文雅欽，李凱宇，殷建剛，吳傳奇，李 潭，宋子鍵

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430070；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢430070；3.國網(wǎng)湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢430077；4.國網(wǎng)湖北省電力有限公司鄂州供電公司，湖北 鄂州436000）

0 引言

隨著電力需求越來越大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，為保障電網(wǎng)負(fù)荷波動時的電能質(zhì)量，并聯(lián)電容器組的投切頻率越來越高［1-2］。目前，中、低壓電網(wǎng)常采用真空斷路器進(jìn)行并聯(lián)電容器的投切，然而真空斷路器進(jìn)行并聯(lián)電容器投切時，容易出現(xiàn)合閘涌流及操作過電壓等現(xiàn)象，易導(dǎo)致開關(guān)投切失敗、開關(guān)重燃、電容器故障等，嚴(yán)重時更會造成母線停電故障，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行［3］。

為徹底消除上述問題，相控開關(guān)開始逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)真空斷路器應(yīng)用于10 kV電容器組的投切。文獻(xiàn)［4］論述了斷路器的機(jī)械特性、介質(zhì)絕緣特性以及控制系統(tǒng)精度等幾個關(guān)鍵因素對相控開關(guān)技術(shù)的影響。文獻(xiàn)［5］對基于永磁操動機(jī)構(gòu)和電子控制的真空開關(guān)的控制特性、控制精度和可靠性進(jìn)行了分析。分析表明，電子操動的永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，動作快，操作時間穩(wěn)定，響應(yīng)時間可控，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)在所希望的相位動作，為同步真空開關(guān)的實(shí)現(xiàn)提供了必要的條件。文獻(xiàn)［6］分析了并聯(lián)電容器組的合閘暫態(tài)過程，并采用分相控制的永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器進(jìn)行了合閘試驗(yàn)，證明了相控開關(guān)抑制暫態(tài)過程的可行性。

對比傳統(tǒng)方法，相控開關(guān)技術(shù)能夠有效的改善開關(guān)的運(yùn)行條件，減小滅弧室內(nèi)部及周圍溫度，減輕開關(guān)部件機(jī)械應(yīng)力與觸頭燒蝕，延長觸頭電壽命和設(shè)備維修周期，提高開關(guān)額定關(guān)合開斷能力，有效避免重燃與重?fù)舸?，降低系統(tǒng)的絕緣水平，對提高電網(wǎng)電能質(zhì)量和開關(guān)設(shè)備壽命周期具有重要意義［7］。

1 相控開關(guān)技術(shù)原理

相控開關(guān)工作原理實(shí)際上是以電網(wǎng)電壓或電流為參考信號，根據(jù)負(fù)載無功的類型和分合閘命令時的電網(wǎng)實(shí)時相角，依據(jù)設(shè)定的目標(biāo)相位值，引入特定的延時等待時間，控制斷路器觸頭在理想相位完成電氣關(guān)合或分離，實(shí)現(xiàn)無沖擊的平滑過渡，可以有效地削弱開關(guān)電磁暫態(tài)效應(yīng)。

1.1 相控分閘原理

相控開關(guān)切除電容器組時，理論上期望電容器組切除過程中，經(jīng)過理想燃弧時間后其電流恰好在過零點(diǎn)，即電壓峰值點(diǎn)90°附近，電流過零完成熄弧，且觸頭間距足夠以滿足恢復(fù)電壓要求，以有效避免重燃。因此需依據(jù)理想燃弧時間計(jì)算提前動作量，假設(shè)理想燃弧時間為5 ms，則其對應(yīng)50 Hz系統(tǒng)為90°。相控分閘時序圖如圖1所示。

