests include the tuning characteristic of the filter, the transformation ratio of current transformers and the protection operation characteristic when unbalanced fault occurred at the high-voltage capacitor. Then the settings for the unbalance protection of capacitor were modified according to the test results and theoretical analysis.
KEY WORDS: DC filter; capacitor; unbalanced current protection
摘要：针对500 kV高肇HVDC 高压直流滤波电容器的不平衡保护频繁动作引起的跳闸现象，现场进行滤波器的调谐特性、电流互感器的变比特性、以及高压电容器不平衡状态下的保护动作特性试验；然后通过理论分析和试验结果修改电容器不平衡保护整定值。
关键词：直流滤波器；电容器；不平衡电流保护
0 引言
±500 kV高坡—肇庆、兴仁—宝安直流输电系统的直流滤波器频繁出现高压电容器不平衡保护动作跳闸的现象。高坡换流站自2004年投入运行起，只要站内或者沿线遇到雷雨天气，保护即动作跳闸[1]。肇庆站012LB 直流滤波器保护系统1的C 1电容器不平衡保护，则在2014年3月31日、6月21日、9月7日及10月3日的雷雨天气中4次启动跳闸。每次跳闸后检查各电容器单元，均未发现明显异常。为解决该保护频繁动作的现象，文献[2-5]曾多次研究。至今频繁跳闸的问题依旧出现。宝安站的021LB 直流滤波器不平衡保护因为频繁无故障跳闸，不得已长期退出滤波器。
高肇、兴安直流滤波器的高压电容器组均采用Π型接线，并配置相应的电容器不平衡保护。Π型接线用于不平衡保护优于常规的H 型接线[6]。
高压滤波电容器不平衡保护的整定原则是在部分电容器单元故障后，应能保证：1）滤波器的失谐度小于1%；2）电容器组部分电容器单元故障
后，余下完好电容器单元的端电压不应超过1.05倍的额定电压[7]。
为了彻底查清不平衡保护频繁跳闸的真相，及更改保护逻辑和定值，除了进一步的理论分析之外，特设计了一系列的现场试验。目的是对肇庆站012LB 滤波器进行保护动作特性检查，以及滤波器的特性校验，并结合理论分析，提出解决方案。2014年11月8—9日，在肇庆换流站对012LB 直流滤波器及其不平衡保护进行了各种试验。
本文的试验和分析方法可供今后类似的保护整定研究提供参考。
1 高压直流滤波器及其不平衡保护
高肇、兴安直流输电系统三调谐直流滤波器的电路如图1(a)所示，滤波器的设计参数见表1。
B 两个支路(臂) 高压电容器组C 1由图1(b)的A 、
组成，各臂分别有N 只单元串联。构成C 1的电容器组采用内熔丝单元，单元内部结构如图2所示。电容器单元内部为ps 只元件(element)组成，先p 只元件并联组成并联模块，而后s 个并联模块串联。
302 肖遥等：高压滤波电容器不平衡保护的试验研究 V ol. 4 No. 3
当其中一只元件短路后，同一并联模块中完好元件将通过故障元件放电，将故障元件的熔丝熔断。高肇直流滤波器的N =52、s =21、p =3。
比为50 A/0.5 A；
根据文献[6]的分析，当C 1电容器A 臂有d 个模块短路时，C 1的不平衡电流值为
I d ΔΠ
(3) =
I 2sN −d
Π
而当A 支路n 个并联模块中各有m 只元件隔离(熔丝熔断) 时，不平衡电流为 I −mn ΔΠ
(4) =
I 2(p −m ) sN +mn
Π
(a) 滤波器电路原理图 (b) C1接线图
图1 直流滤波器电路原理图
Fig. 1 Circuit of DC filter 表1 直流滤波器参数
Tab. 1 Parameters of the DC filter
C 1/μF 0.8C 2/μF 4.48C 3/μF 5.81L 1/mH 10.85L 2/mH 10.38L 3/mH 2.06
C 1的不平衡保护有两套同样配置：分别保护屏1和保护屏2。两套保护互为备用，其中任何一套保护动作，均启动跳闸。
根据高肇直流滤波高压电容器的不平衡保护整定说明书，当某单元内部一个并联模块中的元件在m
m =11时，由于剩余完好元件储存的能量不足以熔断第11只元件，该并联模块短路。
已有的保护动作逻辑为 1）动态段。
i ΔΠi
−∫ΔΠ>42.845%, t delay =800ms ，跳闸 (5) i Πi Π
整定式(5)是假定某单元内部一模块在t –1时刻已有10个元件的熔丝熔断(n =1，m =10)，在t 时刻第11个元件故障导致整个模块短路时(d =1)的不平衡电流
(a) 完好的 (b) 部分内熔丝吹断
t t −1⎤−(i /i ) (i /i ) 突变量Δ(i ΔΠ/i Π) =0.7⎡ΔΠΠΔΠΠ⎣⎦作
为保护整定值。
2）静态段。
图2 内熔丝型电容器单元
