交流濾波器

在直流輸電系統中，為了濾除直流控制系統產生的諧波以避免對交流輸電系統帶來不良影響，同時補償直流控制系統消耗的無功功率，在直流系統運行過程中必須投入一定數量的交流濾波器（必須滿足交流濾波器組數最小運行方式）。交流濾波器由電容、電抗和電阻串並聯組成。

基本介紹

• 中文名：交流濾波器
• 外文名：AC filter
• 功能：高壓換流站的一個重要組成部分
• 用途1：補償直流換流器消耗的無功功率
• 用途2：濾除和減少換流過程中產生的諧波
• 用途3：調節交流母線電壓

釋義

在直流輸電系統中，為了濾除直流控制系統產生的諧波以避免對交流輸電系統帶來不良影響，同時補償直流控制系統消耗的無功功率，在直流系統運行過程中必須投入一定數量的交流濾波器（必須滿足交流濾波器組數最小運行方式）。交流濾波器由電容、電抗和電阻串並聯組成。

交流濾波器的特點

連線方式多樣化

交流濾波器由電阻、電抗和電容串並聯組成，為了達到濾除諧波的目的，其中部分電路可能要調諧於某個諧波分量，這種諧振作用會帶來諧振過電壓或者過電流，因此需要對該部分電流設計特殊的保護，導致了不同的交流濾波器的保護配置不盡相同。

母線電壓波動大

交流濾波器母線電壓隨著投入交流濾波器和並聯電抗器的數量發生較大的變化，導致流過交流濾波器的電流不斷發生變化，這對電容器不平衡保護、過電流保護、零序過電流保護都帶來一定的影響。

諧波電流

正常情況下交流濾波器中流過了較大的各次諧波電流，而且隨著直流系統的運行工況的變化,這些諧波電流的大小和頻率都發生變化，由於諧波電流的發熱能力一般比基波要大一些，所以對交流濾波器的過負荷保護會產生一定的影響。

系統特殊工況帶來的暫態過程

直流系統和交流系統的各種特殊工況可能導致交流濾波器母線電壓發生突變，由於交流濾波器中的大量電容器件的充放電過程，可能導致交流濾波器流過很大的衝擊電流，有可能在差迴路中產生較大的差電流，對差動保護產生一定的影響。

交流濾波器保護的配置和實現

電容器不平衡保護

交流濾波器中的最重要組成部分是高端的電容器，它承受了大部分的母線電壓，容易在電容器損壞後發生雪崩，造成爆炸。為了有效的保護這些電容器，現場一般把電容器分成四組大小相同的部分，用H型接線連線起來，正常情況下由於四組電容器大小相同,中間的橋接線上沒有電流流過，一旦電容器發生擊穿或者熔絲熔斷等情況之後，橋上就流過了不平衡電流，這樣就檢測電容器是否發生故障。假設一次系統的電容器損壞之後電容變化了1%，此時由此產生的不平衡電流只有流過整個電容電流的0.25%，所以可以看出電容損壞之後產生的不平衡電流很小，目前現場投運的交流濾波器保護的不平衡動作定值一般為幾十毫安到一百多毫安，這就要求保護裝置必須對不平衡電流有很高的測量精度，而且不平衡保護在實現過程中還有以下幾個難點需要解決：

1）正常投運的交流濾波器中的四組高端電容器不可能完全相同，導致正常情況下可能有較大的不平衡電流流過橋支路，以葛洲壩換流站的低通交流濾波器為例，其高端不平衡保護的動作定值為95mA，但是正常情況下就有89mA的不平衡電流流過橋支路，顯然如果不能補償這個正常情況下的不平衡電流,高端不平衡保護將基本不能實現。

2）母線電壓隨著系統的運行方式和投入交流濾波器的數量發生變化，導致流過橋支路的不平衡電流隨之發生變化，這將影響電容器不平衡保護的靈敏度。

3）電容器的電容值受到很多外部環境參數的影響，例如溫度變化等。為了很好的解決以上幾個問題，通過深入的理論分析和動模試驗，我們採用帶有自動補償方式的穩態不平衡元件和帶有浮動門檻的暫態不平衡元件共同構成交流濾波器的電容器不平衡保護，它既能提高不平衡保護動作的靈敏度，又能保證在各種複雜的系統運行方式情況下不誤動作。

1、帶有自動補償方式的穩態不平衡元件

在實際投運過程中，交流濾波器的四組高端電容器不盡相同，導致了一個固定的不平衡電流存在，而且這個不平衡電流還隨著母線電壓的變化而變化，但是該不平衡電流和流過整個電容器的比例是一定的，這樣就可以利用這個關係對固有不平衡電流進行補償：在更換交流濾波器的高端電容器之後的第一次投運時，由運行人員在保護裝置的面板上觸發一次鎖存初始化不平衡保護參數的命令，裝置接受到該命令之後，自動的將此時各相不平衡電流和全電容電流的比值和方向記憶下來。

