一種永磁斷路器智能相控系統在變電站并聯電容器組投切中的應用

摘 要：本文介紹了一種由單穩態真空永磁斷路器和分相同步投切控制器組成智能相控系統。對變電站電容器組投切過程產生的合閘涌流及過電壓的情況，分析其對電容器組、斷路器壽命及電網質量的影響，通過對變電站各種開關投切電容器組無功補償方式的技術性能對比分析，進一步說明智能相控系統在變電站并聯電容器組投切中應用的優點。

關鍵詞：永磁斷路器；智能相控系統；過零同步投切

引言

目前變電站電壓無功綜合自動補償成套裝置，電容器組作為重要的無功功率設備，電容器組的投切常常以三相斷路器或者三相真空接觸器作為操作開關，采用這種電容器組投切方式不可避免在電容器合閘時會產生較大涌流，實際測量數據表明：電容的合閘涌流為電容額定電流的4 15倍，其振蕩頻率為250 400Hz，電容合閘產生過電壓約為相電壓的2 3倍。涌流容易對電容器、開關設備等造成損害，嚴重時可能威脅電力設備安全運行。

為了滿足電網發展和電力用戶對高質量、高可靠供電的需求，目前所采用的傳統措施不能從根本上解決問題，于是人們提出了同步（選相控制）投切技術[1-5]，根據不同負載（如并聯電容器組等）的特性，控制開關在電壓或電流的最佳相位完成合閘或分閘，實現無沖擊的平滑過渡，能有效地削弱開關瞬態電磁效應。本文介紹的智能相控系統也是基于電容器組過零同步投切技術，采用可分相操作的永磁真空斷路器及自適應控制技術，在斷口電壓過零時刻投入電容器，在電流過零時刻切除電容器功能，從而實現電容器組在較小涌流和較低過電壓下進行投切。

1 永磁斷路器智能相控系統

1.1 永磁斷路器智能相控系統的組成及特點

智能相控系統由單穩態真空永磁斷路器和分相同步投切控制器兩部分組成。

單穩態真空永磁斷路器通過電磁合閘、永磁保持及彈簧分閘，克服了彈簧操動機構和雙穩態永磁操動機構斷路器各自的不足之處，綜合體現了彈簧操動機構和磁力操動機構與真空滅弧室出力特性的良好配合，具有優異的機械特性及電氣特性。

單穩態真空永磁斷路器采用三相獨立操動、永磁機構與真空滅弧室上下直線布置的操動方式，傳動部件減至最少，降低運動部件動能損耗的離散性，所有機械運動均為直線線性運動，使開關每相均具有較好的機械合性。而傳統彈操機構開關傳動部分零部件多，運動環節長，運動時間分散性大；控制部分無法實現電子控制，無法滿足精確控制合分閘時刻的要求。

分相同步投切控制器是采用現代微電子控制技術，以高性能DSP處理器為平臺，能實時、準確的跟蹤電網相位信息，在接收到就地或遠方控制指令后能自適應補償斷路器的動作時間，并根據電容器組的機構以及真空開關的特性，柔性關合、切斷電容器組。

1.2 與傳統投切技術的比較

目前電容器組常用的四種投切方式：接觸器投切、真空斷路器投切、晶閘管投切及永磁斷路器智能相控系統。傳統的接觸器投切方式和真空斷路器投切方式雖然價格較低，但投切過程會產生很大的涌流及過電壓，可靠性一般，在這兩種方式下電容器壽命會受到嚴重影響，只有3-4年；晶閘管投切過程產生的涌流和過電壓都很小，可靠性高且能實現分相補償，電容器壽命也能維系6-8年，但其最大缺點在于維護費用高，投入過程會產生大量諧波，嚴重影響電網質量；而相比較之下，永磁斷路器智能相控系統投切方式下，能實現分相補償，產生的合閘涌流及操作過電壓值都很小，電容器壽命能維系在10-15年，開關電氣壽命達15萬次，操作可靠性高且不會對電網產生諧波。

