如何防止交流滤波器内部过电压？

交流滤波器在运行中可能因交流母线故障、电压波动等原因引起滤波器内部电磁暂态过程，产生滤波器内部过电压。交流滤波器内部过电压主要包括交流母线接地短路故障、操作过电压冲击两种典型情况，下面将对上述两种典型滤波器内部过电压的计算方法进行讨论。

16.3.3.1　仿真计算条件

引起交流滤波器内操作过电压的情况主要有两种：滤波器母线接地和操作过电压波冲击。对于这两种过电压的仿真研究，可以单独将滤波器从系统中独立出来进行研究，以下以复龙换流站HP24/36滤波器为例，对这两种情况分析如下：

1）滤波器母线接地故障

交流滤波器HP24/36顶部接地故障示意图如图16-6所示，图中左侧为滤波器模型，模型中LC1为高压电容寄生电感，RL1和RL2为电抗器直流电阻，该电阻值可通过电抗器的品质因数要求求出；右侧为考虑接地故障电感Lx的接地支路模型。当滤波器被充电至一个较高的电位时，滤波器母线发生接地短路故障，此时避雷器F1、电容C1及故障点构成故障回路，F1将承受较高的故障过电压。同时L 1、L 2及R 1回路也会释放C1中储存的能量，引起的滤波器内部振荡过程又会在避雷器F2上产生过电压。

图16-6　复龙换流站HP24/36滤波器顶端接地故障仿真电路图

对于只有一个避雷器F1的复龙站BP11/13、HP3、SC和奉贤站SC滤波器（见本书第15.3.5.6节的交流滤波器部分），只需考虑避雷器F1上的最大过电压，而对于有两个避雷器F1和F2的复龙站HP24/36和奉贤站HP12/24交流滤波器而言，由于这两种避雷器所处的位置不同，其最大过电压计算条件不同，故需要分别考虑两种避雷器的最大过电压条件，以下将对这两种避雷器过电压最大情况分别进行讨论。

（1）避雷器F1

对于避雷器F1而言，其过电压是由于交流母线接地时，C1直接通过F1放电造成的，故接地故障发生时滤波器高压端电容上预充电电压越高，滤波器储存的能量就越多，避雷器F1上产生的过电压就越严重。另外，Lx取值越小，避雷器F1上产生的过电压幅值也越大。

由于避雷器F1上最大过电压波头陡度很陡，更接近于雷电冲击波，故此处所计算的结果应对应雷电冲击保护水平。

该过电压最严酷计算条件如下[1]：

①交流滤波器预充电电压

考虑交流滤波器上电压最大值不超过交流母线避雷器的保护水平，从严考虑预先充电电压取交流母线避雷器操作冲击保护水平（SIPL），即761kV。

②高压端电容寄生电感LC1

根据设备制造经验，ABB公司认为交流滤波器高压端电容器C1的寄生电感可取为50μH。

③Lx取最小值

该故障电感取值主要是交流母线寄生电感。交流滤波器接线端位置一般较高，此处空气间隙较大，一般不易发生接地短路，较易发生接地短路故障的位置一般距交流滤波器10～20m左右，故Lx一般取为接地短路点与直流滤波器高压端电容器C1之间的交流母线寄生电感，再加上其他杂散电感，ABB公司认为该值不小于10μH，此处一般可取值20μH。

④避雷器大小保护特性

计算某避雷器的最大负载时，为从严考虑，该避雷器采用最小保护特性。如果滤波器中还有其他避雷器，为从严考虑，这些避雷器应采用最大保护特性，以减少其分流。

（2）避雷器F2

与避雷器F1不同，该避雷器上过电压是由L 2、C2回路在暂态时振荡产生的，因此避雷器F2上最大过电压计算条件不是Lx取最小，而是Lx取一个处于极小值到极大值（一般其极小值不小于10μH，极大值可取100m H）之间的某一个数，这个数值确定通常需要通过仿真计算逐步试探得到。

F2上出现的最大过电压波头的陡度更接近于操作冲击波（避雷器F1上最大过电压波形更接近于雷电冲击波），故此处所计算的结果应对应操作冲击保护水平。

除Lx取值外，避雷器F2最大过电压计算模型其他条件与避雷器F1相同。

2）操作过电压冲击

交流滤波器内部过电压分析还须考虑交流母线的侵入操作波情况，该仿真示意如图16-7所示。计算中，在交流母线上施加250/2500μs的操作冲击波，从严考虑，取该操作波幅值为交流母线的操作耐受水平761kV。

图16-7　复龙换流站HP24/36滤波器操作过电压波冲击仿真电路图(www.xing528.com)

16.3.3.2　仿真计算结果

1）滤波器母线接地故障

以向家坝—上海±800kV特高压直流工程为例，其交流滤波器内部过电压计算结果如表16-4所示。图16-8中波形为滤波器HP24/36中避雷器F1中通过过电压最大时的过电压、避雷器中流过电流和能量波形。

表16-4　交流滤波器顶端对地短路故障下交流滤波器内避雷器上过电压计算结果

图16-8　复龙换流站HP24/36滤波器顶端接地故障下避雷器F1中过电压及能量波形图

2）操作过电压冲击

对于该过电压工况，一般采用施加250/2500μs的操作冲击波进行仿真，仿真电路图如图16-7所示，仿真计算结果如表16-5所示，可见该过电压下避雷器F1和避雷器F2中流过的能量都比较低。

除直接仿真计算外，对交流滤波器中的避雷器F1（如图15-15、图15-16所示），可通过下式估算其操作波下的动作电流[1，2]。

式中，C为高压滤波器电容（各滤波器该电容值如表15-7、表15-8所示）；d u/d t为电压变化速率；SIPL为交流母线操作冲击保护水平。

表16-5　操作冲击波下交流滤波器内避雷器上过电压计算结果

以复龙换流站的BP11/13滤波器中F1避雷器为例，F1的SIPL取为761kV，则计算如下：

实际上，由于滤波器电感L 1及并联的R 1支路的分流作用，因此通过上式计算得到的动作电流还会有适当的裕度。

根据该简化方法计算出过电压下的动作电流，然后根据避雷器最大伏安特性曲线找出相应避雷器该动作电流下的电压值，即是过电压幅值计算结果。

从仿真方法的计算结果表16-5可以看出，各避雷器在该操作冲击波下的过电压能量都很小。因此，采用简化方法计算滤波器内过电压可以不对能量进行校验，只需计算其过电压幅值，即避雷器最大伏安特性条件下的过电压计算结果。

同理，采用简化方法可以计算得到其他几种滤波器中的避雷器F1的操作过电压结果，如表16-6所示。

表16-6　标准操作冲击电压波下交流滤波器内避雷器上过电压计算结果

16.3.3.3　过电压机理分析

对于这些交流滤波器中的避雷器F1而言，在滤波器母线接地短路故障时，其过电压是由于交流母线接地时，C1直接通过F1放电造成的。

对于HP24/36和HP12/24滤波器中的低压避雷器F2而言，在滤波器母线接地短路故障时，其过电压主要是由于C2和L 2的电磁振荡造成的，过电压最大值情况与F1完全不同。

16.3.3.4　过电压控制保护措施

对于交流滤波器内部过电压，现有特高压直流系统都是采用滤波器内避雷器（F1、F2）直接进行保护，从前面的计算结果可知这些过电压都不严重，采用避雷器后可使交流滤波器得到安全的防护。