Fig. 2 Unit of capacitor with internal fuse
高肇和兴安直流滤波器的高压电容器C 1不平衡保护通过检测图1(b)中两臂的电流互感器T A 和T B 的电流来判断电容器组的状态。图1(b)电容器组不平衡电流保护的判别式，通过检测两臂电流的
=I −I 与“和流”I =I +I 之比“差流”I 进行判断：
ΔΠ[6]
A
B
Π
A
B
i ΔΠ
∫i Π>67.961%, t delay =800ms ，跳闸 (6)
整定式(6)是假定某电容器单元短路(d =3)时的不平衡电流0.7(i ΔΠ/i Π) 作为整定值。
2 直流滤波电容器组的不平衡试验
2.1 滤波器的调谐特性试验
本试验目的是确定滤波器故障条件下的失谐度，试验结果将作为调整保护整定值的依据之一。
直流滤波器3个调谐频率在25 ℃的设计值为
−I I I C −C B ΔΠA B
==A (1) +I +I I C C ΠA B A B
与之相应的二次电流判据则为
k −I i ΔΠI A A B B
(2) =
k +I i I
Π
A
A
B
B
式中：k A 和k B 是T A 和T B 两个支路电流互感器的变
比；i ΔΠ是两支路的二次电流之差，其绕组变比为50 A/50 A；i Π是两支路的二次电流之和，其绕组变
600、1 200、1 800 Hz。试验方法：将构成C 1的一
个臂分别短接不同数量的电容器单元，然后通过调谐试验观察其失谐度。表2是调谐试验结果，测量时的环境温度为24 ℃，非常接近于设计温度。滤波器无故障条件下的调谐频率失谐度(与设计值的
第4卷 第3期 智 能 电 网
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偏差) 在0.6%范围内，在单臂支路有2只单元短路条件下的失谐度达到1%。因此将高压电容器的不平衡保护跳闸值设置为两单元短路可行。
表2 肇庆换流站直流滤波器调谐特性试验(环境温度24 )℃ Tab. 2 Test for tuning characteristic of the DC filter at
Zhaoqing converter station (t =24℃)
短路 单元数 桥臂 平衡
谐振点
实测调谐频率/Hz
阻抗值/Ω
失谐度/%
电流，通过录波器录取两只电流互感器二次绕组的“差流”与“和流”。如果检测到不同频率下两二次绕组的“差流”非常小，则说明两个二次绕组的变流特性基本一致。
谐振点1 596.8 2.078 7 –0.5 谐振点2 谐振点3
1 195.2 1 789.9
2.200 3 1.954 1
–0.4 –0.6
(a) 一次绕组正向串联
谐振点1 595.5 2.073 7 –0.8
1单元
谐振点2 谐振点3
1 193.4 1 787.7
2.204 3 1.989 5
–0.6 –0.7
谐振点1 594.2 2.060 2 –1.0
2单元
谐振点2 谐振点3
1 191.5 1 785.5
2.193 2 2.001 0
–0.7 –0.8
谐振点1 592.9 2.036 8 –1.2
3单元
谐振点2 谐振点3
1 189.4 1 783.3
2.176 2 2.008 7
–0.9 –0.9
(b) 一次绕组反向串联
谐振点1 591.5 2.008 6 –1.4
4单元
谐振点2 谐振点3
1 187.4 1 781.1
2.152 8 2.009 2
–1.1 –1.1
图3 电流互感器注注入变频电流试验接线图
Fig. 3 Wiring diagram of various frequency current
injection tests of current transformers
为了解滤波器在失谐状态下的滤波效率，在滤观察到单臂不波器母线施加600 Hz恒定交流电压，
同数量单元短路的条件下，流过滤波器的电流见表
T A 和T B 电流互感器各有两个用于检测两支路
“和流(+)”的二次绕组1SA 、1SB 、2SA 、2SB ，其变比为50:0.5；两个用于检测两支路“差流(−) ”3SB 、4SA 、4SB ，其变比为50:50。的二次绕组3SA 、
正常接线方式下，二次绕组构成“和流”和“差流”的接线方式见表4。
表4 不平衡电流互感器的接线
Tab. 4 Connection of unbalanced current transformers
一次绕组名称 TA
二次绕组名称
1SA 1SB 2SA 2SB 3SA 3SB 4SA 4SB
二次绕组及其连接方式
连接方式 1S=1SA+1SB 2S=2SA+2SB 3S=3SA−3SB 4S=4SA−4SB
用途 保护屏1的和电流 保护屏2的和电流 保护屏1的差电流 保护屏2的差电流
3。其中在单臂2单元短路条件下，滤波器对12次谐波的滤波效率仍可达52.7%。
表3 直流滤波器C 1故障对12次谐波滤波效率的影响(24 )℃
Tab. 3 Influence of C 1 failure of DC filter upon the filtering efficiency to 12th harmonic (t =24 ℃)
