鄒振球

（日新電機(jī)（無(wú)錫）有限公司，江蘇 無(wú)錫 214112）

高壓并聯(lián)電容器在電力系統(tǒng)中具有補(bǔ)償無(wú)功消耗的功能。但是在其投切過(guò)程中易出現(xiàn)重?fù)舸﹩?wèn)題，如在其未接通狀態(tài)下，電容器電路中無(wú)電流，而在電容器合閘的一瞬間，電網(wǎng)中的電流流入電容器，并且電路此時(shí)的阻抗較小，會(huì)產(chǎn)生較大的合閘涌流現(xiàn)象，進(jìn)而引起電容器電路的重?fù)舸﹩?wèn)題，導(dǎo)致電路上的裝置和設(shè)備被損壞。所以，應(yīng)通過(guò)對(duì)高壓并聯(lián)電容器投切開(kāi)關(guān)重?fù)舸┮种萍夹g(shù)的研究分析，對(duì)合閘涌流或分閘過(guò)電壓進(jìn)行有效抑制，以保護(hù)并聯(lián)電容器的安全可靠運(yùn)行。

1 高壓并聯(lián)電容器投切開(kāi)關(guān)重?fù)舸┊a(chǎn)生的原因分析

高壓并聯(lián)電容器投切開(kāi)關(guān)形成重?fù)舸┑脑蜉^多，如開(kāi)關(guān)斷路器切除電容器形成過(guò)電壓、電容器合閘形成涌流等，導(dǎo)致斷路器或是電容器被過(guò)電壓電流擊穿。電容器在投切過(guò)程中形成過(guò)大的合閘涌流，或過(guò)高的分閘過(guò)電壓等，均會(huì)對(duì)斷路器產(chǎn)生重?fù)舸?，并且在擊穿后電壓還會(huì)增加，對(duì)于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響。所以針對(duì)合閘涌流與分閘過(guò)電壓產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，為投切開(kāi)關(guān)重?fù)舸┮种萍夹g(shù)的運(yùn)用提供參考。

1.1 合閘涌流原因

高壓并聯(lián)電容器在接入電網(wǎng)后，與斷路器一起形成單相等效電路，斷路器投切電容器單相等效電路如圖1所示。圖1中的u（t）為電源電壓，i（t）為電流，BRK為斷路器，R為電阻，L為整個(gè)電路的總電感，C為電容。電源電壓u（t）=Umsin（wt+θ），根據(jù)等效電路圖確定單相電容器投入電力系統(tǒng)后的回路電壓方程式如下

圖1 斷路器投切電容器單相等效電路圖

式中：Um為電源電壓正弦穩(wěn)態(tài)的峰值；w為正弦穩(wěn)態(tài)角頻率；θ為初相角；uc（t）為電容電壓；i（0+）與uc（0+）分別為斷路器閉合的電流初始值與電容器兩端電壓初始值，通過(guò)求解微分方程，獲取回路電容電壓與電容電流公式后，進(jìn)行電容合閘涌流的計(jì)算，在不考慮電阻R的情況下，假設(shè)I0=0，最終獲取電容電流公式

式中：wn是暫態(tài)分量；Imcos（wt+θ）為穩(wěn)態(tài)分量，兩者相加得到了電容器電流，即是單相電容器在投入系統(tǒng)后產(chǎn)生的合閘涌流，根據(jù)以上公式可以看出，與產(chǎn)生合閘涌流相關(guān)的電路參數(shù)有θ、U0與時(shí)間t。

1.2 分閘過(guò)電壓原因

在高壓電網(wǎng)中多個(gè)電容器并聯(lián)組成電路，如圖2所示，每個(gè)單相電容器（C1、C2、C3）都有各自的三相交流電源電壓（uA、uB、uC）、總電感（L1、L2、L3）、斷路器（A與A1，B與B1、C與C1），N為中性點(diǎn)，CN為中性點(diǎn)N的對(duì)地雜散電容，對(duì)地雜散電容跨接在線路與地之間，在單相電容器失效后，對(duì)地雜散電容具有保護(hù)作用，不會(huì)引發(fā)電擊風(fēng)險(xiǎn)，其中三相交流電源電壓計(jì)算公式如下

圖2 高壓并聯(lián)電容器電路

（1）在電容器正常分閘時(shí)，t=0，uA（t）=Um為最大電壓值，B與C相獲取uB、uC電源，當(dāng)uB（t）與uC（t）為最大值時(shí)，B和C相為切斷狀態(tài)，電容器的電壓穩(wěn)定。因此，在電路正常運(yùn)行狀態(tài)下，電容器分閘正常，不會(huì)形成過(guò)電壓。

