相控斷路器的10 kV電容器組投切試驗及應用

文雅欽，李凱宇，殷建剛，吳傳奇，李 潭，宋子鍵

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430070；2.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢430070；3.國網湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢430077；4.國網湖北省電力有限公司鄂州供電公司，湖北 鄂州436000）

0 引言

隨著電力需求越來越大，電網結構越來越復雜，為保障電網負荷波動時的電能質量，并聯電容器組的投切頻率越來越高［1-2］。目前，中、低壓電網常采用真空斷路器進行并聯電容器的投切，然而真空斷路器進行并聯電容器投切時，容易出現合閘涌流及操作過電壓等現象，易導致開關投切失敗、開關重燃、電容器故障等，嚴重時更會造成母線停電故障，嚴重影響電網安全穩定運行［3］。

為徹底消除上述問題，相控開關開始逐漸代替傳統真空斷路器應用于10 kV電容器組的投切。文獻［4］論述了斷路器的機械特性、介質絕緣特性以及控制系統精度等幾個關鍵因素對相控開關技術的影響。文獻［5］對基于永磁操動機構和電子控制的真空開關的控制特性、控制精度和可靠性進行了分析。分析表明，電子操動的永磁機構結構簡單，動作快，操作時間穩定，響應時間可控，能夠實現開關在所希望的相位動作，為同步真空開關的實現提供了必要的條件。文獻［6］分析了并聯電容器組的合閘暫態過程，并采用分相控制的永磁機構真空斷路器進行了合閘試驗，證明了相控開關抑制暫態過程的可行性。

對比傳統方法，相控開關技術能夠有效的改善開關的運行條件，減小滅弧室內部及周圍溫度，減輕開關部件機械應力與觸頭燒蝕，延長觸頭電壽命和設備維修周期，提高開關額定關合開斷能力，有效避免重燃與重擊穿，降低系統的絕緣水平，對提高電網電能質量和開關設備壽命周期具有重要意義［7］。

1 相控開關技術原理

相控開關工作原理實際上是以電網電壓或電流為參考信號，根據負載無功的類型和分合閘命令時的電網實時相角，依據設定的目標相位值，引入特定的延時等待時間，控制斷路器觸頭在理想相位完成電氣關合或分離，實現無沖擊的平滑過渡，可以有效地削弱開關電磁暫態效應。

1.1 相控分閘原理

相控開關切除電容器組時，理論上期望電容器組切除過程中，經過理想燃弧時間后其電流恰好在過零點，即電壓峰值點90°附近，電流過零完成熄弧，且觸頭間距足夠以滿足恢復電壓要求，以有效避免重燃。因此需依據理想燃弧時間計算提前動作量，假設理想燃弧時間為5 ms，則其對應50 Hz系統為90°。相控分閘時序圖如圖1所示。

圖1 相控分閘時序原理圖Fig.1 Schematic diagram of phase control opening sequence

當控制器發出分閘命令，延遲一段時間Td1，經過斷路器固有分閘時間Topeing后，斷路器動作，觸頭開始分離；Tarcing為系統理想燃弧時間，在本設計中采用5 ms；燃弧時間結束后，觸頭徹底分離且觸頭間隙能夠承受系統恢復電壓。

其中，首分相延遲時間Td1計算公式為：

式（1）中，T為參考電壓信號的周期時間，在工頻時為20 ms；Twait為隨機分閘指令與系統電壓上一個零點之間的間隔時間；Topeing為斷路器的固有分閘時間，Tc為控制器固有計算時間。

1.2 相控合閘原理

相控開關控制電容器投入時，是為了讓觸頭在電壓的目標相位關合，以減少電容器投入操作產生的合閘涌流和過電壓幅值，提高電能質量和系統穩定性。相控合閘時序圖如圖2所示。

圖2 相控合閘時序原理圖Fig.2 Schematic diagram of phase control closing sequence

當控制器在T1時刻收到合閘命令在目標相位T3處合閘時，控制器根據檢測到的前一個過壓零點T0計算出在目標相位T3處合閘所需的延遲時間Td2，當延遲時間到后，斷路器開始合閘，經過斷路器固有合閘時間Tclsing后，斷路器合閘。

其中，選相合閘延遲時間Td2計算公式為：

式（2）中，T為參考電壓信號的周期時間，在工頻時為20 ms；Tclswait為隨機合閘指令與系統電壓上一個零點之間的間隔時間；Tclsing為斷路器的固有合閘時間，Tc為控制器固有計算時間，Tpre為合閘時預計穿時間。