短路单元数 600 Hz 总电流/A
滤波效率(12次)/%
桥臂平衡 10.647 100.0 1单元 7.700 2单元 5.606 52.7 TB 3单元 4.320 48.6 TA 4单元 3.480 32.7 TB
TA
5单元 3.010 29.1
TB
6单元 2.460 23.1
TA
TB
2.2 不平衡电流互感器的平衡特性检查
图1(b)的双臂支路电容器组采用同型号的两只电流互感器。为排除两只电流互感器的变流特性k A 和k B 不一致导致的不平衡保护频繁动作，将一次导电杆分别按图3(a)正向串联和按图3(b)反向串联，然后向电流互感器的一次导电杆注入不同频率的
电流互感器一次导电杆正向串联的注流试验见表5，结果表明两只电流互感器的二次“差流”绕组的变比特性基本一致；一次导电杆反向串联注流试验的结果见表6，此时二次侧的“和流”1S 和
2S 实际上变成了“差流”，结果表明二次“和流”
304 肖遥等：高压滤波电容器不平衡保护的试验研究 V ol. 4 No. 3
绕组的变比特性基本一致。
表5 CT正向串联注流试验结果
Tab. 5 Current injection test results when primary windings of current transformers are connected in series
电流频率/Hz
一次电流/A
二次绕组电流/mA
1S 2S 3S 4S
表7 不平衡电流保护采样电路的滤波性能试验结果 Tab. 7 Filtering performance test results of the sampling
circuit of unbalanced current protection
注入电流频率/Hz
采样值与保护屏注入电流比例/% 保护屏1
保护屏2
700 18.1 18.2 650 83.4 83.4 600 98.8 100.0 550 56.3 56.3 500 8.4 8.5
50 13.862 282 276 5.1 8.1 600 13.596 278 270 5.4 9.4 1 200 1 800
13.508 13.376
278 274
268 264
7.7 6.4
6.7 8.4
表6 CT反向串联注流试验结果
Table 6 Current injection test results when primary windings of current transformers are oppositely
connected in series
电流频率/Hz
一次电流/A
二次绕组电流/mA
1S 2S 3S 4S
通过保护屏输入端子造成保护误动的可能性极低。 2.4 电容器不平衡故障及保护动作特性试验
为模拟滤波器在运行时出现部分电容器单元故障及保护动作行为，除进行单臂部分电容器单元的短路试验外，还模拟电容器内部元件短路。具体方法：
在图600 0.07 2.0 6.1 117.2 115.0 臂600 0.27 2.1 6.7 485.0 474.1
1 200 1 200
5的A 臂或B 臂的单只电容单元(C u =41.6 μF)
以改变其电容量。如图5的A
突然并联附加电容ΔC 600 0.16 2.0 6.4 291.7 285.3
0.42 0.52
3.8 2.1
7.4 6.2
775.6 967.4
757.1 945.2
C u 单元并联ΔC =C u /2后，则相当于该电容器内部
出现一个串联模块短路，使该单元的电容量变为
3C u /2；通过在C u 单元突然并联ΔC =2C u 后，则相当于该电容器内部出现两个串联模块短路，使其电容还可以通过并联其他的电容量的方式，量变为3C u 。
模拟电容器单元内部元件级的不同故障。
2.3 不平衡电流采样电路的滤波特性
高肇直流滤波器C 1的不平衡电流保护系统输入端的“和流”和“差流”均配有带通滤波器，只
允许600 Hz频带附近的电流通过并参与逻辑运算。
为验证保护采样电路的选频性能，排除外界干
扰导致保护动作的可能性，按图4所示的接线，在电流互感器的一次侧注入不平衡电流。注入电流的频率在500~700 Hz区间调节，观察互感器二次电流进入保护系统后的减特性，试验结果见表7。
图5 模拟某单元内部电容元件故障的试验电路 Fig. 5 Test circuit for simulating capacitor element fault
of a unit
图4 保护输入信号的滤波试验电路
Fig. 4 Test circuit for filtering input protective signal
应用变频电源对直流滤波器注入600 Hz电流，参照图5突然改变某单元的电容量，记录不同试验 条件下的不平衡电流i ΔΠ/i Π和保护屏柜的动作信 号。各种故障下的保护动作情况见表8。
当电容器组其中一臂出现某电容器单元内两串模块短路(并联电容量ΔC =83.2 μF) 时，二次不平 衡电流i ΔΠ/i Π大于或者接近于67.961%，保护的动 态段和静态段均动作跳闸。
当A 臂一单元电容量增加ΔC =30.2 μF 时，两套保护的动态段检测到i ΔΠ/i Π−∫(i ΔΠ/i Π) ≥
