無功補償電容器投切用復合開關的技術分析

■李 健 ■江西省電力工程總承包有限公司，江西 南昌 330000

電力系統的負荷和網絡元件是感性的，能夠吸收大量無功功率，導致電力系統電壓下降、無功缺額甚至系統崩潰，為了確保電壓的穩定、保持無功平衡，必須進行無功功率補償。在110kV及以下等級的配電網中，無功補償主要設備時并聯電容器。目前，我國大多數無功補償電容器組使用真空接觸器、斷路器等機械開關進行投切，傳統的機械開關受到分合閘時間和閉合關斷頻率限制，無法實現無功補償裝置的動態調節，容易發生功率因數較低和無功倒送的問題，無法滿足電能質量和動態補償的要求。新型的復合開關具有反映速度快、運行損耗小、可頻繁投切的優勢，適用于無功補償電容器投切。

1 復合開關概述

無功補償電容器投切過程中使用的復合開關技術主要是由無功控制器、旁路開關和晶閘管閥串構成，其中晶閘管閥串是復合開關技術的核心和關鍵，通過晶閘管閥串觸發控制可以隨時實現電容器組的投入和切除;無功控制器能夠根據電流、電壓、無功功率和功率因數等系統參數以及控制目標而發出投切指令;旁路開關通過真空接觸器，能夠持續為電容器提供工作電流。在10kV的電力系統中，電容器投切復合開關的每相閥體都有12個閥串組成，每個閥串單元包含正向、反向晶閘管，靜態、動態均壓回路，監測、觸發回路等，單只晶閘管處于關斷狀態時的不重復耐壓達到6500V。

復合開關的基本思路是通過快速動作的晶閘管對無功補償電容器的投切過程進行控制，實現快速投切，防止接觸器在投切時產生較大的拉弧和沖擊電流，在無功補償投入運行穩定后，通過機械觸點連接電流，避免晶閘管導通耗損。利用復合開關技術投入和切除無功補償電容器的接線方式具有多種優勢:第一，通過兩相開關對三相電容器進行控制，能夠節省一相設備，節約了占地和成本;第二，復合開關承受短路電流的能力較差，在中性點側接入負荷開關，能夠減少通過的短路電流，不會影響使用效果。

2 復合開關工作原理

2．1 基本原理

無功補償電容器投入過程中復合開關的應用流程為:由電壓過零點觸發晶閘管，完成電容器組投入零沖擊;然后晶閘管的觸發脈沖能夠持續達到200ms，此時旁路開關閉合;晶閘管繼續脈沖200ms，關斷晶閘管。復合開關在退出無功補償電容器中的應用流程為:首先觸發晶閘管，晶閘管持續脈沖200ms，旁路開關斷開;繼續脈沖200ms，自動關斷晶閘管過零電流。通過電容器投切過程，可以發現在復合開關正常運行時，開關在其兩端電壓接近零時才會接通電容，電容投切并不會出現涌流;工作電流經過旁路開關時，晶閘管閥不會導通，只有在切換時，晶閘管閥進行導通，每個開關最長導通時間小于400ms;在閉合和關斷過程中，繼電器觸發電流至晶閘管的轉移屬于無弧過程，所以，無弧開斷觸發并不會燒損觸頭，且晶閘管的損耗可以忽略不計，通過自然冷卻方式也能夠達到運行條件，不需要額外增加風冷或水冷設備，確保了復合開關的電氣壽命，降低了運行損耗。

2．2 控制策略

復合開關技術控制策略的關鍵是準確找出晶閘管閥的電壓過零點。選擇復合開關運行時間的原則是:晶閘管開關投入電容器的時間即導通時間，必須確保交流電壓和電容器電壓相等。按照電容器特性，當投入時產生的電壓與預充電壓不相等時，電容器電壓就會出現階躍變化情況，從而產生沖擊電流，導致電源的高頻振蕩和晶閘管破壞。通常，電容器首次接入電力系統時，電容器兩端的電壓為零，此時晶閘管觸發相位也處在電壓過零點。電容器兩端電壓不會突然變化，如果晶閘管沒有在過零點觸發，則會在投入時產生過大電流，減少了電容器壽命，而且晶閘管觸發時電流變化率大于電流上升率時，開通晶閘管則會使電流在門級附近，導致局部過熱。復合開關在正常運行中會持續導通一段時間，因此要求正向晶閘管在過零點導通后自然關斷，觸發反向晶閘管，使電容器接入電力系統，并在每半個周波時輪流向晶閘管發出脈沖，直至切除電容器組。當觸發脈沖停止后，晶閘管會自然關斷不再導通。

3 無功補償電容器投切復合開關技術建模和分析

3．1 搭建模型

根據復合開關基本原理和控制策略，選擇專業的電力系統分析軟件，搭建仿真模型，具體參數是:電力系統的等值電源為10kV，短路容量為100MVA，額定頻率為50Hz，a相電壓的初始角度是90°，電容器的額定電壓是7．3kV，額定容量是三相，額定電流是109A，串抗率為1%。

3．2 抑制合閘涌流

常規開關投入電容器過程中，無法實現分相過零，電容器的電壓容易發生突變，導致頻率過高、振幅過大的過電流產生，即合閘電流。復合開關技術采取分相過零電容器投切策略，分析仿真波形可以發現，復合開關投切能夠取得良好的控制效果，抑制了合閘涌流現象。

3．3 抑制分閘過電壓

無功補償電容器利用機械開關分閘時，如果同時分閘三相開關，且開關不會出現重擊穿的情況下，電容器的極間電壓較低，剩余的電壓會經放電電阻或放電圈泄出，并不會對電容器產生過電流或過電壓的影響。但是實際情況是，斷路器無法做到不出現重擊穿，當發生重擊穿時，則會危害電容器。在進行仿真時，分閘時間是a相過零點電流，此時a相電壓能夠達到最大值，所以電容器電壓并不會發生突變，即與對應時刻的電流電壓相等。a相過零點電流熄弧，則b、c相電流繼續向電容器充電。當a相電流無電弧時，斷開斷路器，則b、c相電容器電壓持續變動，在5ms后電流下降至零，斷開b、c兩相的電弧，電容器電壓保持在熄弧時的數值。

退出復合開關時，直接通過斷路器將電容器切除。斷路器的電壓較高，容易出現重擊穿問題，使電路接通。電容器初始電壓不同于穩態電壓，在電回路中容易出現暫態振蕩情況，對電氣設備產生危害性的過電壓。復合開關技術在晶閘管電流過零時進行切除，電容器電壓與分閘電流波形一致，旁路開關盒斷路器都不會出現電弧，則不會出現過電壓。

4 實際運用效果

某110kV變電站的10kV母線上存在4組無功補償電容器，原先使用了真空斷路器進行投切。該變電站的無功功率存在較大波動，需要頻繁投切電容器組，因此電容器容易出現故障。利用復合開關投切電容器組，準確設定技術參數，其額定電流為350A，額定電壓為10kV，每相閥串聯12對晶閘管。每個5min進行一次投入，反復操作10次，并記錄投入時的電流和電壓波形。結果顯示，電容器無功補償裝置并沒有出現電流沖擊和電壓振動問題。

5 總結

綜上所述，采用復合開關能夠延長斷路器和電容器的使用壽命，有利于提高電氣設備使用效率，節約設備成本，確保電力系統電壓穩定，取得了良好的運行效果。

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