斷路器選相分合閘技術(shù)在扎魯特?fù)Q流站中應(yīng)用實(shí)踐研究

(國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450000)

換流站配置的交流濾波器組在合閘瞬間可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于正常工作電流的合閘涌流，其大小與合閘瞬間的電壓相位有關(guān)。之前的解決方案之一是在斷路器的觸頭并聯(lián)一個(gè)合閘電阻以限制暫態(tài)沖擊，但是在合閘之前先接入電阻再進(jìn)行合閘，從設(shè)備制造成本及后期維護(hù)角度來講，存在一定局限性。文獻(xiàn)[1-3]均指出了加裝合閘電阻的局限性以及取消合閘電阻的可能性。斷路器選相分合閘技術(shù)(controlled switching，CS)通過一定手段使斷路器動(dòng)、靜觸頭在系統(tǒng)電壓波形的指定相角處分合，使電力設(shè)備在對自身和系統(tǒng)沖擊最小的情況下投切入電力系統(tǒng)。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于110 kV及以上的濾波器組、電容器組、空載線路、空載變壓器、電抗器等，換流站的小組交流濾波器投入時(shí)也普遍采用此技術(shù)。

下面論述了CS技術(shù)原理，分析±800 kV扎魯特?fù)Q流站換相合閘裝置在實(shí)踐中的應(yīng)用，通過對比分析不同型號(hào)交流濾波器的三相合位產(chǎn)生時(shí)間的離散性，推論出不同型號(hào)的小組交流濾波器對選相合閘裝置過零點(diǎn)的影響，最后通過錄波圖驗(yàn)證這種推論的正確性，為其他工程采用該裝置提供應(yīng)用參考。

1 CS技術(shù)原理

斷路器選相分合閘裝置通過實(shí)時(shí)采集斷路器帶電側(cè)母線PT電壓，隨機(jī)接受來自控制系統(tǒng)的三相合分閘命令，并在合適的電壓處，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)發(fā)出分相的分合閘命令。選相分合閘裝置根據(jù)外部環(huán)境參數(shù)對斷路器機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特性影響進(jìn)行補(bǔ)償，并考慮到現(xiàn)場實(shí)際開合過程的燃弧和預(yù)擊穿特性，使斷路器總能在預(yù)定的電氣相位進(jìn)行實(shí)際分合，有效避免隨機(jī)分合所造成的暫態(tài)過電壓、過電流，從而減少對系統(tǒng)、設(shè)備的沖擊[4-7]。目前市場采用的成熟裝置包括ABB 的CAT系列、Switchsync系列、西門子的PSD系列、國立智能SID-3YL、南瑞PCS-9830系列等產(chǎn)品。

圖1 斷路器選相合閘過程

圖1是西門子斷路器選相分合閘裝置PSD工作過程示意圖[8]。從圖中可以看出：PSD裝置收到控制系統(tǒng)下發(fā)的分合閘指令后(對應(yīng)圖中①)，通過采樣測量斷路器所連母線電壓，在一定時(shí)間內(nèi)(該時(shí)間定義為過零識(shí)別時(shí)間，大概在2個(gè)周波內(nèi))確定系統(tǒng)電壓過零時(shí)刻(對應(yīng)圖中②)，再經(jīng)過一定的時(shí)間延時(shí)(對應(yīng)圖中③，該延時(shí)時(shí)間長短取決于控制回路電壓補(bǔ)償、環(huán)境溫度補(bǔ)償及靜止時(shí)間補(bǔ)償，補(bǔ)償后得出相對精確的開關(guān)合閘時(shí)間，誤差控制在0.5 ms范圍內(nèi))向斷路器分合閘線圈下發(fā)分合指令(對應(yīng)圖中③)，而后實(shí)現(xiàn)電壓在近似過零點(diǎn)時(shí)對應(yīng)斷路器電流流動(dòng)開始時(shí)刻(也即預(yù)放電開始電壓開始時(shí)刻)合閘，此時(shí)合閘過程對系統(tǒng)沖擊最小。圖2為直接接地系統(tǒng)單相電容器組的原理圖，其中C為電容器組總電容，L為負(fù)載電感。

圖2 電容器組選相合閘原理

在斷路器動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸瞬間，系統(tǒng)中暫態(tài)過程的電路方程為

(1)

對式(1)計(jì)算微分運(yùn)算可得：

(2)

求解式(2)，可得

+Asin(ωδ+α+φ)

(3)

式中：

同理，當(dāng)Uc(0+)=0時(shí)，可得到合閘瞬間的電壓。

(4)

式中：α為合閘時(shí)電源的初相角；Um為電源電壓峰值。

由i3及Uc(t)計(jì)算可知，關(guān)合電容器組時(shí)，合閘涌流幅值與電壓初相角有關(guān)，當(dāng)在α=0附近進(jìn)行預(yù)放電，將會(huì)減小其暫態(tài)過程，合閘涌流也會(huì)大幅度減小，能夠有效降低合閘涌流對設(shè)備及電力系統(tǒng)的影響。

