任磊
国网山西省电力公司检修分公司 山西省太原市，030000
摘要：不管是在整流状态还是逆变状态，其换流器的运行都需要消耗无功功率，同时产生大量谐波，因此每个换流站都需要安装提供容性无功的交流滤波器组。以某换流站为例，交流滤波器主要有两种：双调谐交流滤波器（A型）和并联电容器（C型），各6组。换流站交流滤波器的作用主要是：（1）维持交流母线电压在设定范围内；（2）滤除由换流器产生的交流侧谐波；（3）提供换流器所需的无功功率。通过定无功功率运行模式或定交流电压运行模式，由直流站控系统自动投退。当直流输电系统满功率运行时，交流滤波器应投入10组（6A+4C/5A+5C),2组冗余，当交流滤波器失去冗余后，任何工况下再发生单一小组交流滤波器跳闸或不可用将导致直流系统限功率的恶劣情况。本文结合具体事例对交流滤波器较为常见的C1不平衡保护跳闸原因进行分析，并提出改善措施。
关键词：换流站；交流滤波；电容器异常
1 交流滤波器C1电容器
目前交流滤波器C1电容器结构大同小异，一般由4个电容桥臂构成H桥，其中I0为不平衡电流测量CT。
电容器的保护主要采用内熔丝保护与交流滤波器不平衡保护相配合。内熔丝保护相当于电容器元件的熔断器，一旦元件击穿，保护该元件的内熔丝在不到1ms的时间内就快速熔断，并将故障元件与其他完好的并联元件、并联单元及系统隔离，使通过击穿元件的电流迅速降为零。交流滤波器不平衡电流保护通过测量电容器组的不平衡电流判断电容器组的运行情况，当电容器故障情况达到一定程度时，可以判断出电容器内部的元件故障程度，启动保护告警信号或跳闸。
某换流站统计了2016年至今的交流滤波器C1不平衡异常事件共16起，见表1。其中4起明确为鸟害引起层间放电跳闸，发生时间为2018年下半年至2019年4月，其特征表象为故障相不平衡计数达到保护系统允许的最大值，其余事件均为单支电容器内元件击穿使容值降低，最终导致C1不平衡电流保护告警或出口跳闸。
2 换流站交流滤波器C1不平衡异常分析
交流滤波器C1不平衡保护作为反映电容器内部故障的主保护，通过获取电容器组的不平衡电流，判断电容器组是否存在故障，当电容器故障情况达到一定程度时，启动保护告警信号或跳闸。
不平衡电流I0的大小与电容器单元的串并联数M、N，电容器单元内部的元件串并联数m、n，故障隔离的元件数k和额定电流IE有关，其中不平衡电流I0与故障隔离元件数k成正比关系，如公式（1）所示，而且k受到元件过电压倍数的限制。
2.1 单支电容器内部元件故障
当单支电容器内部一个电容元件发生故障时，如果故障元件的内熔丝有效熔断，则故障隔离的元件数k为个位数量级，即使内熔丝未能熔断，造成单支电容器（如内部元件为4串14并）内元件其中一并联部分短路，故障隔离的元件数k为14，不平衡电流I0相对较小，如果及时发现C1不平衡告警，在未到达跳闸条件前开展停电检查处理，可以避免跳闸事故，若未能及时发现，剩余的完好的电容器元件将承受更高的电压，可能会引起雪崩效应，最终导致跳闸。
通过TFR故障录波波形分析可知，584交流滤波器B相C1电容器不平衡电流在131ms时刻出现突变，最大值为6A左右，该时刻发生单支电容器元件击穿短路，132ms时刻内熔丝有效熔断，不平衡电流减少，134ms时刻剩余的完好的电容器元件承受了更高的电压而再次击穿短路，最大值为11A左右，后续C1不平衡保护动作出口跳闸。该波形为典型的单支电容器元件故障引起C1不平衡电流突变波形。
2.2 电容器放电故障
电容器典型的放电点有4类，第一类为顶层电容器与顶部母线间短接，第二类为电容器层间短接，第三类为两只电容器出线套管间短接，第四类为电容器套管与钳制电位点间短接。由于目前电容器塔的电容器间连线均使用了带绝缘皮的导线，电容器接头处使用了防鸟罩，故第三类和第四类故障发生的可能性较低，可以忽略。而发生第一类和第二类放电故障，则会导致多支电容器被短路，导致C1不平衡电流瞬间满足保护跳闸条件，出口跳闸。