由此可見，傳統的斷路器投切方式下，電容器組不能實現過零投切，投切時會產生合閘涌流及操作過電壓，嚴重影響電容器組及斷路器壽命；而永磁斷路器智能相控系統應用于電容器組投切，消除了由于合閘涌流、操作過電壓對系統及電容器等設備造成的危害，從而提高了斷路器的壽命與系統的穩定性。

2 電容器組投切優化

10kV并聯電容器組是一種操作頻繁的電氣設備，需要按電網系統電壓和無功功率的變化進行頻繁投切。而目前10kV以上電網主要采用真空斷路器投切電容器組，由于電容電流與電壓的相角差和斷路器開斷性能的影響，投電容器組時產生的合閘涌流及過電壓，就會對電容器組、電網設備造成影響。合閘涌流和過電壓的影響主要有：使斷路器、電抗器、電容器出現損壞故障；沖擊電力系統其它設備，危害電網安全。

為消除由于合閘涌流、操作過電壓對系統及電容器等設備造成的危害，傳統上一般采用預插電阻、預插固定電抗器、安裝R-C阻容吸收設備、后備氧化鋅避雷器（MOA）等方法來削弱這些暫態過程。但這些方案都并沒有能夠從根本上解決電容器投入過程中的涌流和過電壓問題。智能相控系統的應用則能較好地削弱電容器投入過程的涌流和過電壓現象。圖1是永磁斷路器智能相控系統應用于電容器組的優化方案。方案中，采用可分相控制的永磁機構真空斷路器和智能選相控制單元替代了傳統的彈簧機構真空斷路器，在斷口電壓過零時刻投入電容器，在電流過零時刻切除電容器功能，實現電容器組無涌流和無過電壓投切。

3 模擬試驗

針對永磁斷路器智能相控系統在無功補償領域的應用，在某高壓試驗中心進行了模擬試驗，主要檢測智能相控斷路器投入電容器組時的合閘涌流和電壓過零時間誤差、切除電容器組時分閘過電壓和電壓過零時間誤差。表1列出了試驗品主要技術參數。

表2測試數據表明，用永磁斷路器智能相控系統投入電容器組時最大合閘涌流為149安培，而電容量額定電流峰值為76安培，則最大合閘涌流為1.96倍電容器額定電流峰值，合閘過程電壓過零時間誤差最大值為0.81毫秒，符合要求。

表3測試數據表明，用永磁斷路器智能相控系統投入電容器組時最大分閘過電壓為16603伏特，而電容量額定電壓峰值為8650伏特，則最大分閘過電壓為1.92倍電容器額定電壓峰值，分閘過程電壓過零時間誤差最大值為0.78毫秒，符合要求。由此可見，智能相控系統的應用，能有效地抑制電容器組投切過程產生的合閘涌流和分閘過電壓。

4 結語

永磁斷路器智能相控系統通過分相控制電容器組合分閘的電壓和電流的相角，能夠快速在系統電壓過零時投入電容器組，可極大地減小斷路器動作過程中的暫態過程，實現電容器組過零投切控制；解決了目前無功補償裝置存在的電容器不能分相過零投切，可靠性低，優化性能差，運行不經濟等問題；緩解了由于合閘涌流、操作過電壓對系統及電容器等設備造成的危害，提高斷路器的壽命與系統的穩定性，可以用于變電站中需要電容器組較為頻繁投切的實際需求。

參與文獻

[1]丁富華，鄒積巖，段雄英.采用數字信號處理器的永磁機構同步控制系統[J].電網技術，2005年，（19）：39-44

[2]段雄英，鄒積巖，方春恩等.相控真空開關同步關合電容器組控制策略及其實現[J].大連理工大學學報，2003，43（4）：457-460

[3]段雄英，鄒積巖，顧王驥，鄭安康等.相控真空斷路器同步關合電容器組的研究[J].高壓電器，2003，（4）：28-30

[4]丁富華，段雄英，鄒積巖.基于同步真空斷路器的智能無功補償裝置[J].中國電機工程學報，25（6）：30-35

[5]蘇方春，陳曉寧.同步關合技術及其在并聯電容器組投切中的應用[J].高壓電器，1997，34（5）：38-40.