選相控制器現場應用改進思路

董輝波，王明君

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211111）

0 引言

近年來，光伏電站、風電站大量并網，直流換流站大規模建設，柔性輸電技術大量應用，這些廠站對于系統中高次諧波異常敏感，換流變、變壓器、交流濾波器組、高壓電抗器在投切瞬間，會產生較高幅值的勵磁涌流和過電壓，產生大量高次諧波，會對系統造成較大沖擊，嚴重威脅安全運行［1-3］，高次諧波還容易導致交流濾波器電阻元件的損毀，引起高壓直流換相失敗［4-5］或柔性輸電廠站、光伏并網廠站諧波保護誤跳閘。為了抑制斷路器過電壓、勵磁涌流、高次諧波，普遍采用選相控制技術進行合閘操作，該技術可從原理上抑制合閘涌流及過電壓［6-14］。合閘時間通常隨著環境溫度、操作間歇時間、控制電壓、氣體密度和儲能水平等變量改變而發生變化［15-17］，這些量可以單一發生改變影響合閘時間，也可以多個發生改變而影響合閘時間。為了準確獲取這些參數對合閘時間的影響，通常在安裝調試選相控制器時，需要預先搭建負載的測試平臺，接入各類傳感器并對開關做大量的試驗以求獲取準確的參量值與合閘時間的關系，并預先輸入選相控制器作為補償量。但這種操作有兩個重要的缺陷，一是每個斷路器機械特性是不同的，如果要獲取精確的補償曲線，勢必對大量斷路器進行測試，導致工作量巨大；二是，在運行一段時間后，斷路器的機械特性逐漸發生改變，導致合閘時間發生變化，原測試數據失效，為避免合閘時產生過大的涌流，需要定期進行試驗，對參數進行修正［18］。本文針對上述情況提出了一個解決問題的思路，即通過調整一次設計和改進選相控制裝置的方式，有效減少測試工作量，同時有效減小合閘時間變化導致的勵磁涌流。

1 選相合閘原理

通常情況下，電力系統中的斷路器為隨機分合閘，并伴隨涌流和電壓波動。斷路器選相分合閘技術（Controlled Switching）是指通過一定的手段使斷路器動、靜觸頭在系統電壓波形的指定相角處分合，使電力設備在對自身和系統沖擊最小的情況下投切入電力系統的技術。選相合閘技術能夠大大降低分合閘操作暫態過程中的過電流和過電壓，從而延長電力設備的壽命和提高整個電力系統的穩定性。選相控制裝置取基準電壓為參考，在收到控制系統給出的合閘命令后，根據目標合閘角度、預擊穿時間Tpre、斷路器機構合閘時間Tcls、合閘回路延時Tclslag，計算出合適的時間發出合閘指令，圖1 給出了選相合閘過程的時序原理圖［19-20］。

圖1 選相控制流程Fig.1 Phase selection control process

合閘回路延時Tclslag，目前常用的選相控制器多采用IGBT出口，精度高、速度快，從控制CPU發出信號到IGBT 閉合可以控制在ns 級別，該延時對最終的合閘目標角度的影響極小。

斷路器合閘時間Tcls，預擊穿時間Tpre，具有一定分散性，很難保證斷路器在預設的角度關合，因此在實踐中，需要考慮分散性對選相合閘效果的影響，很多測試也是針對分散性展開的。

2 斷路器合閘時間補償方式的缺陷分析

通常，斷路器合閘時間隨著環境溫度、控制電壓、機構油壓、SF6氣壓、機構間歇時間等參量的改變而產生變化。在掌握上述各參量對斷路器固有動作時間的影響量后，裝置可以通過增配外部參量傳感器監視外部參量實時值，并通過預置補償曲線插值計算，得出斷路器動作時間在當前實時條件下因諸多參量變化產生的偏差，以實現對固有動作時間的預期修正。

表1 是某站斷路器一段時間內的合閘時間變化，可見一段時間后，斷路器的合閘時間發生明顯的變化，變化值超過3 ms，這對控制勵磁涌流和過電壓十分不利。

表1 某變電站某相斷路器合閘時間表Table 1 Closing schedule of a phase circuit breaker in a substation

外接環境變化導致合閘時間變化，可以通過接入各類傳感器，在一定程度上使得選相控制器可以獲取較為精確的補償參數，能提高控制精度，但具有一定的弊端：

1）在投入運行前，需要針對每種補償參數預先做大量的測試，以保證獲取精確的補償曲線。由于各供應商斷路器參數的不一致性，且即使同一供應商，斷路器參數也存在較大的不一致性，這種測試需要搭建復雜的測試環境，不僅工作量大，通用性也差。

