新型混合式電容器組投切開關仿真研究

凌斯+秦濤濤

摘 要：針對傳統選項開關受斷路器分合閘時間分散性嚴重及相位信息難以提取的難點，本論文設計了一種新型混合式電容器組投切開關，提出了單相電容器組投切策略，建立了單相電容器組投切模型，并進行了投切策略仿真研究，仿真結果驗證了投切策略的可行性，為新型混合式電容器組投切開關工程化提供理論指導。

關鍵詞：電容器組投切 混合式開關 仿真模型

中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0035-02

選相技術可控制開關在電壓或電流最有利的相位完成分閘或合閘，以消除開關過程中所產生的涌流和過電壓等電磁暫態效應，提高開關的開斷能力及電網智能化。傳統的選相控制技術面臨兩個難點：第一，是斷路器操動機構分合閘分散性較大；第二，是零點相位信息難以提取。對于前者，目前多采取相應的控制方法保證斷路器操動機構的動作穩定性，將分合閘時間分散性穩定至一定范圍，確保其投切精度。對于后者目前的主要方法是通過一定的濾波算法，進行零點預測，從而確保投切精度。相比于自由投切過程，帶選相技術的電容器組投切過程大大降低了合閘涌流及過電壓，但是由于上述兩個難點的存在，一定程度上降低了現有選相技術的可靠性，這也是目前選相斷路器沒有大規模應用的主要原因之一。

本論文提出了一種新型混合式電容器組投切開關，它由兩個機械斷口、硅堆、操動機構3個部分組成，其典型特點是利用硅堆的自然過零特性進行選相操作，無需進行零點預測。另外該新型電容器組投切選相開關僅需將機械開關的合閘時間控制一定窗口之內即可，大大降低了對斷路器操動機構的要求。這兩方面優點有效地解決了電容器組投切開關的投切時間及投切精度問題，能夠滿足選相操作的相關要求。

1 工作原理及投切策略

本文所設計的混合式電容器組投切開關基本原理如圖1所示。

其單相分合閘過程及策略描述如下：（1）單相合閘過程。在電壓負向階段閉合斷口S1，斷口S2打開，在電壓由負向變為正向過程中，利用硅堆的正向導通特性，將電容器組接入系統，然后在下一個電流零點之前閉合斷口S2，由機械斷口S1和S2共同承擔系統電流，進行長期運行，避免硅堆運行時間過長而損壞。（2）單相分閘過程。當電流正向流過硅堆D時，打開斷口S2，此時電流流過硅堆支路，半個周期之后，電流自然過零至負半周期，此時硅堆因電流反向自然關斷。在下一個正半周期電流到達之前，打開斷口S1，即可完成整個分閘過程。在整個運行過程中，流經硅堆的電流持續時間較短，無需人為加裝冷卻設備，自然冷卻即可滿足運行條件。

2 仿真模型與分析

根據以上單相分合閘策略，在電磁暫態仿真軟件中建立了單相電容器組投切電路模型，進行了投切策略仿真驗證。模型中系統電壓為10kV，頻率為50Hz，接地電阻為20mΩ。其中單相合閘過程電容器組支路電流波形如圖2所示。

按照前述合閘策略可在電壓負半波任意時刻導通斷口S1，本研究中選擇在10ms時刻。在下一個電壓零點，硅堆D自然導通，并將導通1/4周期。在這1/4周期內，閉合斷口S2，本研究中選擇在19ms處閉合S2。從電容器組電流波形中可以看出并沒有出現涌流。根據前述的分閘策略進行仿真，得到分閘過程斷口電壓波形如圖3所示。在電流大于零之后的任一時刻斷開斷口S2，電流轉移至硅堆支路，然后在下一個電流過零點之后，電流反向，電容器組自然切除，然后斷口S1打開，完成分斷。從圖3中可看出電容器組切斷之后無過電壓產生。

3 結語

本文設計了一種新型混合式電容器組投切開關，提出了單相電容器組投切策略，建立了單相電容器組投切模型，并進行了投切策略仿真研究，仿真結果表明該新型電容器組投切開關在投切過程中無涌流和過電壓產生，消除了電磁暫態效應，投切策略可行，可為工程樣機制作提供理論指導。

參考文獻

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