2、帶有浮動門檻電流跟蹤的暫態不平衡保護

電容器的參數在外界環境參數發生變化的情況下（如溫度等）會發生緩慢的變化而產生一定的不平衡電流，為了消除這種不平衡電流對不平衡保護的影響，需要引入帶有浮動門檻電流跟蹤的暫態不平衡保護，該保護元件可以通過帶有浮動門檻的電流跟蹤元件跟蹤不平衡電流的變化並自動進行補償。由於採用了以上兩個不平衡保護原理大大的提高了不平衡保護的靈敏度，而且不受系統運行方式的影響，在區內區外發生故障之後電容放電引起暫態過程也不會誤動，使得不平衡保護的安全性、可靠性與靈敏度同時兼顧。

諧波過負荷保護

對於電力系統的其他元件（如變壓器，發電機，電抗器等），一般只考慮工頻電流引起的過負荷，因為這些元件中不可能長時間的流過較大諧波電流，但是對於交流濾波器來說，正常情況下流過的諧波電流可能占到基波電流的20%到30%，並且對於電阻和電感元件，頻率越高的電流導致的發熱更加嚴重，所以在設計其過負荷保護的時候必須考慮到諧波電流的影響。

差動保護

交流濾波器由電容電抗和電阻元件串並聯形成，導致其在內部發生接地故障後流過的電流一般變化不大，尤其是經過過渡電阻接地時，差電流很小，這就要求差動保護有很高的靈敏度來檢測這些故障。為了提高靈敏度,我們選擇交流濾波器的低端電流作為差動保護的制動電流，在區外故障時它等效於（i_h+i_l）/2，保證了較大的制動量，而在區內故障時，它會不同程度的變小，金屬性接地時更是會降為零，保證區內故障的快速切除。同時裝置中配置了變化量差動保護，提高了區內經過過渡電阻接地時差動保護的靈敏度。

考慮全電流特性的低端電容器不平衡保護

H12/24型交流濾波器的低端電容也被連線成H型接線形式，同樣配置了電容器不平衡保護。由於這些電容器的安裝位置接近大地，損壞的可能性比較小，這種連線方式中一般只由四個電容組成，這樣電容器損壞之後會產生較大的不平衡電流，採用不平衡電流過流的保護的靈敏度上一般沒有什麼問題，但是有一點值得注意的是由於交流濾波器本身阻抗分配的關係，正常情況下和故障情況下流過低端電容器的電流中主要是特徵諧波分量，基波分量很小，所以在實現低端不平衡保護時應該同時考慮基波電流和諧波電流的大小。

低端電容器保護

對於濾除3次諧波的HP3型交流濾波器，低端的電容和電抗諧振於50Hz的工頻分量，正常情況沒有工頻電流流過與其並聯的電阻支路。由於串聯諧振屬於電壓諧振，導致正常運行過程中，串聯支路的電容承受一定的過電壓，容易導致電容器損壞，為了防止這種情況，需要配置低端電容器保護，該保護檢測與諧振支路並聯的電阻上流過的工頻電流，其動作方程為：i_r>i_set。

值得注意的是基於這種原理的低端電容器保護靈敏度比較低，原因是由於濾波器本身的阻抗分配關係導致電容器損壞之後流過電阻支路的工頻電流很小，一般一次系統中這個電流也只是毫安級，並且該電阻上還流過大量的諧波電流，需要提取淹沒在諧波中這么微弱的工頻信號對保護裝置來說存在一定困難，同時濾波器參數不可能完全達到設計要求，或者在電力系統頻率發生細微變化的情況下，導致諧振迴路失諧，正常情況下就有工頻電流流過電阻支路，降低了保護的靈敏度。為此靈寶換流站中的HP3濾波器的低端電容器採用了和高端電容器同樣的H型接線，通過檢測橋上的不平衡電流來判斷電容器是否發生故障，保護的原理也採用了高端不平衡保護的保護原理。

其他保護配置

1、失諧檢測功能

交流濾波器中電容電抗或者電阻值發生變化時可能導致該相失諧，諧波不能通過濾波器，由於不對稱給正常的濾波器帶來過應力，所以需要配置失諧檢測功能來檢測濾波器元件早期的細小變化，該功能通過檢測交流濾波器低端電流的零序電流來實現。

2、過流和零序過流保護功能

為了防止交流濾波器過電流損壞可以配置過電流保護和零序過流保護，零序過流保護還可以用來保護交流濾波器低壓端的接地故障和各相的開路故障。