無功補償電容器投切用復合開關(guān)的技術(shù)分析

■李 健 ■江西省電力工程總承包有限公司，江西 南昌 330000

電力系統(tǒng)的負荷和網(wǎng)絡(luò)元件是感性的，能夠吸收大量無功功率，導致電力系統(tǒng)電壓下降、無功缺額甚至系統(tǒng)崩潰，為了確保電壓的穩(wěn)定、保持無功平衡，必須進行無功功率補償。在110kV及以下等級的配電網(wǎng)中，無功補償主要設(shè)備時并聯(lián)電容器。目前，我國大多數(shù)無功補償電容器組使用真空接觸器、斷路器等機械開關(guān)進行投切，傳統(tǒng)的機械開關(guān)受到分合閘時間和閉合關(guān)斷頻率限制，無法實現(xiàn)無功補償裝置的動態(tài)調(diào)節(jié)，容易發(fā)生功率因數(shù)較低和無功倒送的問題，無法滿足電能質(zhì)量和動態(tài)補償?shù)囊?。新型的復合開關(guān)具有反映速度快、運行損耗小、可頻繁投切的優(yōu)勢，適用于無功補償電容器投切。

1 復合開關(guān)概述

無功補償電容器投切過程中使用的復合開關(guān)技術(shù)主要是由無功控制器、旁路開關(guān)和晶閘管閥串構(gòu)成，其中晶閘管閥串是復合開關(guān)技術(shù)的核心和關(guān)鍵，通過晶閘管閥串觸發(fā)控制可以隨時實現(xiàn)電容器組的投入和切除;無功控制器能夠根據(jù)電流、電壓、無功功率和功率因數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)以及控制目標而發(fā)出投切指令;旁路開關(guān)通過真空接觸器，能夠持續(xù)為電容器提供工作電流。在10kV的電力系統(tǒng)中，電容器投切復合開關(guān)的每相閥體都有12個閥串組成，每個閥串單元包含正向、反向晶閘管，靜態(tài)、動態(tài)均壓回路，監(jiān)測、觸發(fā)回路等，單只晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)時的不重復耐壓達到6500V。

復合開關(guān)的基本思路是通過快速動作的晶閘管對無功補償電容器的投切過程進行控制，實現(xiàn)快速投切，防止接觸器在投切時產(chǎn)生較大的拉弧和沖擊電流，在無功補償投入運行穩(wěn)定后，通過機械觸點連接電流，避免晶閘管導通耗損。利用復合開關(guān)技術(shù)投入和切除無功補償電容器的接線方式具有多種優(yōu)勢:第一，通過兩相開關(guān)對三相電容器進行控制，能夠節(jié)省一相設(shè)備，節(jié)約了占地和成本;第二，復合開關(guān)承受短路電流的能力較差，在中性點側(cè)接入負荷開關(guān)，能夠減少通過的短路電流，不會影響使用效果。

2 復合開關(guān)工作原理

2．1 基本原理

無功補償電容器投入過程中復合開關(guān)的應用流程為:由電壓過零點觸發(fā)晶閘管，完成電容器組投入零沖擊;然后晶閘管的觸發(fā)脈沖能夠持續(xù)達到200ms，此時旁路開關(guān)閉合;晶閘管繼續(xù)脈沖200ms，關(guān)斷晶閘管。復合開關(guān)在退出無功補償電容器中的應用流程為:首先觸發(fā)晶閘管，晶閘管持續(xù)脈沖200ms，旁路開關(guān)斷開;繼續(xù)脈沖200ms，自動關(guān)斷晶閘管過零電流。通過電容器投切過程，可以發(fā)現(xiàn)在復合開關(guān)正常運行時，開關(guān)在其兩端電壓接近零時才會接通電容，電容投切并不會出現(xiàn)涌流;工作電流經(jīng)過旁路開關(guān)時，晶閘管閥不會導通，只有在切換時，晶閘管閥進行導通，每個開關(guān)最長導通時間小于400ms;在閉合和關(guān)斷過程中，繼電器觸發(fā)電流至晶閘管的轉(zhuǎn)移屬于無弧過程，所以，無弧開斷觸發(fā)并不會燒損觸頭，且晶閘管的損耗可以忽略不計，通過自然冷卻方式也能夠達到運行條件，不需要額外增加風冷或水冷設(shè)備，確保了復合開關(guān)的電氣壽命，降低了運行損耗。