2）每種補償參數測試時，一般均假設其它參量是不變的。但實際運行時，對斷路器合閘時間的影響卻是幾種參數變量的綜合影響。

3）斷路器長期放置后，斷路器機械特性會發生一定的變化，造成補償曲線失效。

4）液壓機構要在斷路器本體上安裝液壓傳感器，需要加裝采集口，逆止閥等設備，破壞了機構的完整性，一旦發生泄漏，將對安全運行帶來極大風險。

5）環境溫度傳感器的選址要避免受到陽光照射、雨雪、冰凍等天氣影響，對安裝位置選址要求高。

6）機構間歇時間可以模擬測試，但使得整個測試周期非常長，通常靜止測試的最長時間在1 000 h以上［21］。

3 現場應用的改進思路

3.1 一次設計的改進

在一次受控元件與斷路器之間，增加一組隔離刀閘，同時改變反饋電壓互感器TV的安裝位置，見圖2、圖3（以一次受控元件為變壓器為例），在合斷路器時，不實際合閘于變壓器，方便先獲取斷路器合閘時間，通過此合閘時間計算與預設合閘時間的誤差，用此誤差值決定投入何種程度的補償。

圖2 3/2接線改進后主接線方案圖Fig.2 3/2 Diagram of main wiring scheme after wiring improvement

圖3 雙母線接線改進后主接線方案圖Fig.3 Diagram of main wiring scheme after double bus wiring improvement

3.2 選相控制裝置的改進

目前的選相控制裝置需輸入斷路器關合時間定值，同時設置有自適應功能。當“自適應補償”功能投入時，裝置將根據斷路器最近動作偏差不斷修正目標點偏差，且修正幅度可通過修改系數定值“自適應修正系數”進行設置，自適應修正系數可設置為0%～100%修正。

實際運行中，斷路器合閘時間偏差在聲明的離散度±1 ms以內時，可不做自適應修正。當斷路器合閘時間偏差超出±1 ms時，可認為斷路器特性發生改變，此時可以采取如下措施：1）調整斷路器合閘時間定值；2）采用自適應修正的方法實現跟蹤。為靈活選擇修正度，可對選相控制器做如下改進：1）每次合閘操作后，由選相控制裝置自動計算出本次合閘時間與設置定值間的偏差值；2）選相控制裝置增加10個開關量輸入，輸入后可實現在10%～100%之間以10%級差進行偏差修正。10 個開關量可在控制屏內設置壓板或操作把手，方便運行人員的靈活操作。

3.3 控制流程的改進

一次設計和選相控制裝置改進后的操作流程如圖4：

圖4 控制流程的改進Fig.4 Improvement of control process

1）選相合閘前，檢查變壓器側隔離刀閘在分位，選相控制裝置參考電壓正常；

2）通過控制系統選相合閘，此時斷路器僅合于反饋電壓互感器TV 上，并未實際合閘于變壓器，即使斷路器機械特性發生了變化，也不會產生大的涌流；

3）讀取選相控制裝置計算的偏差值，根據需求投入偏差補償壓板；

4）合上主變側隔離刀閘，通過控制系統再次選相合閘，此時選相控制裝置按補償后的合閘時間合閘，可避免因機械特性發生較大變化時合于非理想角度，產生涌流。

通過采用改進后的設計方案和控制流程，搭建測試環境進行測試，設置A、B、C 三相合閘角度分別為90°、540°、540°，即A 相先在基準電壓90°位置合閘，B相、C 相25 ms 后在基準電壓180°位置合閘，合閘時間根據前期測試的斷路器合閘時間設置，A、B、C相合閘時間分別為52.3 ms、53 ms、53 ms。首次合閘后，由于環境變化導致斷路器機械特性改變，斷路器實際合閘時間與設置時間有偏差：A 相實際合閘時間56 ms，偏差3.1 ms，B、C 相實際合閘時間55.8 ms，偏差2.8 ms，合閘波形如圖5。

圖5 首次合閘波形Fig.5 Waveform of first closing

合閘時間與預設偏差較大，不更改預設的斷路器合閘時間，投入100%補償，進行第二次合閘，裝置自動對偏差進行補償，本次斷路器實際合閘時間與設置時間偏差如下：A 相實際合閘時間53.8 ms，偏差0.5 ms，B、C 相實際合閘時間53.9 ms，偏差0.4 ms，合閘波形如圖6，考慮斷路器合閘時間本身具有一定離散性，實驗結果符合預期，說明采用改進后的設計方案和控制流程，可以增加合閘于目標角度的準確性，不需要再對斷路器特性進行單獨測試，減少了現場工作量。

圖6 補償后合閘波形Fig.6 Closing waveform after compensation

4 結語

選相控制技術的應用，減小了換流變、變壓器、電容器等設備的合閘涌流，有效減小了對系統的沖擊，避免了元器件損壞和因諧波導致的誤停電。但由于斷路器機械特性受到溫度、液壓、氣壓、靜置時間、控制電壓的影響，會發生一定的變化，為避免這種變化影響涌流控制，需要試驗獲取各參數跟合閘時間的關系曲線，花費大量人力物力，同時還需要每年做試驗修正，不可避免地帶來重復試驗和人力物力耗費。按照本文提出的改進后的一次設計方案和選相控制裝置，只需要在每次合閘前先空合一次斷路器，獲取當時條件下斷路器的合閘時間，再投入偏差壓板，可以避免重復大量試驗獲取補償曲線，由于合閘時間按當前運行條件獲取，準確度較高，可以有效減小涌流，而且可以節省人力物力和重復試驗工作。