由表7可知，保护屏的电流检测电路对600 Hz频率附近的电流信号衰减很小，但是对500 Hz以下，700 Hz以上的电流信号衰减很大，这两个频率的信号经过滤波环节后仅仅为输入值的10%左右。
上述试验证实：600 Hz通频带以外的其他频率干扰信号，不能通过电流采样电路耦合进入不平衡保护电流信号的采样判断环节。因此，外部干扰信号
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305
43.37%，高于整定值而动作；当B 臂一单元的电容量增加ΔC =30.2 μF 时，保护1的动态段检测到 i ΔΠ/i Π−∫(i ΔΠ/i Π) =48.55%而动作，相应的故障
录波图参见图6，而保护屏2的动态段
i ΔΠ/i Π−∫(i ΔΠ/i Π) =44.95%，接近于动作定值没有 动作。该试验结果也与现场保护实际频繁动作的现象相符：其一是现场也只有其中的一套保护动作；其二是不平衡电流的动作值也接近于实际动作值(图7) 。
由于C 1电容器组长期运行后，有部分单元的个别元件熔丝熔断，故表8试验结果中“两臂平衡”初始条件下的不平衡电流并不为0。这也导致A 臂最终的不和B 臂某单元的电容量变化同样数值时，平衡电流并不相等。
表8 直流滤波器注流特性试验数据
Tab. 8 Characteristic test data of current injected into the DC filter
故障情况 两臂平衡 A 臂1单元增加 ΔC =20.8 μF A 臂1单元增加 ΔC =30.2 μF A 臂1单元增加 ΔC =83.2 μF A 臂1单元短路 A 臂2单元短路 A 臂3单元短路 B 臂1单元增加 ΔC =20.8 μF B 臂1单元增加 ΔC =30.2 μF B 臂1单元增加 ΔC =83.2 μF B 臂1单元短路 B 臂2单元短路 B
臂3单元短路
动 动 动
动 95.09 94.05 动 201.00 195.50 动 305.54 297.67
动
动
67.43 64.98
动
未动 40.77 38.98
动 动 动 未动
动 –109.42 –104.67 动 –215.05 –205.13 动 –318.21 –302.56 未动 32.75 31.15
动
动 –75.97 –74.07
动
动 –51.15 –49.71
保护动作情况 保护屏1 未动 未动
保护屏2
(i ΔΠ/i Π) /%
图7 肇庆站012LB 直流滤波器C 1桥臂不平衡保护动作的
录波图
Fig. 7 An actual unbalanced current trace in 012LB DC
filter at Zhaoqing converter station
3 结论
系列试验结果表明：高肇、兴安直流滤波器的不平衡保护频繁动作，不是由于保护回路受到干扰，也不是电流互感器的特性不一致，而是实实在在出现了C 1电容器组的个别电容器故障。而且这种故障具有重复性、间歇性的特征。根据这种现象推测可能的原因是：某电容器内部由于某元件故障使熔丝熔断形成小间隙，在雷雨气象条件下，直流线路或者站内的感应雷过电压的条件下，使放电间隙击穿放电，导致该模块短路，流过C 1电容器组的不平衡电流满足保护的动态段跳闸条件。跳闸后，流过故障元件熔丝的电弧熄灭，事后检查电容器单元均满足电容量偏差不大于2%的规定。
试验表明，现有的保护整定值较小也是导致保护频繁动作跳闸的原因之一。按照试验结果，保护整定值在单臂两单元短路的条件下，滤波器的失谐度仍在1%的允许值内，故可以依照式(1)将C 1不平衡保护的跳闸值整定为单臂两单元故障，即 i ΔΠ/i Π=196%(按照N =52，s =3，d =3计算) ，躲开间歇性故障导致的频繁跳闸现象。
因此现有的不平衡保护动态段按照某并联模块由10个元件开路发展到整个模块短路进行整定并跳闸并没有必要，因为此时滤波器还具备基本的滤波功能，过早跳闸并更换滤波器没有达到物尽其用的原则。
根据本研究结果，肇庆换流站的012LB 、宝安换流站的021LB 直流滤波器的保护动作逻辑已经调整为动态段告警，静态段出口跳闸。
保护屏1 保护屏2
未动 –7.78 –5.97 未动 –40.98 –39.74
图6 C 1桥臂不平衡试验中的录波图 Fig. 6 A trace of i ΔΠ/i Π in C 1 unbalance test
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收稿日期：2015-06-26。 作者简介：
肖遥(1960)，男，硕士，教授级高级工程师，主要长期从事电能质量、HVDC 、电气试验方法研究，[email protected]；
张晋寅(1986)，男，硕士，工程师，主要从事高电压试验技术方法的研究；
杨晓峰(1983)，男，学士，工程师，主要长期从事高压试验研究； 郑伟(1985)，男，硕士，工程师，主要从事直流输电系统控制保护研究工作；
刘畅(1990)，男，硕士，工程师，主要从事电气试验方法研究； 黎建平(1988)，男，硕士，工程师，主要从事电气试验技术研究； 陆春玉(1988)，男，硕士，工程师，主要从事电气试验技术研究。
