相控永磁真空開關關合電容器組控制方案的探討

姚良鑄 王 錚 黃峰銘

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相控永磁真空開關關合電容器組控制方案的探討

姚良鑄 王 錚 黃峰銘

泉州電業局

該文研究應用永磁同步真空開關全新概念的低壓無功補償裝置，嘗試將永磁同步真空開關作為低壓無功補償裝置電容器投切開關元件，實現了對電容器組的同步關合，有效減小電容器組投切引起的過電壓和涌流，從而大大提高了無功補償裝置運行的可靠性和壽命，降低了能耗。

同步 永磁機構 真空開關 無功補償

0 前言

為了提高電力系統的穩定性，抵消系統感性無功功率和提高電壓，減少電能損耗，并聯電容器在各級電力系統中得到廣泛的應用。并聯電容器有一個明顯的特點，那就是隨系統負載情況的變化而頻繁地投入和切除。電容器在投入時將產生很大的過電壓和涌流，這一暫態過程會對電容器組產生沖擊作用從而縮短使用壽命；同時隨著大量電力電子裝置的應用，用戶對電能質量提出了更高的要求，電容器組投入系統時產生的過電壓會導致一些裝置的誤跳閘。電容器組投入時的暫態過程引起了越來越多的重視。為了解決此問題，常用的方法是使用合閘電阻或合閘電感，或在系統電壓的指定相角處投入電容器組，即同步關合技術。由于電容器組投入時的暫態過程與投入時系統電壓的相位密切相關，同步關合技術可以大大減小電容器組投入時的暫態過電壓和涌流。

目前，380V低壓配電系統中在無功補償投切電容器組時利用晶閘管進行選相合閘，但是作為電力電子器件，晶閘管在運行中要消耗功率，同時還產生大量諧波，給電力系統和企業生產帶來危害。而傳統的斷路器操動機構采用彈簧機構和電磁機構，這些機構通常是由復雜的傳動機構組成的機械系統，運動時間分散性大，可控性差、響應速度慢，因而很難實現機械運動的精確控制。而選相合閘技術的關鍵正是動作時間精確，并且要求單極操動，這一點是傳統的操動機構難以勝任的。配永磁操動機構的真空斷路器（接觸器）具有機械部件少、動作時間分散性小、電子操動便于實現各種控制等優點，經進一步改進成單極選相控制，就能實現同步關合。

1 電容器組同步關合基本原理

1.1 電容器關合暫態過程分析

為分析方便，現以單相電容器組為例。圖1(a)為單相電容器的接線圖，G為電源，T為變壓器，電容器組C經斷路器CB1接在母線上。圖1（b）為計算電容器組關合暫態過程的等值電路圖，L為線路及變壓器等值電感。

圖1 單組電容器的接線

根據圖1（b）可列出CB1關合時的電路方程為：

關合時的合閘涌流為

1.2 同步關合基本原理

涌流的峰值為2倍過電流。

當U＝U的情況下進行選相合閘時，1=2=0，合閘過程中高頻暫態電流為零，電容器直接進入穩態運行。因此希望電容器預先充電電壓等于電源電壓峰值，在峰值時投入電容器，這時將是最理想的投入時刻。

2 同步控制策略及實現

2.1 電壓過零合閘策略

通常電容器在投入時刻電容器上的殘余電荷在放電回路的作用下已放完，電壓為零，此時電容器組關合的最佳時刻是在系統電壓過零點時，對于星形中性點接地和不接地以及三角形接法的電容器組來說，控制策略是不一樣的。中性點接地，電容器組投入時，其兩端承受的電壓即是相對地電壓，其最佳控制策略是在每相電壓過零點時相應地投入該相電容器組。在中等電壓等級系統中，并聯電容器組經常采用中性點不接地星形連接方式，此時電容器組投入順序是：在某兩相電壓之差為零時，同時投入該兩相的補償電容器組，此時電容器組中性點電壓為該兩相電壓的平均值，此中性點電壓經過90°（在50Hz系統中為5ms）后將為零，此時也是第三相電壓過零點的時刻，這時投入第三相電容器組，將大大減小過電壓。對于三角形接法的電容器組，其控制策略與星形不接地連接方式類似。