（2）分閘重?fù)舸?，在A相t=10 ms時(shí)，分閘處于半工頻狀態(tài)，A相斷路器觸頭恢復(fù)電壓峰值會(huì)產(chǎn)生重?fù)舸﹩?wèn)題。主要是因?yàn)殡娐分械碾妷杭性贑N上，在A相遭到重?fù)舸┖?，其極間電壓變化較小，增加了N對(duì)地電壓，B相與C相對(duì)地電壓與斷路器電壓重新分布，受到A相重?fù)舸┑臓窟B，恢復(fù)電壓一旦超過(guò)電容器抗沖擊能力，則會(huì)損壞電路上的電器設(shè)備。此外，電路上的斷路器在發(fā)生切除動(dòng)作后，有形成二次重?fù)舸┑目赡?，致使過(guò)電壓大幅度增加，從而進(jìn)一步的擴(kuò)大重?fù)舸┯绊懛秶?，?duì)電力系統(tǒng)及電力設(shè)備產(chǎn)生較大的危害。

2 重?fù)舸┮种祁A(yù)充電裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中應(yīng)用真空斷路器投切電容器發(fā)生合閘涌流后，過(guò)大的電流會(huì)損壞電路上的設(shè)備，尤其是斷路器上的金屬觸頭，在燒蝕后引起觸頭接觸不良，電場(chǎng)分布不均，會(huì)形成更高的電流，使斷路器在切除電容器時(shí)形成過(guò)大電壓，最終由合閘涌流引起重?fù)舸６陔娙萜魃习惭b預(yù)充電裝置，在電路合閘之前，完成三相電路中某個(gè)或幾個(gè)電容器充電，使投切開(kāi)關(guān)在合閘后暫態(tài)分量最小，三相電路中的電流直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，形成對(duì)合閘涌流的抑制作用。

2.1 預(yù)充電抑制思路

并聯(lián)電容器在電力系統(tǒng)中進(jìn)行投切動(dòng)作時(shí)，電容器的U0=0，線路中阻抗較小，而處于并聯(lián)的三相電容隨機(jī)合閘，那么電源電壓也是隨機(jī)的，從而形成了合閘涌流。例如，在高壓系統(tǒng)中，并聯(lián)三相電容電路中性點(diǎn)作接地處理，電源設(shè)置消弧線圈，然后再進(jìn)行接地處理。本文基于高壓條件進(jìn)行電容器的預(yù)充電，在電容器做合閘動(dòng)作時(shí)，借助電容器中的電流消減合閘涌流，將涌流控制在安全范圍內(nèi)，以形成對(duì)投切開(kāi)關(guān)重?fù)舸┑囊种菩Ч?。較為理想的抑制效果是在電源電壓增長(zhǎng)至峰值的一半時(shí)，進(jìn)行電容器合閘動(dòng)作，使合閘時(shí)的電流為0，電路中的電流正弦增長(zhǎng)，電流不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)，也就不會(huì)產(chǎn)生電容器投切合閘涌流的重?fù)舸﹩?wèn)題。

2.2 預(yù)充電方案設(shè)計(jì)

2.2.1 確定預(yù)充電時(shí)刻

基于上文高壓并聯(lián)電容器投切開(kāi)關(guān)合閘涌流及分閘過(guò)電壓發(fā)生的原因分析，利用電容器投入電力系統(tǒng)后的回路電壓方程與三相電源電壓計(jì)算公式，推導(dǎo)出回路中電容電壓公式如下

式中：K1與K2為系數(shù)；α為衰減系數(shù)；ωn為關(guān)合涌流角頻率；t為時(shí)間；Um為電源電壓峰值；ω為正弦穩(wěn)態(tài)角頻率；e為電源電動(dòng)勢(shì)；φ為電容電壓相位角。結(jié)合上文的電容電流公式ic（t），確定電容器投切開(kāi)關(guān)過(guò)程中與回路電流有關(guān)的參數(shù)有θ、U0與時(shí)間t，當(dāng)回路中的初始電壓U0=Um，θ=90°時(shí)，電容器在合閘后ic（t）=-Imsin（ωt），回路中無(wú)電流沖擊，也就是說(shuō)在電流相角θ為90°的條件下，電容器合閘時(shí)斷路器兩側(cè)電壓差約等于0，回路中電壓穩(wěn)定，不會(huì)形成合閘涌流。所以，在高壓并聯(lián)電容器預(yù)充電抑制解決方案中，在高壓并聯(lián)電容器的回路中設(shè)置預(yù)充電裝置，將斷路器兩側(cè)電壓差控制在接近于0的狀態(tài)，然后在此時(shí)刻合閘，可達(dá)到抑制投切開(kāi)關(guān)重?fù)舸┑男Ч?/p>

