容性電流投切合成試驗回路設計

耿維帥 鄭承恩 秦文文 余勇祥

1.國網山東省電力公司濰坊供電公司；2.華東交通大學省部共建軌道交通基礎設施性能監測與保障國家重點實驗室

在電力系統運行過程中，需頻繁投切電容器組來改善負荷的功率因數，減少線路中的無功功率流動，從而達到降低系統電壓損耗的目的。實驗室多采用合成試驗回路考核高壓斷路器的容性電流投切性能。本文介紹了一種容性電流投切合成試驗回路設計及時序控制方案，該試驗回路由高頻涌流源回路、工頻電流源回路以及工頻電壓源回路三部分組成，利用三相交流電源的相角特性可直接做到合成回路電壓源和電流源的相位同步，免去了電流源電容的充放電裝置和復雜的相位同步裝置，節約成本且操作更加簡單可靠。該試驗回路可提供滿足標準要求的高頻涌流、開斷電流和恢復電壓。

電力系統運行過程中，大量無功負荷的存在會降低電網功率因數，從而增大輸電線路的電壓損失，造成線路、變壓器等設備的功率損耗，因此，需要頻繁地投切電容器來維持電網功率因數，使得電網處于平衡狀態[1,2]。

隨著電網電壓等級和輸電容量的提高，應用于無功補償領域的電容器組的電壓等級和容量也相應增加[3,4]。為保證斷路器投切電容器組的能力能相應地滿足要求，其容性電流開斷能力必須通過一定的試驗方法進行測試，因此，容性電流開合試驗成了高壓斷路器的一項重要的、必須嚴格考核的試驗項目[5]。

1 回路簡介

如圖1 所示為容性電流投切合成試驗回路結構圖。總回路由高頻涌流源回路、工頻電流源回路以及工頻電壓源回路三部分組成[6,7]。涌流源回路在試品斷路器關合涌流后由涌流源隔離斷路器SInrush從主回路中切除。試品斷路器關合涌流后保持閉合，然后再閉合電壓源變壓器原邊開關SV，此后電壓源回路小電流開始流經試品斷路器。由于試品斷路器的接觸電阻較小，因此試品開關上壓降很低。此后，在關閉電流源輔助開關SI和電流源合閘開關G 后，電流源回路電流流經試品。打開試品開關并熄滅電弧后，直流性質的恢復電壓開始施加到試品開關上，從而對試品開關容性開斷后絕緣特性進行考核。在此期間，電流源輔助開關SI必須在試品開關電流熄弧前斷開，從而保證低壓電流源回路和高壓電壓源回路的有效隔離[8,9]。

圖1 容性電流投切合成試驗回路Fig.1 The synthetic test circuit for capacitive current switching

根據圖1 所示，電流源采用可調電阻負載，便于調節電流參數值。此外還能避免感性負載的截流過電壓及因線路電阻造成的相位偏移。由于電流源是純電阻負載，電壓電流相位同步，而電壓源部分是容性負載，根據容性負載的特點，容性電流要超前電壓90°相位角，因此為保證電流源電流和電壓源電流能做到相位同步，電壓源和電流源供電電壓需要有90°相位差，因此根據圖1所示，該回路電流源由三相交流電源的相電壓供電，而電壓源由另兩相的線電壓經過調壓器和變壓器進行供電。如圖2 所示為電壓源和電流源相角匹配圖，利用三相交流電源的相角特性可直接做到合成回路電壓源和電流源的相位同步，免去了電流源電容的充放電裝置和復雜的相位同步裝置，節約成本且操作更加簡單可靠。

圖2 電壓源電流源相角圖Fig.2 The phase diagram for the voltage source and current source

2 試驗回路操作時序

真空滅弧室容性電流投切分為合閘和分閘兩個過程，合閘過程需要關合高頻率高幅值涌流。涌流源回路先于電流源和電壓源回路獨立操作，且操作完成后需要從主回路切除，否則若與主回路發生串聯，主回路過電壓容易引起涌流源設備損壞甚至發生電容器爆炸事故。關合高頻涌流操作時序較為簡單，因此為保證可靠性可采用手動操作。

試驗前圖1 所示合成試驗回路中所有開關都保持斷開狀態。合閘前先對涌流源電容C1預充電到試驗所需電壓值，然后先閉合涌流源隔離開關SInrush，再閉合試品真空斷路器SVAC，此時高頻涌流源回路接通，之后高頻涌流將會流經試品真空斷路器SVAC。涌流迅速衰減完畢后涌流源隔離開關SInrush分閘，此時高頻涌流源回路與其他兩個回路之間斷開電氣連接，關合涌流階段操作完畢。此時試品斷路器SVAC仍保持合閘狀態。

接下來進行真空滅弧室容性投切分閘操作過程。如圖3 所示為合成試驗回路時序控制圖。

圖3 合成試驗回路時序控制圖Fig.3 The sequence control diagram for the synthetic test circuit

t=T1 時刻，電壓源變壓器原邊開關Sv合閘，此時工頻電壓源回路接通，工頻電壓源電流iv通過試品真空斷路器SVAC；

t=T2 時刻，電流源輔助開關SI合閘，此時工頻電流源回路尚未接通；

t=T3 時刻，電流源合閘開關G 合閘，電流源回路接通，工頻電流源電流ic開始通過試品真空斷路器SVAC；

t=T4 時刻，待電流源回路工頻電流經過一個半波穩定燃弧后，在電流第二個半波過零點前，試品真空斷路器SVAC電流源輔助開關SI同時分閘起弧，并于下一個開斷電流的電流零點熄弧。工頻電流熄弧后，直流脈動形式的容性恢復電壓就開始施加于試品真空斷路器SVAC兩端；

t=T5 時刻，恢復電壓持續考核一定時間后，電流源合閘開關G 和電壓源變壓器原邊開關SV同時分閘，切除電流源回路元件并斷開電壓源回路電壓；

最后回路中所有電容放電開關合閘，對電容進行放電，此時一個合分閘操作試驗周期完成。

3 結語

本文設計了可用于測試的容性電流投切合成試驗回路及其時序控制方案，并利用計算機仿真分析，驗證了合成試驗回路方案的可行性和實用性。具體結果如下：（1）容性電流投切合成試驗回路利用三相交流電源的相角特性可直接做到合成回路電壓源和電流源的相位同步，相對于電流源LC 振蕩方式的回路設計方案，免去了電流源電容的充放電裝置和復雜的相位同步裝置，從而使得操作更加簡單可靠；（2）完成了容性電流投切合成試驗回路時序控制方案設計。此合成回路可提供幅值為20kA 和頻率為4250Hz 的高頻涌流、400A 有效值的工頻開斷電流以及表現為（1-coswt）形式的直流脈動恢復電壓，滿足設計要求。