相控永磁真空開(kāi)關(guān)關(guān)合電容器組控制方案的探討

姚良鑄 王 錚 黃峰銘

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相控永磁真空開(kāi)關(guān)關(guān)合電容器組控制方案的探討

姚良鑄 王 錚 黃峰銘

泉州電業(yè)局

該文研究應(yīng)用永磁同步真空開(kāi)關(guān)全新概念的低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，嘗試將永磁同步真空開(kāi)關(guān)作為低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置電容器投切開(kāi)關(guān)元件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電容器組的同步關(guān)合，有效減小電容器組投切引起的過(guò)電壓和涌流，從而大大提高了無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行的可靠性和壽命，降低了能耗。

同步 永磁機(jī)構(gòu) 真空開(kāi)關(guān) 無(wú)功補(bǔ)償

0 前言

為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抵消系統(tǒng)感性無(wú)功功率和提高電壓，減少電能損耗，并聯(lián)電容器在各級(jí)電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。并聯(lián)電容器有一個(gè)明顯的特點(diǎn)，那就是隨系統(tǒng)負(fù)載情況的變化而頻繁地投入和切除。電容器在投入時(shí)將產(chǎn)生很大的過(guò)電壓和涌流，這一暫態(tài)過(guò)程會(huì)對(duì)電容器組產(chǎn)生沖擊作用從而縮短使用壽命；同時(shí)隨著大量電力電子裝置的應(yīng)用，用戶對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求，電容器組投入系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)導(dǎo)致一些裝置的誤跳閘。電容器組投入時(shí)的暫態(tài)過(guò)程引起了越來(lái)越多的重視。為了解決此問(wèn)題，常用的方法是使用合閘電阻或合閘電感，或在系統(tǒng)電壓的指定相角處投入電容器組，即同步關(guān)合技術(shù)。由于電容器組投入時(shí)的暫態(tài)過(guò)程與投入時(shí)系統(tǒng)電壓的相位密切相關(guān)，同步關(guān)合技術(shù)可以大大減小電容器組投入時(shí)的暫態(tài)過(guò)電壓和涌流。

目前，380V低壓配電系統(tǒng)中在無(wú)功補(bǔ)償投切電容器組時(shí)利用晶閘管進(jìn)行選相合閘，但是作為電力電子器件，晶閘管在運(yùn)行中要消耗功率，同時(shí)還產(chǎn)生大量諧波，給電力系統(tǒng)和企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)危害。而傳統(tǒng)的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用彈簧機(jī)構(gòu)和電磁機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)通常是由復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間分散性大，可控性差、響應(yīng)速度慢，因而很難實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的精確控制。而選相合閘技術(shù)的關(guān)鍵正是動(dòng)作時(shí)間精確，并且要求單極操動(dòng)，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)難以勝任的。配永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的真空斷路器（接觸器）具有機(jī)械部件少、動(dòng)作時(shí)間分散性小、電子操動(dòng)便于實(shí)現(xiàn)各種控制等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)成單極選相控制，就能實(shí)現(xiàn)同步關(guān)合。

1 電容器組同步關(guān)合基本原理

1.1 電容器關(guān)合暫態(tài)過(guò)程分析

為分析方便，現(xiàn)以單相電容器組為例。圖1(a)為單相電容器的接線圖，G為電源，T為變壓器，電容器組C經(jīng)斷路器CB1接在母線上。圖1（b）為計(jì)算電容器組關(guān)合暫態(tài)過(guò)程的等值電路圖，L為線路及變壓器等值電感。

圖1 單組電容器的接線

根據(jù)圖1（b）可列出CB1關(guān)合時(shí)的電路方程為：

關(guān)合時(shí)的合閘涌流為

1.2 同步關(guān)合基本原理

涌流的峰值為2倍過(guò)電流。

當(dāng)U＝U的情況下進(jìn)行選相合閘時(shí)，1=2=0，合閘過(guò)程中高頻暫態(tài)電流為零，電容器直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。因此希望電容器預(yù)先充電電壓等于電源電壓峰值，在峰值時(shí)投入電容器，這時(shí)將是最理想的投入時(shí)刻。

2 同步控制策略及實(shí)現(xiàn)

2.1 電壓過(guò)零合閘策略

通常電容器在投入時(shí)刻電容器上的殘余電荷在放電回路的作用下已放完，電壓為零，此時(shí)電容器組關(guān)合的最佳時(shí)刻是在系統(tǒng)電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)，對(duì)于星形中性點(diǎn)接地和不接地以及三角形接法的電容器組來(lái)說(shuō)，控制策略是不一樣的。中性點(diǎn)接地，電容器組投入時(shí)，其兩端承受的電壓即是相對(duì)地電壓，其最佳控制策略是在每相電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)相應(yīng)地投入該相電容器組。在中等電壓等級(jí)系統(tǒng)中，并聯(lián)電容器組經(jīng)常采用中性點(diǎn)不接地星形連接方式，此時(shí)電容器組投入順序是：在某兩相電壓之差為零時(shí)，同時(shí)投入該兩相的補(bǔ)償電容器組，此時(shí)電容器組中性點(diǎn)電壓為該兩相電壓的平均值，此中性點(diǎn)電壓經(jīng)過(guò)90°（在50Hz系統(tǒng)中為5ms）后將為零，此時(shí)也是第三相電壓過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻，這時(shí)投入第三相電容器組，將大大減小過(guò)電壓。對(duì)于三角形接法的電容器組，其控制策略與星形不接地連接方式類(lèi)似。

采用電壓過(guò)零合閘策略的前提是投入前電容器上的殘壓接近于零，采取該策略關(guān)合電容器將不會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓，涌流最大值不會(huì)超過(guò)正常運(yùn)行電流峰值的2倍。

