同步關(guān)合技術(shù)在無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

黃敏 陳晶晶

摘 要：本文對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置開(kāi)關(guān)合閘時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓、涌流以及諧波進(jìn)行了精確的定量分析，并在此分析的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出無(wú)功補(bǔ)償裝置同步關(guān)合的時(shí)序。對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器的同步關(guān)合進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明同步關(guān)合技術(shù)能夠有效抑制無(wú)功補(bǔ)償裝置合閘過(guò)程中的過(guò)電壓、涌流和諧波，從而改善電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：同步關(guān)合；無(wú)功補(bǔ)償；電能質(zhì)量；操作過(guò)電壓；涌流

目前，我國(guó)的智能電網(wǎng)事業(yè)已進(jìn)入全面建設(shè)階段，加快配電網(wǎng)建設(shè)，初步形成智能電網(wǎng)運(yùn)行控制和互動(dòng)服務(wù)體系，關(guān)鍵技術(shù)和裝備實(shí)現(xiàn)突破和應(yīng)用是這一階段工作的目標(biāo)。同步關(guān)合技術(shù)作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)理應(yīng)在國(guó)內(nèi)得到推廣和普及。所謂同步關(guān)合技術(shù)是指斷路器動(dòng)、靜觸頭在控制系統(tǒng)的控制下，在系統(tǒng)電壓波形的指定相角處關(guān)合，使得空載變壓器、電容器和空載線(xiàn)路等電力設(shè)備在對(duì)自身和系統(tǒng)沖擊最小的情況下投入電力系統(tǒng)的智能控制技術(shù)。該技術(shù)大大降低了合閘操作暫態(tài)過(guò)程中的過(guò)電流和過(guò)電壓，從而大大提高電力設(shè)備的壽命和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 投入電容器暫態(tài)對(duì)電能質(zhì)量的影響

在電力系統(tǒng)中，無(wú)功補(bǔ)償電容器是通過(guò)高壓開(kāi)關(guān)投切的。然而，傳統(tǒng)的高壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，電網(wǎng)電壓相位是隨機(jī)的，當(dāng)投入無(wú)功補(bǔ)償電容器時(shí)會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生的高的過(guò)電壓和大的浪涌電流，向電網(wǎng)注入大量的低次諧波，降低了電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，并可能對(duì)開(kāi)關(guān)等用電設(shè)備造成損壞。電容器投入產(chǎn)生的過(guò)電壓和涌流的大小，與合閘時(shí)電網(wǎng)電壓的相位有關(guān)。下面，將通過(guò)理論計(jì)算來(lái)分析過(guò)電壓和涌流與合閘時(shí)電網(wǎng)電壓相位之間的關(guān)系。

斷路器投入電容器的等效電路如圖1所示。圖中，u（t）為電網(wǎng)電壓，QF為斷路器，L為線(xiàn)路等效電感，R為線(xiàn)路等效電阻，C為電容器。

由（3）、（4）二式可繪制出系統(tǒng)在不同合閘相位時(shí)的過(guò)電壓和涌流曲線(xiàn)，如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3中可看出，系統(tǒng)過(guò)電壓和涌流在合閘時(shí)電源電壓相角（∈[0，π/2]內(nèi)隨（遞增。若在電源電壓相角為0時(shí)合閘，則系統(tǒng)過(guò)電壓和涌流最小，分別為1.03p.u.和1.99p.u.；若在電源電壓相角為π/2時(shí)合閘，則系統(tǒng)過(guò)電壓和涌流最大，分別為2p.u.和8.96p.u.。由此可看出，電容器的投入對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響程度與合閘時(shí)電源電壓相角（有著密切的關(guān)系。若想盡量減小電容器投入對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，就應(yīng)當(dāng)在電壓過(guò)零點(diǎn)關(guān)合斷路器。

