基于特高压换流站的交流滤波器典型故障分析

杨剑 王健伟 缪薇

（1.国网江苏省电力有限公司检修分公司 江苏省南京市 210000 2.江都水利工程管理处 江苏省扬州市 225200）

换流器在换流的过程中会在交流侧和直流侧产生谐波电压和谐波电流，目前换流站大多采用12 脉动换流器，对于12 脉动的换流器而言，它在交流侧将产生n=12k±1 次的特征谐波，在直流侧产生n=12k 次特征谐波，如果谐波过大，将会造成发电机和电容过热、使换流器的控制不稳定，对通信系统产生干扰、有时会引起电网中发生局部的谐振过电压等后果。换流站配置交流滤波器有滤除交流侧特定次谐波和向交流侧电网、换流器提供所需无功功率两个任务，其元件包括高低压电容器、电抗器、电阻器、避雷器、电流互感器等。

本文以某换流站为背景，对自投运以来交流滤波器故障情况进行归类汇总，从运行维护的角度出发进行分析，提出一些切实可行的预防措施，有助于在今后提高交流滤波器运行的安全性，进而提高直流输电系统的可靠性，特别是迎峰度夏、迎峰度冬以及特殊保电期间，保证直流负荷传输不会有波动，保护电网的安全稳定运行。

1 交流滤波器配置情况

按照直流输电系统的无功需求以及在交流侧产生的多次谐波的要求，某换流站共配置了两大组共10 小组交流滤波器，其中6 组A 型交流滤波器，主要负责滤除12k±1 次谐波，每组小组交流滤波器容量为245Mvar；4 组B 型交流滤波器，主要负责向系统提供无功，进行无功补偿，每组小组交流滤波器容量为210Mvar。

如图1所示，交流滤波器通过将电阻、电容及电抗采用不同的串并联方式进行组合，一般使用串多并少的接线方式组成不同类型的谐振回路，对对应频次的谐波电流呈低阻抗特性，并将谐波电流引到大地，能够起到滤除谐波的效果。同时由于电抗、电容的存在，电流经过时能产生一定的无功，进而实现无功补偿。

图1：HP12/24 型交流滤波器主接线

在无功控制方式优先级中，绝对最小滤波器是最先要满足的，因为不同的直流功率有不同的无功需求，并且产生的谐波量也不尽相同，为满足绝对最小滤波器要求，无功控制会根据不同的运行工况来对小组交流滤波器进行选择性的投切，确保满足直流系统无功需求并滤除多次谐波保证交流母线电压的稳定。当有多组小组滤波器故障，导致不能满足无功需求，可能导致直流系统降功率运行，如果直流功率降低到最小运行功率，无功还不满足要求，则会导致直流系统闭锁，进而影响直流负荷的电力供应。

2 典型故障分析

某换流站交流滤波器场自投运以来，运行情况总体良好，交流滤波器的一次、二次设备引起故障跳闸达到15 次之多，多种故障原因，一次设备原因居多，下面将详细对每一类故障进行分析。

2.1 电容器故障

如图2所示，电容器是每一小组交流滤波器中数量最多的元件，电容器按照一定方式进行串、并联组成电容器单元，当其中一个电容元件故障后，故障的电容器内部熔丝熔断，与正常设备隔离；当多个电容器故障时，通常会由保护切换故障。C1 电容器是交流滤波器的重要组成部分，比较容易发生电容元件故障。电容器的故障通常表现在内部故障、外部漏油、瓷套破裂、电容器间绝缘降低等方面，故障由于电容器内部故障引起的，结合生产厂家可以发现，电容器自身内部故障主要是和生产工艺有很大关系，不同型号或同一型号不同批次的电容器，也存在很大的区别。

图2：单个电容器单元内部结构图

2.2 端子质量不良

在交流滤波器跳闸故障中，由于端子接触不良、松动造成保护出口使设备强迫停运事件也时常发生，约占10%。在对设备进行检查时发现电流回路端子松动，接触不好，造成CT 测量电流较小或为零，从而达到保护判据出口值，而又没能在保护出口延时内恢复从而导致直接出口；在此类故障中多体现在交流滤波器组高压端CT 回路端子接触不良，后来利用停电检修的机会对交流滤波器保护涉及的CT 回路端子进行了更换，情况有所好转。

2.3 电流互感器故障

换流站交流滤波器在涉及不平衡保护的时候主要使用的是光电流互感器，与传统电磁式电流互感器相比，OCT 具有绝缘性能优良、无暂态磁饱和问题、动态测量范围大、频率范围宽、抗电磁干扰能力强、安全性能好、体积小且重量轻、易与数字设备接口等优点，但在实际使用中，导致OCT 不平衡保护动作，交流滤波器跳闸的故障原因主要分为：鸟害、保偏光纤异常、光纤断裂、光CT 合并单元故障及数据无效等原因。这些原因在其他使用OCT 的换流站交流滤波器小组中也都出现过。

2.4 鸟害

由于特高压站换流站一般选址都比较偏，站周边鸟类数量较多，当鸟类尤其是体型偏大的飞鸟进入交流滤波器场内活动时，容易导致电容器接头间、电容器塔层间绝缘不足，短路发生，从而导致交流滤波器不平衡保护动作。结合某特高压站多年来交流滤波器跳闸事故进行分析，可以从数据上发现鸟害已经成为交流滤波器跳闸的首要事故原因，鸟害影响着设备的安全稳定运行，也可能导致无功控制方式中绝对最小滤波器条件的不满足，从而导致降功率极端情况下可能导致直流闭锁，损失直流负荷，导致电网振动。鸟害主要引起以下3 类放电情况：电容器层间短路、电容器出线套管间接短路、顶层电容器和顶层母线间短路.