(编辑 李静)
第4卷 第3期 2016年3月 智 能 电 网 Smart Grid V ol. 4 No. 3 Mar. 2016
DOI ：10.14171/j.2095-5944.sg.2016.03.012 文章编号：2095-5944 (2016) 03-0301-06 中图分类号：TM 77 文献标志码：A
高压滤波电容器不平衡保护的试验研究
肖遥，张晋寅，杨晓峰，郑伟，刘畅，黎建平，陆春玉
(南方电网超高压输电公司检修试验中心，广州省 广州市 510663)
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XIAO Yao, ZHANG Jingying, YANG Xiaofeng, ZHENG Wei, LIU Chang, LI Jianping, LU Chunyu
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摘要：针对500 kV高肇HVDC 高压直流滤波电容器的不平衡保护频繁动作引起的跳闸现象，现场进行滤波器的调谐特性、电流互感器的变比特性、以及高压电容器不平衡状态下的保护动作特性试验；然后通过理论分析和试验结果修改电容器不平衡保护整定值。
关键词：直流滤波器；电容器；不平衡电流保护
0 引言
±500 kV高坡—肇庆、兴仁—宝安直流输电系统的直流滤波器频繁出现高压电容器不平衡保护动作跳闸的现象。高坡换流站自2004年投入运行起，只要站内或者沿线遇到雷雨天气，保护即动作跳闸[1]。肇庆站012LB 直流滤波器保护系统1的C 1电容器不平衡保护，则在2014年3月31日、6月21日、9月7日及10月3日的雷雨天气中4次启动跳闸。每次跳闸后检查各电容器单元，均未发现明显异常。为解决该保护频繁动作的现象，文献[2-5]曾多次研究。至今频繁跳闸的问题依旧出现。宝安站的021LB 直流滤波器不平衡保护因为频繁无故障跳闸，不得已长期退出滤波器。
高肇、兴安直流滤波器的高压电容器组均采用Π型接线，并配置相应的电容器不平衡保护。Π型接线用于不平衡保护优于常规的H 型接线[6]。
高压滤波电容器不平衡保护的整定原则是在部分电容器单元故障后，应能保证：1）滤波器的失谐度小于1%；2）电容器组部分电容器单元故障
后，余下完好电容器单元的端电压不应超过1.05倍的额定电压[7]。
为了彻底查清不平衡保护频繁跳闸的真相，及更改保护逻辑和定值，除了进一步的理论分析之外，特设计了一系列的现场试验。目的是对肇庆站012LB 滤波器进行保护动作特性检查，以及滤波器的特性校验，并结合理论分析，提出解决方案。2014年11月8—9日，在肇庆换流站对012LB 直流滤波器及其不平衡保护进行了各种试验。
本文的试验和分析方法可供今后类似的保护整定研究提供参考。
1 高压直流滤波器及其不平衡保护
高肇、兴安直流输电系统三调谐直流滤波器的电路如图1(a)所示，滤波器的设计参数见表1。
B 两个支路(臂) 高压电容器组C 1由图1(b)的A 、
组成，各臂分别有N 只单元串联。构成C 1的电容器组采用内熔丝单元，单元内部结构如图2所示。电容器单元内部为ps 只元件(element)组成，先p 只元件并联组成并联模块，而后s 个并联模块串联。
302 肖遥等：高压滤波电容器不平衡保护的试验研究 V ol. 4 No. 3
当其中一只元件短路后，同一并联模块中完好元件将通过故障元件放电，将故障元件的熔丝熔断。高肇直流滤波器的N =52、s =21、p =3。
比为50 A/0.5 A；
根据文献[6]的分析，当C 1电容器A 臂有d 个模块短路时，C 1的不平衡电流值为
I d ΔΠ
(3) =
I 2sN −d
Π
而当A 支路n 个并联模块中各有m 只元件隔离(熔丝熔断) 时，不平衡电流为 I −mn ΔΠ
(4) =
I 2(p −m ) sN +mn
Π
(a) 滤波器电路原理图 (b) C1接线图
图1 直流滤波器电路原理图
Fig. 1 Circuit of DC filter 表1 直流滤波器参数
Tab. 1 Parameters of the DC filter
C 1/μF 0.8C 2/μF 4.48C 3/μF 5.81L 1/mH 10.85L 2/mH 10.38L 3/mH 2.06
C 1的不平衡保护有两套同样配置：分别保护屏1和保护屏2。两套保护互为备用，其中任何一套保护动作，均启动跳闸。
根据高肇直流滤波高压电容器的不平衡保护整定说明书，当某单元内部一个并联模块中的元件在m
m =11时，由于剩余完好元件储存的能量不足以熔断第11只元件，该并联模块短路。
已有的保护动作逻辑为 1）动态段。
i ΔΠi
−∫ΔΠ>42.845%, t delay =800ms ，跳闸 (5) i Πi Π
整定式(5)是假定某单元内部一模块在t –1时刻已有10个元件的熔丝熔断(n =1，m =10)，在t 时刻第11个元件故障导致整个模块短路时(d =1)的不平衡电流
(a) 完好的 (b) 部分内熔丝吹断
t t −1⎤−(i /i ) (i /i ) 突变量Δ(i ΔΠ/i Π) =0.7⎡ΔΠΠΔΠΠ⎣⎦作