2 無(wú)功補(bǔ)償裝置的同步關(guān)合

同步關(guān)合技術(shù)的主要思想是以電網(wǎng)電壓或電流為參考信號(hào)，根據(jù)合閘命令時(shí)的電網(wǎng)信息和開(kāi)關(guān)負(fù)類(lèi)型，控制開(kāi)關(guān)觸頭在最佳相位關(guān)合，以減小開(kāi)關(guān)合閘操作時(shí)暫態(tài)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，提高系統(tǒng)的可靠性。將同步關(guān)合技術(shù)應(yīng)用到無(wú)功補(bǔ)償裝置中，能大大降低合閘操作暫態(tài)過(guò)程中的過(guò)電流和過(guò)

電壓，不僅改善了電能質(zhì)量，而且大大提高了電力設(shè)備的壽命。下面將通過(guò)一組10kV無(wú)功補(bǔ)償電容器的投入過(guò)程來(lái)加以分析。

在我國(guó)電力系統(tǒng)中，變電站主變10kV側(cè)多為三角形連接，無(wú)功補(bǔ)償電容器多采用中性點(diǎn)不接地的星形連接，接線(xiàn)圖如圖4所示。

按照電壓過(guò)零時(shí)投入沖擊最小的原則，在圖3所示的系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)在uAB=0時(shí)同時(shí)關(guān)合QFA和QFB。合上QFA和QFB后，相當(dāng)于uA作用在A、C兩相電容器串聯(lián)而成的電容器上，此時(shí)，以B點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，中性點(diǎn)O點(diǎn)電壓為：

考慮到三相斷路器合閘的同期性，k值應(yīng)盡量取小。

3 同步關(guān)合技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

2011年在湖北省電力公司荊州紀(jì)南220KV變電站智能化改造中，采用了6套基于同步關(guān)合技術(shù)的開(kāi)關(guān)設(shè)備——“GLS-200系列智能相控?cái)嗦菲鳌薄LS-200系列智能相控開(kāi)關(guān)設(shè)備適用于35kV及以下中壓系統(tǒng)電力電容器、電抗器等特殊負(fù)荷支路的投切控制。該系統(tǒng)采用操作電容箱為斷路器線(xiàn)圈提供直流電源，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)永磁真空斷路器的分合閘控制，并通過(guò)軟件動(dòng)態(tài)補(bǔ)償（PID閉環(huán)控制）確保斷路器分合閘動(dòng)作精度控制在±0.5mS以?xún)?nèi)。主控單元和驅(qū)動(dòng)單元采用高速光纖互連，通訊鏈路采用純硬件控制，分合閘傳輸命令延時(shí)固定在0.025±0.015ms范圍內(nèi)，很好的解決了實(shí)時(shí)性和可靠性的矛盾。驅(qū)動(dòng)單元將斷路器的狀態(tài)數(shù)據(jù)回采給主控單元，主控單元將其存儲(chǔ)到SD卡中，通過(guò)工程維護(hù)軟件提取錄波文件可以分析斷路器分合閘過(guò)程中的機(jī)械特性以及主回路電壓電流變化情況，方便了解相控?cái)嗦菲鞯目刂凭群涂刂菩Ч?，較少運(yùn)維工作量。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了完善的控制回路自檢功能，實(shí)時(shí)在線(xiàn)對(duì)主控單元與驅(qū)動(dòng)單元連接的光纖通道，以及驅(qū)動(dòng)單元與開(kāi)關(guān)本體的驅(qū)動(dòng)回路進(jìn)行監(jiān)控，回路斷線(xiàn)等異常工況可以自動(dòng)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了斷路器同步關(guān)合的智能化。

4 結(jié)語(yǔ)

將同步關(guān)合技術(shù)應(yīng)用于無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)降低暫態(tài)過(guò)程中的涌流、過(guò)電壓和諧波，提高了電網(wǎng)安全運(yùn)行水平和電能質(zhì)量，同時(shí)也延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命和檢修周期?；谕疥P(guān)合技術(shù)的智能相控?cái)嗦菲鬟€能把開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)中，為開(kāi)關(guān)的狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)，將運(yùn)行維護(hù)檢修工作從“被動(dòng)檢修”變成“自動(dòng)檢測(cè)”，可以極大地提高運(yùn)行效率。