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        高壓并聯(lián)電容器投切開關重擊穿抑制技術

        2023-02-01 07:45:38鄒振球
        科技創(chuàng)新與應用 2023年2期
        關鍵詞:投切合閘電容器

        鄒振球

        (日新電機(無錫)有限公司,江蘇 無錫 214112)

        高壓并聯(lián)電容器在電力系統(tǒng)中具有補償無功消耗的功能。但是在其投切過程中易出現(xiàn)重擊穿問題,如在其未接通狀態(tài)下,電容器電路中無電流,而在電容器合閘的一瞬間,電網中的電流流入電容器,并且電路此時的阻抗較小,會產生較大的合閘涌流現(xiàn)象,進而引起電容器電路的重擊穿問題,導致電路上的裝置和設備被損壞。所以,應通過對高壓并聯(lián)電容器投切開關重擊穿抑制技術的研究分析,對合閘涌流或分閘過電壓進行有效抑制,以保護并聯(lián)電容器的安全可靠運行。

        1 高壓并聯(lián)電容器投切開關重擊穿產生的原因分析

        高壓并聯(lián)電容器投切開關形成重擊穿的原因較多,如開關斷路器切除電容器形成過電壓、電容器合閘形成涌流等,導致斷路器或是電容器被過電壓電流擊穿。電容器在投切過程中形成過大的合閘涌流,或過高的分閘過電壓等,均會對斷路器產生重擊穿,并且在擊穿后電壓還會增加,對于電力系統(tǒng)的安全運行產生較大的影響。所以針對合閘涌流與分閘過電壓產生原因進行分析,為投切開關重擊穿抑制技術的運用提供參考。

        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,通過求解微分方程,獲取回路電容電壓與電容電流公式后,進行電容合閘涌流的計算,在不考慮電阻R的情況下,假設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)后產生的合閘涌流,根據(jù)以上公式可以看出,與產生合閘涌流相關的電路參數(shù)有θ、U0與時間t。

        1.2 分閘過電壓原因

        在高壓電網中多個電容器并聯(lián)組成電路,如圖2所示,每個單相電容器(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,CN為中性點N的對地雜散電容,對地雜散電容跨接在線路與地之間,在單相電容器失效后,對地雜散電容具有保護作用,不會引發(fā)電擊風險,其中三相交流電源電壓計算公式如下

        圖2 高壓并聯(lián)電容器電路

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

        (2)分閘重擊穿,在A相t=10 ms時,分閘處于半工頻狀態(tài),A相斷路器觸頭恢復電壓峰值會產生重擊穿問題。主要是因為電路中的電壓集中在CN上,在A相遭到重擊穿后,其極間電壓變化較小,增加了N對地電壓,B相與C相對地電壓與斷路器電壓重新分布,受到A相重擊穿的牽連,恢復電壓一旦超過電容器抗沖擊能力,則會損壞電路上的電器設備。此外,電路上的斷路器在發(fā)生切除動作后,有形成二次重擊穿的可能,致使過電壓大幅度增加,從而進一步的擴大重擊穿影響范圍,對電力系統(tǒng)及電力設備產生較大的危害。

        2 重擊穿抑制預充電裝置的設計與應用

        在電力系統(tǒng)中應用真空斷路器投切電容器發(fā)生合閘涌流后,過大的電流會損壞電路上的設備,尤其是斷路器上的金屬觸頭,在燒蝕后引起觸頭接觸不良,電場分布不均,會形成更高的電流,使斷路器在切除電容器時形成過大電壓,最終由合閘涌流引起重擊穿。而在電容器上安裝預充電裝置,在電路合閘之前,完成三相電路中某個或幾個電容器充電,使投切開關在合閘后暫態(tài)分量最小,三相電路中的電流直接進入穩(wěn)態(tài),形成對合閘涌流的抑制作用。

        2.1 預充電抑制思路

        并聯(lián)電容器在電力系統(tǒng)中進行投切動作時,電容器的U0=0,線路中阻抗較小,而處于并聯(lián)的三相電容隨機合閘,那么電源電壓也是隨機的,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作接地處理,電源設置消弧線圈,然后再進行接地處理。本文基于高壓條件進行電容器的預充電,在電容器做合閘動作時,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,以形成對投切開關重擊穿的抑制效果。較為理想的抑制效果是在電源電壓增長至峰值的一半時,進行電容器合閘動作,使合閘時的電流為0,電路中的電流正弦增長,電流不會出現(xiàn)大的波動,也就不會產生電容器投切合閘涌流的重擊穿問題。

        2.2 預充電方案設計

        2.2.1 確定預充電時刻

        基于上文高壓并聯(lián)電容器投切開關合閘涌流及分閘過電壓發(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算公式,推導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為關合涌流角頻率;t為時間;Um為電源電壓峰值;ω為正弦穩(wěn)態(tài)角頻率;e為電源電動勢;φ為電容電壓相位角。結合上文的電容電流公式ic(t),確定電容器投切開關過程中與回路電流有關的參數(shù)有θ、U0與時間t,當回路中的初始電壓U0=Um,θ=90°時,電容器在合閘后ic(t)=-Imsin(ωt),回路中無電流沖擊,也就是說在電流相角θ為90°的條件下,電容器合閘時斷路器兩側電壓差約等于0,回路中電壓穩(wěn)定,不會形成合閘涌流。所以,在高壓并聯(lián)電容器預充電抑制解決方案中,在高壓并聯(lián)電容器的回路中設置預充電裝置,將斷路器兩側電壓差控制在接近于0的狀態(tài),然后在此時刻合閘,可達到抑制投切開關重擊穿的效果。