为保护整定值。
2）静态段。
图2 内熔丝型电容器单元
Fig. 2 Unit of capacitor with internal fuse
高肇和兴安直流滤波器的高压电容器C 1不平衡保护通过检测图1(b)中两臂的电流互感器T A 和T B 的电流来判断电容器组的状态。图1(b)电容器组不平衡电流保护的判别式，通过检测两臂电流的
=I −I 与“和流”I =I +I 之比“差流”I 进行判断：
ΔΠ[6]
A
B
Π
A
B
i ΔΠ
∫i Π>67.961%, t delay =800ms ，跳闸 (6)
整定式(6)是假定某电容器单元短路(d =3)时的不平衡电流0.7(i ΔΠ/i Π) 作为整定值。
2 直流滤波电容器组的不平衡试验
2.1 滤波器的调谐特性试验
本试验目的是确定滤波器故障条件下的失谐度，试验结果将作为调整保护整定值的依据之一。
直流滤波器3个调谐频率在25 ℃的设计值为
−I I I C −C B ΔΠA B
==A (1) +I +I I C C ΠA B A B
与之相应的二次电流判据则为
k −I i ΔΠI A A B B
(2) =
k +I i I
Π
A
A
B
B
式中：k A 和k B 是T A 和T B 两个支路电流互感器的变
比；i ΔΠ是两支路的二次电流之差，其绕组变比为50 A/50 A；i Π是两支路的二次电流之和，其绕组变
600、1 200、1 800 Hz。试验方法：将构成C 1的一
个臂分别短接不同数量的电容器单元，然后通过调谐试验观察其失谐度。表2是调谐试验结果，测量时的环境温度为24 ℃，非常接近于设计温度。滤波器无故障条件下的调谐频率失谐度(与设计值的
第4卷 第3期 智 能 电 网
303
偏差) 在0.6%范围内，在单臂支路有2只单元短路条件下的失谐度达到1%。因此将高压电容器的不平衡保护跳闸值设置为两单元短路可行。
表2 肇庆换流站直流滤波器调谐特性试验(环境温度24 )℃ Tab. 2 Test for tuning characteristic of the DC filter at
Zhaoqing converter station (t =24℃)
短路 单元数 桥臂 平衡
谐振点
实测调谐频率/Hz
阻抗值/Ω
失谐度/%
电流，通过录波器录取两只电流互感器二次绕组的“差流”与“和流”。如果检测到不同频率下两二次绕组的“差流”非常小，则说明两个二次绕组的变流特性基本一致。
谐振点1 596.8 2.078 7 –0.5 谐振点2 谐振点3
1 195.2 1 789.9
2.200 3 1.954 1
–0.4 –0.6
(a) 一次绕组正向串联
谐振点1 595.5 2.073 7 –0.8
1单元
谐振点2 谐振点3
1 193.4 1 787.7
2.204 3 1.989 5
–0.6 –0.7
谐振点1 594.2 2.060 2 –1.0
2单元
谐振点2 谐振点3
1 191.5 1 785.5
2.193 2 2.001 0
–0.7 –0.8
谐振点1 592.9 2.036 8 –1.2
3单元
谐振点2 谐振点3
1 189.4 1 783.3
2.176 2 2.008 7
–0.9 –0.9
(b) 一次绕组反向串联
谐振点1 591.5 2.008 6 –1.4
4单元
谐振点2 谐振点3
1 187.4 1 781.1
2.152 8 2.009 2
–1.1 –1.1
图3 电流互感器注注入变频电流试验接线图
Fig. 3 Wiring diagram of various frequency current
injection tests of current transformers
为了解滤波器在失谐状态下的滤波效率，在滤观察到单臂不波器母线施加600 Hz恒定交流电压，
同数量单元短路的条件下，流过滤波器的电流见表
T A 和T B 电流互感器各有两个用于检测两支路
“和流(+)”的二次绕组1SA 、1SB 、2SA 、2SB ，其变比为50:0.5；两个用于检测两支路“差流(−) ”3SB 、4SA 、4SB ，其变比为50:50。的二次绕组3SA 、
正常接线方式下，二次绕组构成“和流”和“差流”的接线方式见表4。
表4 不平衡电流互感器的接线
Tab. 4 Connection of unbalanced current transformers
一次绕组名称 TA
二次绕组名称
1SA 1SB 2SA 2SB 3SA 3SB 4SA 4SB
二次绕组及其连接方式
连接方式 1S=1SA+1SB 2S=2SA+2SB 3S=3SA−3SB 4S=4SA−4SB
用途 保护屏1的和电流 保护屏2的和电流 保护屏1的差电流 保护屏2的差电流
3。其中在单臂2单元短路条件下，滤波器对12次谐波的滤波效率仍可达52.7%。
表3 直流滤波器C 1故障对12次谐波滤波效率的影响(24 )℃
Tab. 3 Influence of C 1 failure of DC filter upon the filtering efficiency to 12th harmonic (t =24 ℃)