下面對其他兩相合閘過程進(jìn)行分析。圖3是向直接接地的電容器組合閘充電過程示意圖。

圖3 直接接地電容器組選相合閘

從圖中可以看出，電容器組直接接地系統(tǒng)合閘過零點(diǎn)選擇相對簡單：開關(guān)A相過零點(diǎn)后，C相過零點(diǎn)時(shí)刻與A相相差T/6(即3.33 ms)；B相過零點(diǎn)時(shí)刻與A相相差T/3(即6.66 ms)。而在實(shí)際應(yīng)用過程中，B相、C相過零點(diǎn)的選擇不僅僅與A相的相位有關(guān)，同時(shí)和負(fù)載性質(zhì)、負(fù)載接線方式等也相關(guān)。容性負(fù)載合閘選擇電壓過零點(diǎn)，感性負(fù)載選擇電流過零點(diǎn)，變壓器合閘還需考慮剩磁的影響；當(dāng)電容器組不接地時(shí)A相合閘后，C相合閘時(shí)需考慮到A相電壓的影響，其零點(diǎn)選擇理論上在A、C相電壓疊加和為0處，B相零點(diǎn)選擇在A、B、C相電壓疊加和為0處，所需要的時(shí)間間隔相較而言會(huì)更長。圖4是容性負(fù)載在不接地系統(tǒng)合閘示意圖。

圖4 不接地電容器組選相合閘

從圖4中可以看出：B相過零點(diǎn)合閘后，C相合閘在B、C相電壓疊加過零處，A相合閘在三相電壓疊加過零處。

在換流站配置的交流濾波器組接線更為復(fù)雜，電容器組往往串聯(lián)電抗器、電阻等負(fù)載來濾除諧波，合閘過零點(diǎn)的選擇相對更為復(fù)雜。

2 PSD在實(shí)踐中的應(yīng)用

±800 kV特高壓扎魯特?fù)Q流站配備了20組小組濾波器，共4種型號(hào)，包括SC、HP24/36、 HP3、BP11/13，合閘時(shí)均采用PSD合閘同期裝置，其接線如圖5至圖8所示。

圖5 SC主接線

圖6 HP24/36主接線

圖7 BP11/13主接線

查看斷路器合閘時(shí)的故障錄波，扎魯特?fù)Q流站交流濾波器場斷路器合閘次序均按照A相→C相→B相的次序進(jìn)行，對其中3種接線方式下斷路器三相合位產(chǎn)生間隔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。表中，以A相產(chǎn)生合位的時(shí)刻為0時(shí)刻，分別統(tǒng)計(jì)10次C相與A相時(shí)間間隔TC-A、B相與C相時(shí)間間隔TB-C。

圖8 HP3主接線

次數(shù)HP3TC-ATB-CBP11/13TC-ATB-CHP24/36TC-ATB-C14.21.34.45.53.03.023.90.53.95.82.62.534.71.04.14.41.92.343.70.74.75.61.72.354.50.43.45.32.12.062.91.43.96.32.31.974.21.34.75.62.03.284.71.24.94.91.72.894.11.14.64.11.82.5104.11.34.46.22.22.6均值4.101.024.305.372.132.51

按照PSD裝置說明書，在電容器組直接接地系統(tǒng)中：C相滯后于A相的合閘時(shí)間為3.33 ms(角度相差60°)，B相滯后于C相3.33 ms(角度相差60°)。排除斷路器不同相合位產(chǎn)生時(shí)刻的干擾因素，從表1中10次統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值可以看出：不同接線方式下PSD選相合閘裝置計(jì)算電壓過零點(diǎn)以及選相合閘時(shí)間有一定差異。為驗(yàn)證此結(jié)論，查看了全部調(diào)試期間PSD裝置內(nèi)開關(guān)合閘錄波，截圖如圖9所示。

圖9 選相合閘過程錄波

從圖9中可以分析出：斷路器A相在PSD裝置接收到合閘命令38 ms后，檢測到交流母線A相電壓過零點(diǎn)，而后再延時(shí)96 ms PSD裝置向斷路器合閘線圈開出高電平，經(jīng)過157 ms發(fā)生預(yù)擊穿。對帶電調(diào)試期間PSD裝置選相合閘錄波中發(fā)生預(yù)擊穿時(shí)與電壓過零點(diǎn)角度偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)取30次斷路器合閘時(shí)角度偏移的平均值，如表2所示。

表2 斷路器預(yù)擊穿時(shí)刻與電壓過零點(diǎn)角度

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，不同類型的交流濾波器組合閘角度與母線電壓過零點(diǎn)存在一定的偏差，偏差角度與交流濾波器的接線形式有一定的聯(lián)系。

3 結(jié) 語

通過選相合閘裝置PSD在扎魯特?fù)Q流站交流濾波器合閘中的應(yīng)用分析，推論出不同型號(hào)交流濾波器在選相合閘過程中電壓過零點(diǎn)的差異，并利用PSD裝置內(nèi)的錄波圖論證了推論的正確性。下一步將結(jié)合不同型號(hào)濾波器的參數(shù)及其接線形式，從原理上推導(dǎo)PSD選相合閘裝置電壓過零點(diǎn)的理論值。