采用電壓過零合閘策略的前提是投入前電容器上的殘壓接近于零，采取該策略關合電容器將不會出現過電壓，涌流最大值不會超過正常運行電流峰值的2倍。

2.2 電壓峰值合閘策略

采用電壓過零的合閘策略可以消除電容器關合產生的過電壓，同時有效抑制關合涌流，但是在關合的過程中仍然會有一個暫態過程。對于那些對用電質量要求比較高且電容器投切比較頻繁的用戶，若這個暫態過程及沖擊涌流對其生產仍有不良影響，則可采取電壓峰值合閘的策略。對于星形中性點接地接法的電容器組，首先將各相電容器預先充電至電壓峰值，然后各相分別在電壓峰值時刻投入，此時流過電容器的電流從零開始按照正弦規律變化，沒有任何暫態現象產生。對于星形中性點不接地以及三角形接法的電容器組實現電壓峰值合閘比較困難，本文沒有進一步的研究。

3 同步關合試驗驗證

對于提出的相控永磁同步開關關合電容器控制策略，本文采用EMTP仿真以及現場關合實驗的方法進行了驗證。

3.1 EMTP仿真

系統模型如圖2所示，變電站變壓器變比為110/6.3kV，容量為25MVA，短路阻抗百分比為10.5%。變電站無功補償電容器組接在低壓側，補償容量為5Mvar，連接方式為星形不接地。用戶變壓器變比6.3/0.4kV，容量600kVA，短路阻抗百分比為6%，用戶負荷300kW，用戶無功補償電容器組連接方式為星形接地，補償容量為150kvar。

圖2 仿真系統示意圖

3.1.1 電壓過零合閘策略仿真

3.1.2 電壓峰值合閘策略仿真

本文對用戶側無功補償電容器采用峰值合閘策略關合進行了仿真。首先將各相無功補償電容器組充電至線路峰值電壓，然后在各相線路電壓峰值時刻投入電容器組。仿真結果如圖5所示，采用電壓峰值合閘策略進行電容器組關合時，電容器沒有過電壓產生，同時流過電容器的電流沒有暫態過程產生，直接進入穩態運行。

圖3 無控制關合電容器組電壓電流波形

圖4 過零合閘控制關合電容器組電壓電流波形

圖5 采用峰值合閘策略關合電容器組電壓電流波形

3.2 現場關合電容器組試驗驗證

圖6 現場關合電容器組電壓電流波形

3.3 關合電容器組控制方案

圖7是三角形接法的電容器組在L2相常接通時，關合電容器組L3相和L1相的控制策略圖。假設電容器組無殘余電荷，電壓為零，系統為50Hz三相交流電。控制器在t1時刻檢測到系統L1相電壓過零，延時5ms到t2時刻，電容器組的L2、L3兩相同電位，這時關合電容器組L3相開關；由于L2相是常接通，此時，電容器組的L2、L3兩相均已導通；再延時5ms到t3時刻，系統L1相電壓再次過零，L2、L3相電壓幅值相等，方向相反，此時L2、L3相電容器組中心（即L1相位置）電壓也為零，這時投入L1相電容器組,這樣就完成電容器組無涌流的投入。圖中紅色曲線為L2、L3相通電后電容器組L1相電位的變化曲線。步驟：

⑴ 時刻t1，檢測到系統L1相電壓過零；

⑵ 時刻t2，電容器組的L2、L3兩相同電位，合L3相開關；

⑶ 時刻t3，系統L1相電壓再次過零，L2、L3相電壓幅值相等，方向相反，此時L2、L3相電容器組中心電壓也為零，合L1相開關。

圖7 L2相常接通，關合L3相和L1相電容器組原理圖

4 結論

電容器組的投切在電力系統中是一個非常頻繁的操作，其引起的暫態過電壓和涌流不僅對系統設備不利，還會引起保護誤動作，使電能質量下降。同步開關技術可以有效減小電容器組投切引起的過電壓和涌流。仿真研究和實際使用表明，同步關合電容器組不僅可以減小系統設備的壓力，而且可以有效減小對用戶的影響。配永磁機構的真空開關，由于其機械部件少，具有動作時間分散性小、電子操動便于靈活實現各種控制策略等優點，很適合做同步開關。

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