短路单元数 600 Hz 总电流/A
滤波效率(12次)/%
桥臂平衡 10.647 100.0 1单元 7.700 2单元 5.606 52.7 TB 3单元 4.320 48.6 TA 4单元 3.480 32.7 TB
TA
5单元 3.010 29.1
TB
6单元 2.460 23.1
TA
TB
2.2 不平衡电流互感器的平衡特性检查
图1(b)的双臂支路电容器组采用同型号的两只电流互感器。为排除两只电流互感器的变流特性k A 和k B 不一致导致的不平衡保护频繁动作，将一次导电杆分别按图3(a)正向串联和按图3(b)反向串联，然后向电流互感器的一次导电杆注入不同频率的
电流互感器一次导电杆正向串联的注流试验见表5，结果表明两只电流互感器的二次“差流”绕组的变比特性基本一致；一次导电杆反向串联注流试验的结果见表6，此时二次侧的“和流”1S 和
2S 实际上变成了“差流”，结果表明二次“和流”
304 肖遥等：高压滤波电容器不平衡保护的试验研究 V ol. 4 No. 3
绕组的变比特性基本一致。
表5 CT正向串联注流试验结果
Tab. 5 Current injection test results when primary windings of current transformers are connected in series
电流频率/Hz
一次电流/A
二次绕组电流/mA
1S 2S 3S 4S
表7 不平衡电流保护采样电路的滤波性能试验结果 Tab. 7 Filtering performance test results of the sampling
circuit of unbalanced current protection
注入电流频率/Hz
采样值与保护屏注入电流比例/% 保护屏1
保护屏2
700 18.1 18.2 650 83.4 83.4 600 98.8 100.0 550 56.3 56.3 500 8.4 8.5
50 13.862 282 276 5.1 8.1 600 13.596 278 270 5.4 9.4 1 200 1 800
13.508 13.376
278 274
268 264
7.7 6.4
6.7 8.4
表6 CT反向串联注流试验结果
Table 6 Current injection test results when primary windings of current transformers are oppositely
connected in series
电流频率/Hz
一次电流/A
二次绕组电流/mA
1S 2S 3S 4S
通过保护屏输入端子造成保护误动的可能性极低。 2.4 电容器不平衡故障及保护动作特性试验
为模拟滤波器在运行时出现部分电容器单元故障及保护动作行为，除进行单臂部分电容器单元的短路试验外，还模拟电容器内部元件短路。具体方法：
在图600 0.07 2.0 6.1 117.2 115.0 臂600 0.27 2.1 6.7 485.0 474.1
1 200 1 200
5的A 臂或B 臂的单只电容单元(C u =41.6 μF)
以改变其电容量。如图5的A
突然并联附加电容ΔC 600 0.16 2.0 6.4 291.7 285.3
0.42 0.52
3.8 2.1
7.4 6.2
775.6 967.4
757.1 945.2
C u 单元并联ΔC =C u /2后，则相当于该电容器内部
出现一个串联模块短路，使该单元的电容量变为
3C u /2；通过在C u 单元突然并联ΔC =2C u 后，则相当于该电容器内部出现两个串联模块短路，使其电容还可以通过并联其他的电容量的方式，量变为3C u 。
模拟电容器单元内部元件级的不同故障。
2.3 不平衡电流采样电路的滤波特性
高肇直流滤波器C 1的不平衡电流保护系统输入端的“和流”和“差流”均配有带通滤波器，只
允许600 Hz频带附近的电流通过并参与逻辑运算。
为验证保护采样电路的选频性能，排除外界干
扰导致保护动作的可能性，按图4所示的接线，在电流互感器的一次侧注入不平衡电流。注入电流的频率在500~700 Hz区间调节，观察互感器二次电流进入保护系统后的减特性，试验结果见表7。
图5 模拟某单元内部电容元件故障的试验电路 Fig. 5 Test circuit for simulating capacitor element fault
of a unit
图4 保护输入信号的滤波试验电路
Fig. 4 Test circuit for filtering input protective signal
应用变频电源对直流滤波器注入600 Hz电流，参照图5突然改变某单元的电容量，记录不同试验 条件下的不平衡电流i ΔΠ/i Π和保护屏柜的动作信 号。各种故障下的保护动作情况见表8。
当电容器组其中一臂出现某电容器单元内两串模块短路(并联电容量ΔC =83.2 μF) 时，二次不平 衡电流i ΔΠ/i Π大于或者接近于67.961%，保护的动 态段和静态段均动作跳闸。
当A 臂一单元电容量增加ΔC =30.2 μF 时，两套保护的动态段检测到i ΔΠ/i Π−∫(i ΔΠ/i Π) ≥