        2.2.2 高壓并聯(lián)電容器預充電流程

        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),同時斷路器與電源(uA、uB、uC)之間串聯(lián)投切開關(S1、S2、S3),用來控制二極管投切。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,2個二極管與C1建立通路,以此實現(xiàn)整個高壓并聯(lián)電容器組的預充電。在電容器投切之前,閉合3個投切開關,接通3個二級管,使電源為電容器充電,至斷路器兩側電壓差接近0時電容器合閘,從而避免合閘涌流現(xiàn)象的出現(xiàn)。

        圖3 高壓并聯(lián)電容器預充電電路圖

        結合圖3電容器的充電流程,使用投切開關控制二級管,假設其通態(tài)電阻等于0,進行電容器C1、C2與C3充電電壓(uc1、uc2、uc3)的計算,具體計算公式如下

        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,且當在充電的1/4周期時,BC回路電壓相等,所以將此刻確定為充電初始時刻,即高壓并聯(lián)電容的合閘時刻,線路中3個斷路器兩側電壓差接近0,電容器在此時投切最為安全,實現(xiàn)對合閘涌流的有效抑制。

        3 重擊穿抑制涌流抑制器的設計與應用

        3.1 涌流抑制器應用思路

        在高壓并聯(lián)電容器的第三繞組與電源之間設置涌流抑制器(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,使電容器各個繞組的相位保持一致,以形成對合閘涌流的抑制。交變磁通ψ2=-Φmcos(ωt+α),式中:α為合閘角;Φm為勵磁電感;ω為電容器電抗值;t為電容器運行時間。假設電容器有功功率損耗為0,接通回路電源后中:u為電容器電源側電壓;Um為分閘線圈帶電信號;d為合閘時電容器瞬時鐵心損耗;dt為一次側電感;ψ為鐵芯磁鏈;C為電容值?;阼F芯磁鏈保持守恒公式-Φmcos(ωt+α)|t=t0+C=cos(ωt+α),在初始運行時間t=t0的條件下,ψ=C=0。利用以上公式進行推測,在高壓并聯(lián)電容器完成合閘后,在任意時間將第三繞組切除,電容器仍然能保持穩(wěn)態(tài)運行。

        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,通過調整二階欠阻尼電路的阻尼比,形成對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為時間常數(shù);并采取輸入與輸出信號的轉換為Umω以此計算出二階欠阻尼的傳遞函數(shù)為H(s)=U0(s)/Ui(s),同時設定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,帶入輸入輸出信號公式簡化后通過公式推導可以確定,增加時間常數(shù)T,對α合閘角不會產生較大的影響,可維持第三繞組升壓的穩(wěn)定性,電壓頻率波動較小,那么鐵芯磁通變化處于穩(wěn)態(tài),也就不會形成過大的合閘涌流?;谝陨戏治?,在抑制高壓并聯(lián)電容器合閘涌流過程中,需要準確選擇電容、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)電容器電壓開路計算公式UD=,式中:UD為并聯(lián)電容器開路電壓;UT為高壓并聯(lián)電容器回路上變壓器一次側電壓值;Il為最大功率電流;m為電容器電路調制度;A為電路電流;ωf為轉速;Lm1與Lm2為電感值。在電容器最大功率條件下,電路調制度m與UD成反比,m越小UD越大,那么在電容器合閘時,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,電容器最低開路電壓計算公式為在高壓并聯(lián)電容器運行穩(wěn)定的情況下,一般輸出頻率在48.5~50.5 Hz,結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,進行電壓值與頻率的檢測,如果檢測值處于圖4的陰影區(qū),則高壓并聯(lián)電路運行正常,可以接通BRK3,不會形成過大的涌流。如果檢測值不在陰影區(qū)域,則斷開繼電器BRK1與BRK2,不進行電容器合閘動作。此外,在繼電器BRK1與BRK2閉合后,檢測電容器的輸出電壓正常,可適當增加T值,延長電容器穩(wěn)定電壓的時間,可選用多個T值進行調試,直至涌流抑制效果最佳。

        3.4 涌流抑制器應用流程

        為了保證涌流抑制器的應用效果,在高壓并聯(lián)電容器不同時期合閘時,進行合閘時序的準確設計,在電路接通伊始,高壓并聯(lián)電容器升壓瞬間,采用復位操作斷開并聯(lián)電容器的繼電器。使并聯(lián)電路上的各個裝置完成初始化;在電容器投切完成后,待機狀態(tài)下檢測其直流電壓。如果電壓值不在高限值與低限值的范圍內,重新調整電容器進入初始狀態(tài)。如果直流電壓值在正常值范圍內,閉合繼電器BRK1與BRK2并檢測電容器輸出電壓與頻率,同時增加T值,再進行電壓與頻率檢測,如果兩次檢測結果正常,就可閉合繼電器BRK3,以實現(xiàn)高壓并聯(lián)電容器的安全投切。

        4 結束語

        電力系統(tǒng)對于運行的穩(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)安全運行的保障機制,具有改善供電質量的作用。但是由于在其投切開關過程中,出現(xiàn)合閘時的涌流現(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,電容器兩側殘留電壓過高,導致電路發(fā)生重擊穿現(xiàn)象,使斷路器及電容器被損壞,進而危及到電力系統(tǒng)的可靠運行。所以,本文通過重擊穿產生原因的分析,查找重擊穿的成因,并在高壓并聯(lián)電容器的電路上接入抑制重擊穿的預充電裝置與涌流抑制器,切實地解決電容器投切開關的重擊穿隱患,充分發(fā)揮出高壓并聯(lián)電容器的作用,保障電力系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定的運行。

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