新型混合式電容器組投切開關(guān)仿真研究

凌斯+秦濤濤

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)選項(xiàng)開關(guān)受斷路器分合閘時(shí)間分散性嚴(yán)重及相位信息難以提取的難點(diǎn)，本論文設(shè)計(jì)了一種新型混合式電容器組投切開關(guān)，提出了單相電容器組投切策略，建立了單相電容器組投切模型，并進(jìn)行了投切策略仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了投切策略的可行性，為新型混合式電容器組投切開關(guān)工程化提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：電容器組投切 混合式開關(guān) 仿真模型

中圖分類號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（b）-0035-02

選相技術(shù)可控制開關(guān)在電壓或電流最有利的相位完成分閘或合閘，以消除開關(guān)過程中所產(chǎn)生的涌流和過電壓等電磁暫態(tài)效應(yīng)，提高開關(guān)的開斷能力及電網(wǎng)智能化。傳統(tǒng)的選相控制技術(shù)面臨兩個(gè)難點(diǎn)：第一，是斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)分合閘分散性較大；第二，是零點(diǎn)相位信息難以提取。對(duì)于前者，目前多采取相應(yīng)的控制方法保證斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作穩(wěn)定性，將分合閘時(shí)間分散性穩(wěn)定至一定范圍，確保其投切精度。對(duì)于后者目前的主要方法是通過一定的濾波算法，進(jìn)行零點(diǎn)預(yù)測(cè)，從而確保投切精度。相比于自由投切過程，帶選相技術(shù)的電容器組投切過程大大降低了合閘涌流及過電壓，但是由于上述兩個(gè)難點(diǎn)的存在，一定程度上降低了現(xiàn)有選相技術(shù)的可靠性，這也是目前選相斷路器沒有大規(guī)模應(yīng)用的主要原因之一。

本論文提出了一種新型混合式電容器組投切開關(guān)，它由兩個(gè)機(jī)械斷口、硅堆、操動(dòng)機(jī)構(gòu)3個(gè)部分組成，其典型特點(diǎn)是利用硅堆的自然過零特性進(jìn)行選相操作，無需進(jìn)行零點(diǎn)預(yù)測(cè)。另外該新型電容器組投切選相開關(guān)僅需將機(jī)械開關(guān)的合閘時(shí)間控制一定窗口之內(nèi)即可，大大降低了對(duì)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求。這兩方面優(yōu)點(diǎn)有效地解決了電容器組投切開關(guān)的投切時(shí)間及投切精度問題，能夠滿足選相操作的相關(guān)要求。

1 工作原理及投切策略

本文所設(shè)計(jì)的混合式電容器組投切開關(guān)基本原理如圖1所示。

其單相分合閘過程及策略描述如下：（1）單相合閘過程。在電壓負(fù)向階段閉合斷口S1，斷口S2打開，在電壓由負(fù)向變?yōu)檎蜻^程中，利用硅堆的正向?qū)ㄌ匦?，將電容器組接入系統(tǒng)，然后在下一個(gè)電流零點(diǎn)之前閉合斷口S2，由機(jī)械斷口S1和S2共同承擔(dān)系統(tǒng)電流，進(jìn)行長期運(yùn)行，避免硅堆運(yùn)行時(shí)間過長而損壞。（2）單相分閘過程。當(dāng)電流正向流過硅堆D時(shí)，打開斷口S2，此時(shí)電流流過硅堆支路，半個(gè)周期之后，電流自然過零至負(fù)半周期，此時(shí)硅堆因電流反向自然關(guān)斷。在下一個(gè)正半周期電流到達(dá)之前，打開斷口S1，即可完成整個(gè)分閘過程。在整個(gè)運(yùn)行過程中，流經(jīng)硅堆的電流持續(xù)時(shí)間較短，無需人為加裝冷卻設(shè)備，自然冷卻即可滿足運(yùn)行條件。

2 仿真模型與分析

根據(jù)以上單相分合閘策略，在電磁暫態(tài)仿真軟件中建立了單相電容器組投切電路模型，進(jìn)行了投切策略仿真驗(yàn)證。模型中系統(tǒng)電壓為10kV，頻率為50Hz，接地電阻為20mΩ。其中單相合閘過程電容器組支路電流波形如圖2所示。

按照前述合閘策略可在電壓負(fù)半波任意時(shí)刻導(dǎo)通斷口S1，本研究中選擇在10ms時(shí)刻。在下一個(gè)電壓零點(diǎn)，硅堆D自然導(dǎo)通，并將導(dǎo)通1/4周期。在這1/4周期內(nèi)，閉合斷口S2，本研究中選擇在19ms處閉合S2。從電容器組電流波形中可以看出并沒有出現(xiàn)涌流。根據(jù)前述的分閘策略進(jìn)行仿真，得到分閘過程斷口電壓波形如圖3所示。在電流大于零之后的任一時(shí)刻斷開斷口S2，電流轉(zhuǎn)移至硅堆支路，然后在下一個(gè)電流過零點(diǎn)之后，電流反向，電容器組自然切除，然后斷口S1打開，完成分?jǐn)?。從圖3中可看出電容器組切斷之后無過電壓產(chǎn)生。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型混合式電容器組投切開關(guān)，提出了單相電容器組投切策略，建立了單相電容器組投切模型，并進(jìn)行了投切策略仿真研究，仿真結(jié)果表明該新型電容器組投切開關(guān)在投切過程中無涌流和過電壓產(chǎn)生，消除了電磁暫態(tài)效應(yīng)，投切策略可行，可為工程樣機(jī)制作提供理論指導(dǎo)。

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