同步關合技術在無功補償系統中的應用研究

黃敏 陳晶晶

摘 要：本文對無功補償裝置開關合閘時產生的過電壓、涌流以及諧波進行了精確的定量分析，并在此分析的基礎上推導出無功補償裝置同步關合的時序。對無功補償電容器的同步關合進行了仿真，仿真結果表明同步關合技術能夠有效抑制無功補償裝置合閘過程中的過電壓、涌流和諧波，從而改善電能質量。

關鍵詞：同步關合；無功補償；電能質量；操作過電壓；涌流

目前，我國的智能電網事業已進入全面建設階段，加快配電網建設，初步形成智能電網運行控制和互動服務體系，關鍵技術和裝備實現突破和應用是這一階段工作的目標。同步關合技術作為智能電網的關鍵技術理應在國內得到推廣和普及。所謂同步關合技術是指斷路器動、靜觸頭在控制系統的控制下，在系統電壓波形的指定相角處關合，使得空載變壓器、電容器和空載線路等電力設備在對自身和系統沖擊最小的情況下投入電力系統的智能控制技術。該技術大大降低了合閘操作暫態過程中的過電流和過電壓，從而大大提高電力設備的壽命和電力系統的穩定性。

1 投入電容器暫態對電能質量的影響

在電力系統中，無功補償電容器是通過高壓開關投切的。然而，傳統的高壓開關動作時，電網電壓相位是隨機的，當投入無功補償電容器時會在系統中產生的高的過電壓和大的浪涌電流，向電網注入大量的低次諧波，降低了電力系統的供電質量，并可能對開關等用電設備造成損壞。電容器投入產生的過電壓和涌流的大小，與合閘時電網電壓的相位有關。下面，將通過理論計算來分析過電壓和涌流與合閘時電網電壓相位之間的關系。

斷路器投入電容器的等效電路如圖1所示。圖中，u（t）為電網電壓，QF為斷路器，L為線路等效電感，R為線路等效電阻，C為電容器。

由（3）、（4）二式可繪制出系統在不同合閘相位時的過電壓和涌流曲線，如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3中可看出，系統過電壓和涌流在合閘時電源電壓相角（∈[0，π/2]內隨（遞增。若在電源電壓相角為0時合閘，則系統過電壓和涌流最小，分別為1.03p.u.和1.99p.u.；若在電源電壓相角為π/2時合閘，則系統過電壓和涌流最大，分別為2p.u.和8.96p.u.。由此可看出，電容器的投入對系統電能質量的影響程度與合閘時電源電壓相角（有著密切的關系。若想盡量減小電容器投入對電網產生的沖擊，就應當在電壓過零點關合斷路器。

2 無功補償裝置的同步關合

同步關合技術的主要思想是以電網電壓或電流為參考信號，根據合閘命令時的電網信息和開關負類型，控制開關觸頭在最佳相位關合，以減小開關合閘操作時暫態過程對電網和設備的沖擊，提高系統的可靠性。將同步關合技術應用到無功補償裝置中，能大大降低合閘操作暫態過程中的過電流和過

電壓，不僅改善了電能質量，而且大大提高了電力設備的壽命。下面將通過一組10kV無功補償電容器的投入過程來加以分析。

在我國電力系統中，變電站主變10kV側多為三角形連接，無功補償電容器多采用中性點不接地的星形連接，接線圖如圖4所示。

按照電壓過零時投入沖擊最小的原則，在圖3所示的系統中，應當在uAB=0時同時關合QFA和QFB。合上QFA和QFB后，相當于uA作用在A、C兩相電容器串聯而成的電容器上，此時，以B點為參考節點，中性點O點電壓為：

考慮到三相斷路器合閘的同期性，k值應盡量取小。

3 同步關合技術應用實例

2011年在湖北省電力公司荊州紀南220KV變電站智能化改造中，采用了6套基于同步關合技術的開關設備——“GLS-200系列智能相控斷路器”。GLS-200系列智能相控開關設備適用于35kV及以下中壓系統電力電容器、電抗器等特殊負荷支路的投切控制。該系統采用操作電容箱為斷路器線圈提供直流電源，開關驅動單元實現永磁真空斷路器的分合閘控制，并通過軟件動態補償（PID閉環控制）確保斷路器分合閘動作精度控制在±0.5mS以內。主控單元和驅動單元采用高速光纖互連，通訊鏈路采用純硬件控制，分合閘傳輸命令延時固定在0.025±0.015ms范圍內，很好的解決了實時性和可靠性的矛盾。驅動單元將斷路器的狀態數據回采給主控單元，主控單元將其存儲到SD卡中，通過工程維護軟件提取錄波文件可以分析斷路器分合閘過程中的機械特性以及主回路電壓電流變化情況，方便了解相控斷路器的控制精度和控制效果，較少運維工作量。系統還設計了完善的控制回路自檢功能，實時在線對主控單元與驅動單元連接的光纖通道，以及驅動單元與開關本體的驅動回路進行監控，回路斷線等異常工況可以自動上傳至監控系統，實現了斷路器同步關合的智能化。

4 結語

將同步關合技術應用于無功補償系統，能夠實現降低暫態過程中的涌流、過電壓和諧波，提高了電網安全運行水平和電能質量，同時也延長了設備使用壽命和檢修周期。基于同步關合技術的智能相控斷路器還能把開關狀態實時傳送到監控系統中，為開關的狀態檢修提供數據，將運行維護檢修工作從“被動檢修”變成“自動檢測”，可以極大地提高運行效率。