2.2.2 高壓并聯(lián)電容器預(yù)充電流程

如圖3所示，在高壓并聯(lián)電容器回路中，電容器C1、C2、C3的線路上分別串聯(lián)了等效電感L1、L2、L3，以及斷路器BRK1、BRK2、BRK3，并且在斷路器上分別并聯(lián)二極管（D1、D2、D3），同時(shí)斷路器與電源（uA、uB、uC）之間串聯(lián)投切開(kāi)關(guān)（S1、S2、S3），用來(lái)控制二極管投切。在圖3中C1電容器與D1二極管為正聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電源uA給C1充電的目的，而D2和D3則是為反聯(lián)，在給C2與C3充電的同時(shí)，2個(gè)二極管與C1建立通路，以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)高壓并聯(lián)電容器組的預(yù)充電。在電容器投切之前，閉合3個(gè)投切開(kāi)關(guān)，接通3個(gè)二級(jí)管，使電源為電容器充電，至斷路器兩側(cè)電壓差接近0時(shí)電容器合閘，從而避免合閘涌流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖3 高壓并聯(lián)電容器預(yù)充電電路圖

結(jié)合圖3電容器的充電流程，使用投切開(kāi)關(guān)控制二級(jí)管，假設(shè)其通態(tài)電阻等于0，進(jìn)行電容器C1、C2與C3充電電壓（uc1、uc2、uc3）的計(jì)算，具體計(jì)算公式如下

式中：uAB為AB回路的線電壓等效電壓源；UAC為AC回路電壓源。在高壓并聯(lián)電容器充電后，uc1是和的1/2倍，且當(dāng)在充電的1/4周期時(shí)，BC回路電壓相等，所以將此刻確定為充電初始時(shí)刻，即高壓并聯(lián)電容的合閘時(shí)刻，線路中3個(gè)斷路器兩側(cè)電壓差接近0，電容器在此時(shí)投切最為安全，實(shí)現(xiàn)對(duì)合閘涌流的有效抑制。

3 重?fù)舸┮种朴苛饕种破鞯脑O(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 涌流抑制器應(yīng)用思路

在高壓并聯(lián)電容器的第三繞組與電源之間設(shè)置涌流抑制器（二階欠阻尼電路與分壓器），在接通回路的電源后先給第三繞組通電，穩(wěn)定回路上變壓器的交變磁通，使電容器各個(gè)繞組的相位保持一致，以形成對(duì)合閘涌流的抑制。交變磁通ψ2=-Φmcos（ωt+α），式中：α為合閘角；Φm為勵(lì)磁電感；ω為電容器電抗值；t為電容器運(yùn)行時(shí)間。假設(shè)電容器有功功率損耗為0，接通回路電源后中：u為電容器電源側(cè)電壓；Um為分閘線圈帶電信號(hào)；d為合閘時(shí)電容器瞬時(shí)鐵心損耗；dt為一次側(cè)電感；ψ為鐵芯磁鏈；C為電容值。基于鐵芯磁鏈保持守恒公式-Φmcos（ωt+α）|t=t0+C=cos（ωt+α），在初始運(yùn)行時(shí)間t=t0的條件下，ψ=C=0。利用以上公式進(jìn)行推測(cè)，在高壓并聯(lián)電容器完成合閘后，在任意時(shí)間將第三繞組切除，電容器仍然能保持穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

3.2 涌流抑制器抑制方案

在高壓并聯(lián)電容器的第三繞組上接入涌流抑制器，通過(guò)調(diào)整二階欠阻尼電路的阻尼比，形成對(duì)回路中的電壓頻率與相位的控制，以消除電容器合閘涌流。使用輸入電壓源公式與二階欠阻尼期望電壓公式為，式中：T為時(shí)間常數(shù)；并采取輸入與輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換為Umω以此計(jì)算出二階欠阻尼的傳遞函數(shù)為H（s）=U0（s）/Ui（s），同時(shí)設(shè)定α的變化區(qū)間，αmin≤α≤αmax，amin=0，amax=2π，式中：αmin為最小合閘角，αmax為最大合閘角，帶入輸入輸出信號(hào)公式簡(jiǎn)化后通過(guò)公式推導(dǎo)可以確定，增加時(shí)間常數(shù)T，對(duì)α合閘角不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，可維持第三繞組升壓的穩(wěn)定性，電壓頻率波動(dòng)較小，那么鐵芯磁通變化處于穩(wěn)態(tài)，也就不會(huì)形成過(guò)大的合閘涌流?；谝陨戏治?，在抑制高壓并聯(lián)電容器合閘涌流過(guò)程中，需要準(zhǔn)確選擇電容、電感與電阻等，以明確電容器涌流抑制的控制特性。具體公式為式中：U2N為電容器二相繞組額定電容值；U3N為三相繞組額定電容值；R1、R2為電阻，L為電感、T為時(shí)間常數(shù)。