由表7可知，保护屏的电流检测电路对600 Hz频率附近的电流信号衰减很小，但是对500 Hz以下，700 Hz以上的电流信号衰减很大，这两个频率的信号经过滤波环节后仅仅为输入值的10%左右。
上述试验证实：600 Hz通频带以外的其他频率干扰信号，不能通过电流采样电路耦合进入不平衡保护电流信号的采样判断环节。因此，外部干扰信号
第4卷 第3期 智 能 电 网
305
43.37%，高于整定值而动作；当B 臂一单元的电容量增加ΔC =30.2 μF 时，保护1的动态段检测到 i ΔΠ/i Π−∫(i ΔΠ/i Π) =48.55%而动作，相应的故障
录波图参见图6，而保护屏2的动态段
i ΔΠ/i Π−∫(i ΔΠ/i Π) =44.95%，接近于动作定值没有 动作。该试验结果也与现场保护实际频繁动作的现象相符：其一是现场也只有其中的一套保护动作；其二是不平衡电流的动作值也接近于实际动作值(图7) 。
由于C 1电容器组长期运行后，有部分单元的个别元件熔丝熔断，故表8试验结果中“两臂平衡”初始条件下的不平衡电流并不为0。这也导致A 臂最终的不和B 臂某单元的电容量变化同样数值时，平衡电流并不相等。
表8 直流滤波器注流特性试验数据
Tab. 8 Characteristic test data of current injected into the DC filter
故障情况 两臂平衡 A 臂1单元增加 ΔC =20.8 μF A 臂1单元增加 ΔC =30.2 μF A 臂1单元增加 ΔC =83.2 μF A 臂1单元短路 A 臂2单元短路 A 臂3单元短路 B 臂1单元增加 ΔC =20.8 μF B 臂1单元增加 ΔC =30.2 μF B 臂1单元增加 ΔC =83.2 μF B 臂1单元短路 B 臂2单元短路 B
臂3单元短路
动 动 动
动 95.09 94.05 动 201.00 195.50 动 305.54 297.67
动
动
67.43 64.98
动
未动 40.77 38.98
动 动 动 未动
动 –109.42 –104.67 动 –215.05 –205.13 动 –318.21 –302.56 未动 32.75 31.15
动
动 –75.97 –74.07
动
动 –51.15 –49.71
保护动作情况 保护屏1 未动 未动
保护屏2
(i ΔΠ/i Π) /%
图7 肇庆站012LB 直流滤波器C 1桥臂不平衡保护动作的
录波图
Fig. 7 An actual unbalanced current trace in 012LB DC
filter at Zhaoqing converter station
3 结论
系列试验结果表明：高肇、兴安直流滤波器的不平衡保护频繁动作，不是由于保护回路受到干扰，也不是电流互感器的特性不一致，而是实实在在出现了C 1电容器组的个别电容器故障。而且这种故障具有重复性、间歇性的特征。根据这种现象推测可能的原因是：某电容器内部由于某元件故障使熔丝熔断形成小间隙，在雷雨气象条件下，直流线路或者站内的感应雷过电压的条件下，使放电间隙击穿放电，导致该模块短路，流过C 1电容器组的不平衡电流满足保护的动态段跳闸条件。跳闸后，流过故障元件熔丝的电弧熄灭，事后检查电容器单元均满足电容量偏差不大于2%的规定。
试验表明，现有的保护整定值较小也是导致保护频繁动作跳闸的原因之一。按照试验结果，保护整定值在单臂两单元短路的条件下，滤波器的失谐度仍在1%的允许值内，故可以依照式(1)将C 1不平衡保护的跳闸值整定为单臂两单元故障，即 i ΔΠ/i Π=196%(按照N =52，s =3，d =3计算) ，躲开间歇性故障导致的频繁跳闸现象。
因此现有的不平衡保护动态段按照某并联模块由10个元件开路发展到整个模块短路进行整定并跳闸并没有必要，因为此时滤波器还具备基本的滤波功能，过早跳闸并更换滤波器没有达到物尽其用的原则。
根据本研究结果，肇庆换流站的012LB 、宝安换流站的021LB 直流滤波器的保护动作逻辑已经调整为动态段告警，静态段出口跳闸。
保护屏1 保护屏2
未动 –7.78 –5.97 未动 –40.98 –39.74
图6 C 1桥臂不平衡试验中的录波图 Fig. 6 A trace of i ΔΠ/i Π in C 1 unbalance test
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收稿日期：2015-06-26。 作者简介：
肖遥(1960)，男，硕士，教授级高级工程师，主要长期从事电能质量、HVDC 、电气试验方法研究，[email protected]；
张晋寅(1986)，男，硕士，工程师，主要从事高电压试验技术方法的研究；
杨晓峰(1983)，男，学士，工程师，主要长期从事高压试验研究； 郑伟(1985)，男，硕士，工程师，主要从事直流输电系统控制保护研究工作；
刘畅(1990)，男，硕士，工程师，主要从事电气试验方法研究； 黎建平(1988)，男，硕士，工程师，主要从事电气试验技术研究； 陆春玉(1988)，男，硕士，工程师，主要从事电气试验技术研究。
(编辑 李静)