2．2 控制策略

復合開關(guān)技術(shù)控制策略的關(guān)鍵是準確找出晶閘管閥的電壓過零點。選擇復合開關(guān)運行時間的原則是:晶閘管開關(guān)投入電容器的時間即導通時間，必須確保交流電壓和電容器電壓相等。按照電容器特性，當投入時產(chǎn)生的電壓與預充電壓不相等時，電容器電壓就會出現(xiàn)階躍變化情況，從而產(chǎn)生沖擊電流，導致電源的高頻振蕩和晶閘管破壞。通常，電容器首次接入電力系統(tǒng)時，電容器兩端的電壓為零，此時晶閘管觸發(fā)相位也處在電壓過零點。電容器兩端電壓不會突然變化，如果晶閘管沒有在過零點觸發(fā)，則會在投入時產(chǎn)生過大電流，減少了電容器壽命，而且晶閘管觸發(fā)時電流變化率大于電流上升率時，開通晶閘管則會使電流在門級附近，導致局部過熱。復合開關(guān)在正常運行中會持續(xù)導通一段時間，因此要求正向晶閘管在過零點導通后自然關(guān)斷，觸發(fā)反向晶閘管，使電容器接入電力系統(tǒng)，并在每半個周波時輪流向晶閘管發(fā)出脈沖，直至切除電容器組。當觸發(fā)脈沖停止后，晶閘管會自然關(guān)斷不再導通。

3 無功補償電容器投切復合開關(guān)技術(shù)建模和分析

3．1 搭建模型

根據(jù)復合開關(guān)基本原理和控制策略，選擇專業(yè)的電力系統(tǒng)分析軟件，搭建仿真模型，具體參數(shù)是:電力系統(tǒng)的等值電源為10kV，短路容量為100MVA，額定頻率為50Hz，a相電壓的初始角度是90°，電容器的額定電壓是7．3kV，額定容量是三相，額定電流是109A，串抗率為1%。

3．2 抑制合閘涌流

常規(guī)開關(guān)投入電容器過程中，無法實現(xiàn)分相過零，電容器的電壓容易發(fā)生突變，導致頻率過高、振幅過大的過電流產(chǎn)生，即合閘電流。復合開關(guān)技術(shù)采取分相過零電容器投切策略，分析仿真波形可以發(fā)現(xiàn)，復合開關(guān)投切能夠取得良好的控制效果，抑制了合閘涌流現(xiàn)象。

3．3 抑制分閘過電壓

無功補償電容器利用機械開關(guān)分閘時，如果同時分閘三相開關(guān)，且開關(guān)不會出現(xiàn)重擊穿的情況下，電容器的極間電壓較低，剩余的電壓會經(jīng)放電電阻或放電圈泄出，并不會對電容器產(chǎn)生過電流或過電壓的影響。但是實際情況是，斷路器無法做到不出現(xiàn)重擊穿，當發(fā)生重擊穿時，則會危害電容器。在進行仿真時，分閘時間是a相過零點電流，此時a相電壓能夠達到最大值，所以電容器電壓并不會發(fā)生突變，即與對應時刻的電流電壓相等。a相過零點電流熄弧，則b、c相電流繼續(xù)向電容器充電。當a相電流無電弧時，斷開斷路器，則b、c相電容器電壓持續(xù)變動，在5ms后電流下降至零，斷開b、c兩相的電弧，電容器電壓保持在熄弧時的數(shù)值。

退出復合開關(guān)時，直接通過斷路器將電容器切除。斷路器的電壓較高，容易出現(xiàn)重擊穿問題，使電路接通。電容器初始電壓不同于穩(wěn)態(tài)電壓，在電回路中容易出現(xiàn)暫態(tài)振蕩情況，對電氣設(shè)備產(chǎn)生危害性的過電壓。復合開關(guān)技術(shù)在晶閘管電流過零時進行切除，電容器電壓與分閘電流波形一致，旁路開關(guān)盒斷路器都不會出現(xiàn)電弧，則不會出現(xiàn)過電壓。

4 實際運用效果

某110kV變電站的10kV母線上存在4組無功補償電容器，原先使用了真空斷路器進行投切。該變電站的無功功率存在較大波動，需要頻繁投切電容器組，因此電容器容易出現(xiàn)故障。利用復合開關(guān)投切電容器組，準確設(shè)定技術(shù)參數(shù)，其額定電流為350A，額定電壓為10kV，每相閥串聯(lián)12對晶閘管。每個5min進行一次投入，反復操作10次，并記錄投入時的電流和電壓波形。結(jié)果顯示，電容器無功補償裝置并沒有出現(xiàn)電流沖擊和電壓振動問題。

5 總結(jié)

綜上所述，采用復合開關(guān)能夠延長斷路器和電容器的使用壽命，有利于提高電氣設(shè)備使用效率，節(jié)約設(shè)備成本，確保電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，取得了良好的運行效果。

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