2.2 電壓峰值合閘策略

采用電壓過(guò)零的合閘策略可以消除電容器關(guān)合產(chǎn)生的過(guò)電壓，同時(shí)有效抑制關(guān)合涌流，但是在關(guān)合的過(guò)程中仍然會(huì)有一個(gè)暫態(tài)過(guò)程。對(duì)于那些對(duì)用電質(zhì)量要求比較高且電容器投切比較頻繁的用戶，若這個(gè)暫態(tài)過(guò)程及沖擊涌流對(duì)其生產(chǎn)仍有不良影響，則可采取電壓峰值合閘的策略。對(duì)于星形中性點(diǎn)接地接法的電容器組，首先將各相電容器預(yù)先充電至電壓峰值，然后各相分別在電壓峰值時(shí)刻投入，此時(shí)流過(guò)電容器的電流從零開(kāi)始按照正弦規(guī)律變化，沒(méi)有任何暫態(tài)現(xiàn)象產(chǎn)生。對(duì)于星形中性點(diǎn)不接地以及三角形接法的電容器組實(shí)現(xiàn)電壓峰值合閘比較困難，本文沒(méi)有進(jìn)一步的研究。

3 同步關(guān)合試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于提出的相控永磁同步開(kāi)關(guān)關(guān)合電容器控制策略，本文采用EMTP仿真以及現(xiàn)場(chǎng)關(guān)合實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1 EMTP仿真

系統(tǒng)模型如圖2所示，變電站變壓器變比為110/6.3kV，容量為25MVA，短路阻抗百分比為10.5%。變電站無(wú)功補(bǔ)償電容器組接在低壓側(cè)，補(bǔ)償容量為5Mvar，連接方式為星形不接地。用戶變壓器變比6.3/0.4kV，容量600kVA，短路阻抗百分比為6%，用戶負(fù)荷300kW，用戶無(wú)功補(bǔ)償電容器組連接方式為星形接地，補(bǔ)償容量為150kvar。

圖2 仿真系統(tǒng)示意圖

3.1.1 電壓過(guò)零合閘策略仿真

3.1.2 電壓峰值合閘策略仿真

本文對(duì)用戶側(cè)無(wú)功補(bǔ)償電容器采用峰值合閘策略關(guān)合進(jìn)行了仿真。首先將各相無(wú)功補(bǔ)償電容器組充電至線路峰值電壓，然后在各相線路電壓峰值時(shí)刻投入電容器組。仿真結(jié)果如圖5所示，采用電壓峰值合閘策略進(jìn)行電容器組關(guān)合時(shí)，電容器沒(méi)有過(guò)電壓產(chǎn)生，同時(shí)流過(guò)電容器的電流沒(méi)有暫態(tài)過(guò)程產(chǎn)生，直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

圖3 無(wú)控制關(guān)合電容器組電壓電流波形

圖4 過(guò)零合閘控制關(guān)合電容器組電壓電流波形

圖5 采用峰值合閘策略關(guān)合電容器組電壓電流波形

3.2 現(xiàn)場(chǎng)關(guān)合電容器組試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 現(xiàn)場(chǎng)關(guān)合電容器組電壓電流波形

3.3 關(guān)合電容器組控制方案

圖7是三角形接法的電容器組在L2相常接通時(shí)，關(guān)合電容器組L3相和L1相的控制策略圖。假設(shè)電容器組無(wú)殘余電荷，電壓為零，系統(tǒng)為50Hz三相交流電?？刂破髟趖1時(shí)刻檢測(cè)到系統(tǒng)L1相電壓過(guò)零，延時(shí)5ms到t2時(shí)刻，電容器組的L2、L3兩相同電位，這時(shí)關(guān)合電容器組L3相開(kāi)關(guān)；由于L2相是常接通，此時(shí)，電容器組的L2、L3兩相均已導(dǎo)通；再延時(shí)5ms到t3時(shí)刻，系統(tǒng)L1相電壓再次過(guò)零，L2、L3相電壓幅值相等，方向相反，此時(shí)L2、L3相電容器組中心（即L1相位置）電壓也為零，這時(shí)投入L1相電容器組,這樣就完成電容器組無(wú)涌流的投入。圖中紅色曲線為L(zhǎng)2、L3相通電后電容器組L1相電位的變化曲線。步驟：

⑴ 時(shí)刻t1，檢測(cè)到系統(tǒng)L1相電壓過(guò)零；

⑵ 時(shí)刻t2，電容器組的L2、L3兩相同電位，合L3相開(kāi)關(guān)；

⑶ 時(shí)刻t3，系統(tǒng)L1相電壓再次過(guò)零，L2、L3相電壓幅值相等，方向相反，此時(shí)L2、L3相電容器組中心電壓也為零，合L1相開(kāi)關(guān)。

圖7 L2相常接通，關(guān)合L3相和L1相電容器組原理圖

4 結(jié)論

電容器組的投切在電力系統(tǒng)中是一個(gè)非常頻繁的操作，其引起的暫態(tài)過(guò)電壓和涌流不僅對(duì)系統(tǒng)設(shè)備不利，還會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)作，使電能質(zhì)量下降。同步開(kāi)關(guān)技術(shù)可以有效減小電容器組投切引起的過(guò)電壓和涌流。仿真研究和實(shí)際使用表明，同步關(guān)合電容器組不僅可以減小系統(tǒng)設(shè)備的壓力，而且可以有效減小對(duì)用戶的影響。配永磁機(jī)構(gòu)的真空開(kāi)關(guān)，由于其機(jī)械部件少，具有動(dòng)作時(shí)間分散性小、電子操動(dòng)便于靈活實(shí)現(xiàn)各種控制策略等優(yōu)點(diǎn)，很適合做同步開(kāi)關(guān)。

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