[科普中国]-交流滤波器

在直流输电系统中，为了滤除直流控制系统产生的谐波以避免对交流输电系统带来不良影响，同时补偿直流控制系统消耗的无功功率，在直流系统运行过程中必须投入一定数量的交流滤波器（必须满足交流滤波器组数最小运行方式）。交流滤波器由电容、电抗和电阻串并联组成。

释义在直流输电系统中，为了滤除直流控制系统产生的谐波以避免对交流输电系统带来不良影响，同时补偿直流控制系统消耗的无功功率，在直流系统运行过程中必须投入一定数量的交流滤波器（必须满足交流滤波器组数最小运行方式）。交流滤波器由电容、电抗和电阻串并联组成。1

交流滤波器的特点连接方式多样化交流滤波器由电阻、电抗和电容串并联组成，为了达到滤除谐波的目的，其中部分电路可能要调谐于某个谐波分量，这种谐振作用会带来谐振过电压或者过电流，因此需要对该部分电流设计特殊的保护，导致了不同的交流滤波器的保护配置不尽相同。1

母线电压波动大交流滤波器母线电压随着投入交流滤波器和并联电抗器的数量发生较大的变化，导致流过交流滤波器的电流不断发生变化，这对电容器不平衡保护、过电流保护、零序过电流保护都带来一定的影响。

谐波电流正常情况下交流滤波器中流过了较大的各次谐波电流，而且随着直流系统的运行工况的变化,这些谐波电流的大小和频率都发生变化，由于谐波电流的发热能力一般比基波要大一些，所以对交流滤波器的过负荷保护会产生一定的影响。

系统特殊工况带来的暂态过程直流系统和交流系统的各种特殊工况可能导致交流滤波器母线电压发生突变，由于交流滤波器中的大量电容器件的充放电过程，可能导致交流滤波器流过很大的冲击电流，有可能在差回路中产生较大的差电流，对差动保护产生一定的影响。1

交流滤波器保护的配置和实现电容器不平衡保护交流滤波器中的最重要组成部分是高端的电容器，它承受了大部分的母线电压，容易在电容器损坏后发生雪崩，造成爆炸。为了有效的保护这些电容器，现场一般把电容器分成四组大小相同的部分，用H型接线连接起来，正常情况下由于四组电容器大小相同,中间的桥接线上没有电流流过，一旦电容器发生击穿或者熔丝熔断等情况之后，桥上就流过了不平衡电流，这样就检测电容器是否发生故障。假设一次系统的电容器损坏之后电容变化了1%，此时由此产生的不平衡电流只有流过整个电容电流的0.25%，所以可以看出电容损坏之后产生的不平衡电流很小，目前现场投运的交流滤波器保护的不平衡动作定值一般为几十毫安到一百多毫安，这就要求保护装置必须对不平衡电流有很高的测量精度，而且不平衡保护在实现过程中还有以下几个难点需要解决：

1）正常投运的交流滤波器中的四组高端电容器不可能完全相同，导致正常情况下可能有较大的不平衡电流流过桥支路，以葛洲坝换流站的低通交流滤波器为例，其高端不平衡保护的动作定值为95mA，但是正常情况下就有89mA的不平衡电流流过桥支路，显然如果不能补偿这个正常情况下的不平衡电流,高端不平衡保护将基本不能实现。

2）母线电压随着系统的运行方式和投入交流滤波器的数量发生变化，导致流过桥支路的不平衡电流随之发生变化，这将影响电容器不平衡保护的灵敏度。

3）电容器的电容值受到很多外部环境参数的影响，例如温度变化等。为了很好的解决以上几个问题，通过深入的理论分析和动模试验，我们采用带有自动补偿方式的稳态不平衡元件和带有浮动门槛的暂态不平衡元件共同构成交流滤波器的电容器不平衡保护，它既能提高不平衡保护动作的灵敏度，又能保证在各种复杂的系统运行方式情况下不误动作。

1、带有自动补偿方式的稳态不平衡元件

在实际投运过程中，交流滤波器的四组高端电容器不尽相同，导致了一个固定的不平衡电流存在，而且这个不平衡电流还随着母线电压的变化而变化，但是该不平衡电流和流过整个电容器的比例是一定的，这样就可以利用这个关系对固有不平衡电流进行补偿：在更换交流滤波器的高端电容器之后的第一次投运时，由运行人员在保护装置的面板上触发一次锁存初始化不平衡保护参数的命令，装置接受到该命令之后，自动的将此时各相不平衡电流和全电容电流的比值和方向记忆下来。