2.5 二次设备故障

交流滤波器保护的作用是保护构成交流滤波器的电容器、电抗器和电阻器，对于典型的H 型电容器结构，通常是通过检测中间点的电流而启动电容器的不平衡保护，一次测量元件采集电流电压值传到控制保护系统中，保护系统再通过判据进行判断出口并给出返回值。电子单元作为测量元件的采集装置，经常会发生自身的故障，导致数据采集出线偏差，从而导致保护的误出口。在对多次交流滤波器跳闸事件进行分析发现二次设备故障主要包括保护程序跑死、保护板卡故障、测量板卡故障、主机死机等。

3 预防措施

（1）充分利用停电检修工作，对全站所有电容器涉及的电流电压回路的端子排、电容器瓷套接口、内熔丝以及电容器外壳有无鼓包情况进行全面排查，遇有问题处理或者对问题电容器进行更换；

（2）电容器的电容值测试是判断电容器能否合格的主要依据，换流站可将站内电容器按不同作用进行分类，实行设备分类周期性管理，换流站可根据实际情况，优化电容器预试周期，制定周期性滚动试验计划，及时发现更换不合格电容器。同时，利用OWS 工作站对 C1 电容器的不平衡电流进行监视，结合保护定值进行核算，当不平衡电流已有增大趋势并且即将达到动作值时，可根据现场实际情况报计划申请进行停电处理。另外，结合电容器红外测温，按照《带电设备红外诊断技术应用导则》中对电容器的要求，当发现电容器本体及接头温度异常时立即停电进行更换。

（3）平时通过对电流互感器运行以来的参数进行统计分析，发现参数不正常，及时汇报处理；建议结合停电检修对光纤熔接情况、极性以及保护室内的合并单元进行检验校准；定期检测电流互感器的参数以及绝缘数值，若与出厂存在偏差及时修正或者申请停电进行更换。

（4）通过对多次鸟害故障的分析，可以发现鸟害主要是破坏原有绝缘，导致绝缘降低，从而造成不平衡保护的动作，从这一点出发，我们可以选用具有可靠绝缘防护效果、经久耐用的防鸟罩来保证电容器套管间绝缘正常；在电容器塔接线排上加装绝缘护套，铜绞线尽量做到不裸露；在电容器塔间加装绝缘材料的挡板或者在电容器表面喷涂阻燃导热绝缘涂料，可以从根本上解决绝缘遭到破坏的情况；此外，还可以装设诸如超声波驱鸟装置、激光驱鸟装置、反光风车驱鸟装置、声波驱鸟装置及煤气驱鸟炮等被动防御措施。

（5）可以及时进行程序升级及机箱升级，防止由于不兼容导致程序跑死、主机死机等问题的发生；可以在保护出口的时候增加一个自检确认过程，即让程序自己再次肯定自己的判定结果，随后可继续发出口命令从而响应一次设备根据设定逻辑动作。综合利用后台OWS 的光CT 实时参数表、一体化在线监测等运行分析手段，对二次参数进行监控；结合现场巡视及时发现电子单元、板卡故障，对于偶发的、瞬时复归事件也要及时去现场查看，有问题及时处理，可以有效避免滤波器的跳闸故障。

4 结语

交流滤波器是换流站直流系统的重要组成部分，本文通过对投运以来的典型跳闸故障进行分析，并提出了预防措施，但在维护过程中还有如下问题需要解决：

（1）运行人员周期性会对滤波器进行红外测温，但由于电容塔较高，在红外测温的时候基本都是仰拍，就导致电容器上端的接头存在测温死角，对于轻微的内部故障也不能通过测温及后台参数发现，可通过后期申报项目将现有电容器护套改进为具备红外测温观察孔并可在斜下方测温的类型，解决测温死角的问题，在此之前就需要运行人员更加仔细的周期性关注才能查找到问题。

（2）滤波器场地开阔，鸟类繁多，对于大鸟，双翅展开可以达到30+公分，而电容器塔层与层之间一般间隙只有35 公分，就存在空气间隙太小，达到间隙放电的条件，可以通过增加电容器塔层间距离，来适当降低鸟害的发生概率，但此方法不能从理论上杜绝鸟害；现有驱鸟装置不能做到无死角驱鸟，都是周期性的被动防御，所以更加高效的驱鸟装置也是一个需要解决的问题。

（3）可以在运行人员工作站增加不平衡电流的告警值事件告警以及不平衡电流值的趋势分析图，以便不平衡保护在有增长趋势但还没有达到报警或跳闸值的时候就发现问题，并将该不平衡电流互感器作为重点关注；本着逢停必检的原则，周期性的对光电流互感器等测量元件进行测参、修正等工作。