圖1 相控分閘時序原理圖Fig.1 Schematic diagram of phase control opening sequence

當(dāng)控制器發(fā)出分閘命令，延遲一段時間Td1，經(jīng)過斷路器固有分閘時間Topeing后，斷路器動作，觸頭開始分離；Tarcing為系統(tǒng)理想燃弧時間，在本設(shè)計(jì)中采用5 ms；燃弧時間結(jié)束后，觸頭徹底分離且觸頭間隙能夠承受系統(tǒng)恢復(fù)電壓。

其中，首分相延遲時間Td1計(jì)算公式為：

式（1）中，T為參考電壓信號的周期時間，在工頻時為20 ms；Twait為隨機(jī)分閘指令與系統(tǒng)電壓上一個零點(diǎn)之間的間隔時間；Topeing為斷路器的固有分閘時間，Tc為控制器固有計(jì)算時間。

1.2 相控合閘原理

相控開關(guān)控制電容器投入時，是為了讓觸頭在電壓的目標(biāo)相位關(guān)合，以減少電容器投入操作產(chǎn)生的合閘涌流和過電壓幅值，提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。相控合閘時序圖如圖2所示。

圖2 相控合閘時序原理圖Fig.2 Schematic diagram of phase control closing sequence

當(dāng)控制器在T1時刻收到合閘命令在目標(biāo)相位T3處合閘時，控制器根據(jù)檢測到的前一個過壓零點(diǎn)T0計(jì)算出在目標(biāo)相位T3處合閘所需的延遲時間Td2，當(dāng)延遲時間到后，斷路器開始合閘，經(jīng)過斷路器固有合閘時間Tclsing后，斷路器合閘。

其中，選相合閘延遲時間Td2計(jì)算公式為：

式（2）中，T為參考電壓信號的周期時間，在工頻時為20 ms；Tclswait為隨機(jī)合閘指令與系統(tǒng)電壓上一個零點(diǎn)之間的間隔時間；Tclsing為斷路器的固有合閘時間，Tc為控制器固有計(jì)算時間，Tpre為合閘時預(yù)計(jì)穿時間。

2 相控開關(guān)現(xiàn)場試驗(yàn)

智能相控開關(guān)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由智能選相分合閘裝置、三相分相操作的永磁操動機(jī)構(gòu)等組成。當(dāng)智能選相分合閘裝置接收到分合閘指令后，通過實(shí)時采集母線電壓相位，計(jì)算出相應(yīng)的延遲時間，再將相應(yīng)的分合閘指令傳遞給斷路器機(jī)構(gòu)進(jìn)行分閘操作，從而抑制電容器組投切產(chǎn)生的合閘涌流和操作過電壓。

圖3 相控開關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Phase control switch system structure diagram

2.1 相控投切試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證相控開關(guān)投切電容器組對合閘涌流及過電壓的抑制效果，進(jìn)一步獲取相控斷路器投切10 kV電容器組暫態(tài)數(shù)據(jù)，在省內(nèi)某座變電站內(nèi)進(jìn)行了中壓智能相控斷路器在無功補(bǔ)償回路中的應(yīng)用投切試驗(yàn)。試驗(yàn)方案接線圖如圖4所示，因?qū)嶋H接線時，電容器組串聯(lián)有電抗器，分閘時對涌流和過電壓本有抑制作用，只要分閘時沒有發(fā)生重燃現(xiàn)象，產(chǎn)生過電壓很小，因此，本文重點(diǎn)關(guān)注合閘涌流及合閘過電壓。

如圖4所示，試驗(yàn)方案采用普通開關(guān)和相控開關(guān)串聯(lián)接線方式，試驗(yàn)流程如下：

圖4 試驗(yàn)方案接線圖Fig.4 Experimental scheme wiring diagram

1）相控開關(guān)始終保持合位，用普通開關(guān)進(jìn)行電容器投切，每間隔5 min投切一次開關(guān)，檢查記錄波形結(jié)果有無重燃現(xiàn)象，如無重燃，投切開關(guān)10次后結(jié)束試驗(yàn)；