2、带有浮动门槛电流跟踪的暂态不平衡保护

电容器的参数在外界环境参数发生变化的情况下（如温度等）会发生缓慢的变化而产生一定的不平衡电流，为了消除这种不平衡电流对不平衡保护的影响，需要引入带有浮动门槛电流跟踪的暂态不平衡保护，该保护元件可以通过带有浮动门槛的电流跟踪元件跟踪不平衡电流的变化并自动进行补偿。由于采用了以上两个不平衡保护原理大大的提高了不平衡保护的灵敏度，而且不受系统运行方式的影响，在区内区外发生故障之后电容放电引起暂态过程也不会误动，使得不平衡保护的安全性、可靠性与灵敏度同时兼顾。2

谐波过负荷保护对于电力系统的其他元件（如变压器，发电机，电抗器等），一般只考虑工频电流引起的过负荷，因为这些元件中不可能长时间的流过较大谐波电流，但是对于交流滤波器来说，正常情况下流过的谐波电流可能占到基波电流的20%到30%，并且对于电阻和电感元件，频率越高的电流导致的发热更加严重，所以在设计其过负荷保护的时候必须考虑到谐波电流的影响。

差动保护交流滤波器由电容电抗和电阻元件串并联形成，导致其在内部发生接地故障后流过的电流一般变化不大，尤其是经过过渡电阻接地时，差电流很小，这就要求差动保护有很高的灵敏度来检测这些故障。为了提高灵敏度,我们选择交流滤波器的低端电流作为差动保护的制动电流，在区外故障时它等效于（ih+il）/2，保证了较大的制动量，而在区内故障时，它会不同程度的变小，金属性接地时更是会降为零，保证区内故障的快速切除。同时装置中配置了变化量差动保护，提高了区内经过过渡电阻接地时差动保护的灵敏度。1

考虑全电流特性的低端电容器不平衡保护H12/24型交流滤波器的低端电容也被连接成H型接线形式，同样配置了电容器不平衡保护。由于这些电容器的安装位置接近大地，损坏的可能性比较小，这种连接方式中一般只由四个电容组成，这样电容器损坏之后会产生较大的不平衡电流，采用不平衡电流过流的保护的灵敏度上一般没有什么问题，但是有一点值得注意的是由于交流滤波器本身阻抗分配的关系，正常情况下和故障情况下流过低端电容器的电流中主要是特征谐波分量，基波分量很小，所以在实现低端不平衡保护时应该同时考虑基波电流和谐波电流的大小。

低端电容器保护对于滤除3次谐波的HP3型交流滤波器，低端的电容和电抗谐振于50Hz的工频分量，正常情况没有工频电流流过与其并联的电阻支路。由于串联谐振属于电压谐振，导致正常运行过程中，串联支路的电容承受一定的过电压，容易导致电容器损坏，为了防止这种情况，需要配置低端电容器保护，该保护检测与谐振支路并联的电阻上流过的工频电流，其动作方程为：ir>iset。

值得注意的是基于这种原理的低端电容器保护灵敏度比较低，原因是由于滤波器本身的阻抗分配关系导致电容器损坏之后流过电阻支路的工频电流很小，一般一次系统中这个电流也只是毫安级，并且该电阻上还流过大量的谐波电流，需要提取淹没在谐波中这么微弱的工频信号对保护装置来说存在一定困难，同时滤波器参数不可能完全达到设计要求，或者在电力系统频率发生细微变化的情况下，导致谐振回路失谐，正常情况下就有工频电流流过电阻支路，降低了保护的灵敏度。为此灵宝换流站中的HP3滤波器的低端电容器采用了和高端电容器同样的H型接线，通过检测桥上的不平衡电流来判断电容器是否发生故障，保护的原理也采用了高端不平衡保护的保护原理。

其他保护配置1、失谐检测功能

交流滤波器中电容电抗或者电阻值发生变化时可能导致该相失谐，谐波不能通过滤波器，由于不对称给正常的滤波器带来过应力，所以需要配置失谐检测功能来检测滤波器元件早期的细小变化，该功能通过检测交流滤波器低端电流的零序电流来实现。

2、过流和零序过流保护功能

为了防止交流滤波器过电流损坏可以配置过电流保护和零序过流保护，零序过流保护还可以用来保护交流滤波器低压端的接地故障和各相的开路故障。1

本词条内容贡献者为:

胡启洲 - 副教授 - 南京理工大学