3.3 涌流抑制器合閘參數(shù)

使用并聯(lián)電容器電壓開(kāi)路計(jì)算公式UD=，式中：UD為并聯(lián)電容器開(kāi)路電壓；UT為高壓并聯(lián)電容器回路上變壓器一次側(cè)電壓值；Il為最大功率電流；m為電容器電路調(diào)制度；A為電路電流；ωf為轉(zhuǎn)速；Lm1與Lm2為電感值。在電容器最大功率條件下，電路調(diào)制度m與UD成反比，m越小UD越大，那么在電容器合閘時(shí)，可承受的涌流也就越高。如果電容器處于最小功率條件，直流電壓小，m為最大值，電容器最低開(kāi)路電壓計(jì)算公式為在高壓并聯(lián)電容器運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，一般輸出頻率在48.5～50.5 Hz，結(jié)合電容器的最大與最小電壓，繪制出合閘區(qū)域圖，如圖4所示。

圖4 高壓并聯(lián)電容器合閘區(qū)域

在高壓并聯(lián)電容器串聯(lián)繼電器BRK1與BRK2閉合狀態(tài)下，進(jìn)行電壓值與頻率的檢測(cè)，如果檢測(cè)值處于圖4的陰影區(qū)，則高壓并聯(lián)電路運(yùn)行正常，可以接通BRK3，不會(huì)形成過(guò)大的涌流。如果檢測(cè)值不在陰影區(qū)域，則斷開(kāi)繼電器BRK1與BRK2，不進(jìn)行電容器合閘動(dòng)作。此外，在繼電器BRK1與BRK2閉合后，檢測(cè)電容器的輸出電壓正常，可適當(dāng)增加T值，延長(zhǎng)電容器穩(wěn)定電壓的時(shí)間，可選用多個(gè)T值進(jìn)行調(diào)試，直至涌流抑制效果最佳。

3.4 涌流抑制器應(yīng)用流程

為了保證涌流抑制器的應(yīng)用效果，在高壓并聯(lián)電容器不同時(shí)期合閘時(shí)，進(jìn)行合閘時(shí)序的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，在電路接通伊始，高壓并聯(lián)電容器升壓瞬間，采用復(fù)位操作斷開(kāi)并聯(lián)電容器的繼電器。使并聯(lián)電路上的各個(gè)裝置完成初始化；在電容器投切完成后，待機(jī)狀態(tài)下檢測(cè)其直流電壓。如果電壓值不在高限值與低限值的范圍內(nèi)，重新調(diào)整電容器進(jìn)入初始狀態(tài)。如果直流電壓值在正常值范圍內(nèi)，閉合繼電器BRK1與BRK2并檢測(cè)電容器輸出電壓與頻率，同時(shí)增加T值，再進(jìn)行電壓與頻率檢測(cè)，如果兩次檢測(cè)結(jié)果正常，就可閉合繼電器BRK3，以實(shí)現(xiàn)高壓并聯(lián)電容器的安全投切。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性有著較高的要求，高壓并聯(lián)電容器作為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障機(jī)制，具有改善供電質(zhì)量的作用。但是由于在其投切開(kāi)關(guān)過(guò)程中，出現(xiàn)合閘時(shí)的涌流現(xiàn)象，使電容器電路上的電流瞬間增加，或者是斷路器分閘時(shí)，電容器兩側(cè)殘留電壓過(guò)高，導(dǎo)致電路發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象，使斷路器及電容器被損壞，進(jìn)而危及到電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。所以，本文通過(guò)重?fù)舸┊a(chǎn)生原因的分析，查找重?fù)舸┑某梢?，并在高壓并?lián)電容器的電路上接入抑制重?fù)舸┑念A(yù)充電裝置與涌流抑制器，切實(shí)地解決電容器投切開(kāi)關(guān)的重?fù)舸╇[患，充分發(fā)揮出高壓并聯(lián)電容器的作用，保障電力系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定的運(yùn)行。