2）普通開關(guān)始終保持合位，用相控開關(guān)進(jìn)行電容器投切，每間隔5 min投切一次開關(guān)，檢查記錄波形結(jié)果有無重燃現(xiàn)象，如無重燃，投切開關(guān)10次后結(jié)束試驗(yàn)；

3）對比分析不同開關(guān)投切效果。

2.2 投切試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照上述方案進(jìn)行試驗(yàn)，取合閘涌流倍數(shù)及合閘過電壓倍數(shù)三相最大值對比分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比圖分別如圖5所示。

如圖5所示，在采用普通開關(guān)進(jìn)行連續(xù)10次電容器組合閘時，合閘涌流最小為額定電流的3.1倍，最大高達(dá)額定電流6.1倍；而在采用相控開關(guān)進(jìn)行進(jìn)行連續(xù)10次電容器組合閘時，合閘涌流抑制效果良好，10次合閘均能保持涌流在1.2倍額定電流以下。

圖5 合閘涌流對比圖Fig.5 Comparison chart of closing inrush current

如圖6所示，采用普通開關(guān)進(jìn)行電容器組10次合閘操作，合閘過電壓最大為額定電壓的1.71倍；而采用相控開關(guān)進(jìn)行電容器組10次合閘操作，合閘過電壓均能控制在額定電壓的1.17倍以下，抑制效果明顯。

圖6 合閘過電壓對比圖Fig.6 Comparison chart of closing overvoltage

3 相控開關(guān)的現(xiàn)場應(yīng)用分析

為驗(yàn)證相控開關(guān)長期運(yùn)行的可靠性，在試驗(yàn)結(jié)束后，保持試驗(yàn)接線方式不變的情況下將設(shè)備掛網(wǎng)運(yùn)行一段時間后統(tǒng)計(jì)其投切數(shù)據(jù)。由前文分析可知，因?qū)嶋H接線接有電抗器的原因，對過電壓具有抑制作用，以下僅分析相控開關(guān)合電容器組時的涌流運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表1 相控開關(guān)各相合閘涌流數(shù)據(jù)Table 1 Inrush current data of each phase of the phase control switch

根據(jù)該相控開關(guān)長期運(yùn)行時的4次合閘涌流結(jié)果可以看出，各相涌流抑制良好，A相合閘涌流控制在1.69倍以下，B相合閘涌流控制在1.88倍以下，C相合閘涌流控制在1.41倍以下，相控開關(guān)長期運(yùn)行性能穩(wěn)定，抑制效果良好。

4 結(jié)語

本文以省內(nèi)某變電站10 kV電容器組工程改造作為背景，從相控開關(guān)工作原理出發(fā)，系統(tǒng)分析了相控開關(guān)涌流和過電壓抑制思路，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)及長期掛網(wǎng)運(yùn)行，驗(yàn)證了相控開關(guān)相較于傳統(tǒng)真空開關(guān)對涌流及過電壓的抑制優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：

1）現(xiàn)場試驗(yàn)有效驗(yàn)證了相控開關(guān)對合閘涌流及過電壓的明顯抑制效果，合閘涌流均能抑制在1.2倍以下，合閘過電壓均能抑制在1.17倍以下。

2）相控開關(guān)長期運(yùn)行效果良好，各相合閘涌流最大1.88倍，最小僅1.1倍，均在安全范圍內(nèi)。但長期運(yùn)行實(shí)際投切次數(shù)僅4次，樣本數(shù)還較小，且合閘涌流對觸頭燒蝕及絕緣損壞具有累積效應(yīng)，還需將設(shè)備更長時間掛網(wǎng)運(yùn)行后統(tǒng)計(jì)更加詳細(xì)的投切結(jié)果。

3）相控開關(guān)對涌流及過電壓的抑制效果明顯，能有效改善開關(guān)觸頭燒蝕及絕緣損壞的累積效應(yīng)，對提高設(shè)備可靠性，提升電網(wǎng)長期運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。