2 相控開關現場試驗

智能相控開關系統整體結構如圖3所示，主要由智能選相分合閘裝置、三相分相操作的永磁操動機構等組成。當智能選相分合閘裝置接收到分合閘指令后，通過實時采集母線電壓相位，計算出相應的延遲時間，再將相應的分合閘指令傳遞給斷路器機構進行分閘操作，從而抑制電容器組投切產生的合閘涌流和操作過電壓。

圖3 相控開關系統結構圖Fig.3 Phase control switch system structure diagram

2.1 相控投切試驗方案

為了驗證相控開關投切電容器組對合閘涌流及過電壓的抑制效果，進一步獲取相控斷路器投切10 kV電容器組暫態數據，在省內某座變電站內進行了中壓智能相控斷路器在無功補償回路中的應用投切試驗。試驗方案接線圖如圖4所示，因實際接線時，電容器組串聯有電抗器，分閘時對涌流和過電壓本有抑制作用，只要分閘時沒有發生重燃現象，產生過電壓很小，因此，本文重點關注合閘涌流及合閘過電壓。

如圖4所示，試驗方案采用普通開關和相控開關串聯接線方式，試驗流程如下：

圖4 試驗方案接線圖Fig.4 Experimental scheme wiring diagram

1）相控開關始終保持合位，用普通開關進行電容器投切，每間隔5 min投切一次開關，檢查記錄波形結果有無重燃現象，如無重燃，投切開關10次后結束試驗；

2）普通開關始終保持合位，用相控開關進行電容器投切，每間隔5 min投切一次開關，檢查記錄波形結果有無重燃現象，如無重燃，投切開關10次后結束試驗；

3）對比分析不同開關投切效果。

2.2 投切試驗數據分析

按照上述方案進行試驗，取合閘涌流倍數及合閘過電壓倍數三相最大值對比分析，實驗數據對比圖分別如圖5所示。

如圖5所示，在采用普通開關進行連續10次電容器組合閘時，合閘涌流最小為額定電流的3.1倍，最大高達額定電流6.1倍；而在采用相控開關進行進行連續10次電容器組合閘時，合閘涌流抑制效果良好，10次合閘均能保持涌流在1.2倍額定電流以下。

圖5 合閘涌流對比圖Fig.5 Comparison chart of closing inrush current

如圖6所示，采用普通開關進行電容器組10次合閘操作，合閘過電壓最大為額定電壓的1.71倍；而采用相控開關進行電容器組10次合閘操作，合閘過電壓均能控制在額定電壓的1.17倍以下，抑制效果明顯。

圖6 合閘過電壓對比圖Fig.6 Comparison chart of closing overvoltage

3 相控開關的現場應用分析

為驗證相控開關長期運行的可靠性，在試驗結束后，保持試驗接線方式不變的情況下將設備掛網運行一段時間后統計其投切數據。由前文分析可知，因實際接線接有電抗器的原因，對過電壓具有抑制作用，以下僅分析相控開關合電容器組時的涌流運行數據。

表1 相控開關各相合閘涌流數據Table 1 Inrush current data of each phase of the phase control switch

根據該相控開關長期運行時的4次合閘涌流結果可以看出，各相涌流抑制良好，A相合閘涌流控制在1.69倍以下，B相合閘涌流控制在1.88倍以下，C相合閘涌流控制在1.41倍以下，相控開關長期運行性能穩定，抑制效果良好。

4 結語

本文以省內某變電站10 kV電容器組工程改造作為背景，從相控開關工作原理出發，系統分析了相控開關涌流和過電壓抑制思路，并通過現場試驗及長期掛網運行，驗證了相控開關相較于傳統真空開關對涌流及過電壓的抑制優勢，具體體現在：

1）現場試驗有效驗證了相控開關對合閘涌流及過電壓的明顯抑制效果，合閘涌流均能抑制在1.2倍以下，合閘過電壓均能抑制在1.17倍以下。

2）相控開關長期運行效果良好，各相合閘涌流最大1.88倍，最小僅1.1倍，均在安全范圍內。但長期運行實際投切次數僅4次，樣本數還較小，且合閘涌流對觸頭燒蝕及絕緣損壞具有累積效應，還需將設備更長時間掛網運行后統計更加詳細的投切結果。

3）相控開關對涌流及過電壓的抑制效果明顯，能有效改善開關觸頭燒蝕及絕緣損壞的累積效應，對提高設備可靠性，提升電網長期運行可靠性、經濟性具有重要意義。