3 原因分析及改善措施
3.1 单支电容器内部元件故障
单支电容器内部元件故障主要是元件击穿，使电容器容值下降，最终导致C1不平衡电流增大。
运维人员在工作站监盘时应注意交流滤波器C1不平衡电流有无异常增大，不平衡次数有无变化，当出现不平衡次数时，应及时申请停电，对电容器塔桥臂电容值进行测量，若发现单支电容器容值偏低则立即更换处理；运维人员在现场开展巡视工作时，应注重观察电容器外壳是否存在起鼓、渗漏油、膨胀和本体发热的情况，若出现渗漏油则可能引起电容器内部绝缘下降而导致元件击穿，若出现起鼓、膨胀和本体发热，则说明电容器内部已出现故障，以上情况均应立即停电对该电容器进行更换处理。
3.2 电容器放电故障
电容器塔是指由支撑绝缘子及安装在上面的一个或多个电容器台架、台架间绝缘子、台架间连接线等构成的塔式组装体。在电容器塔各部分的爬电距离和电气间隙均满足设计要求下，电容器放电主要是异物搭接引起，特别是鸟类在电容器塔上筑巢时，口叼树枝、铁丝、柴草等物体在电容器塔与层架之间移动，或者是雨天时候在电容器塔内躲雨、活动等行为，导致电容器塔层间绝缘能力降低放电，造成短路。
目前鸟害的防治措施主要有风车式反光防鸟器、声音驱鸟器、超声波驱鸟器、人工鸟巢以及在设备上喷涂阻燃导热高压绝缘涂料，其各有优缺点。
(1）风车式反光防鸟器：装拆方便，后续维护简单，在风力转动下效果好，但无风状态下效果差，而且鸟类会逐渐适应导致该装置后期效果下降；目前市场上一个装置约30元左右，经济性好。
(2）声音驱鸟器：装置驱动不受环境干扰，但后续维护量较大，而且声音容易被鸟类适应，甚至存在召鸟的反效果，对运行人员也造成一定的噪音骚扰；目前市场上一个装置约300～500元，经济性一般。
(3）超声波驱鸟器：性能可靠、效果明显、使用寿命长、鸟类适应期长，对运行人员不会造成噪音骚扰，但一般采用太阳能电池与蓄电池配合使用，后续维护量较大；目前市场上一个装置约500～1000元，经济性一般。
(4）人工鸟巢：装拆方便，后续维护简单，但没有驱鸟效果，概率性引导鸟类活动，不能防止鸟类在设备上活动；目前市场上一个装置约50～100元，经济性较好。
(5）阻燃导热高压绝缘涂料：理论上杜绝层间放电现象，工作状态稳定，后续运维工作基本无，但需要设备停电配合开展施工，工程量大，成本在百万元以上，经济性差。
综合考虑鸟类对驱离手段的适应性以及各类驱鸟装置的优缺点、经济性等方面，建议采用外部驱鸟措施，在交流滤波器围栏四周安装风车式反光防鸟器和超声波驱鸟器，增强设备本身抗外部干扰能力；同时结合巡视工作，观察层间绝缘支柱与塔层间、单层等电位线处，是否有鸟巢、鸟粪、长草、树枝等异物，从而避免由鸟害引起的层间放电故障。
4 结语
交流滤波器的正常运行影响着整个换流站的安全生产工作和直流输电系统的功率传输。本文结合两个事例详细分析了C1电容器不平衡异常的原因及改善措施，建议换流站运维人员应熟练掌握交流滤波器运行的异常分析能力，加强对交流滤波器围栏内设备的巡视工作，及时发现电容器本体异常和鸟害隐患并尽快处理，避免C1电容器不平衡跳闸的风险。
参考文献
[1]赵婉君．高压直流输电工程技术[M]．北京：中国电力出版社，2004.
[2]窦如婷，李豹．换流站交流滤波器C1电容器不平衡保护定值研究[J]．电力电容器与无功补偿．2014,35(6):19-23.
[3]梁天明，李建勋，李志龙．一起交流滤波器电容器非典型故障分析[J]．电力电容器与无功补偿．2015,36(5):41-44.