智能相控?cái)嗦菲髟?5 kV并聯(lián)電容器投切中的應(yīng)用

王鎧，張晶焯，伍國(guó)興，廖偉興

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的要求，智能、可靠、清潔的電力設(shè)備受到越來(lái)越多的關(guān)注。電容器組是10～35 kV中壓電網(wǎng)常見(jiàn)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。目前，電容器大部分是三相同時(shí)投切，在投切過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的涌流和過(guò)電壓，這對(duì)電容器及開(kāi)關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行和使用壽命構(gòu)成巨大威脅，甚至危及電力系統(tǒng)穩(wěn)定。

對(duì)于500 kV變電站的35 kV系統(tǒng)，電容器單組容量大，投切頻率高，對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)非常頻繁。每年由于電容器組投切導(dǎo)致一次設(shè)備非正常損壞的事故屢見(jiàn)不鮮，對(duì)電能質(zhì)量及設(shè)備安全運(yùn)行都帶來(lái)了巨大的威脅。目前出現(xiàn)的主要問(wèn)題有：①電容器及間隔開(kāi)關(guān)投切頻繁、電容器容量三相不平衡保護(hù)跳閘至投切失敗，主絕緣擊穿，熔斷器熔斷，使用壽命縮短，供電可靠性下降；②電容器、電抗器本體損壞甚至發(fā)生起火燃燒等事故；③無(wú)功設(shè)備開(kāi)關(guān)經(jīng)常出現(xiàn)重燃現(xiàn)象，大大縮短了開(kāi)關(guān)的使用壽命。

造成以上問(wèn)題的主要原因是投切電容器操作中產(chǎn)生的合閘涌流及分閘過(guò)電壓[1-4]。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者及工程師針對(duì)投切并聯(lián)電容器組引發(fā)的事故進(jìn)行了大量研究[5-9]，近年來(lái)相控開(kāi)關(guān)技術(shù)逐漸應(yīng)用于各電壓等級(jí)的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中，來(lái)抑制電容器組投切時(shí)產(chǎn)生的合閘涌流及分閘過(guò)電壓[10-13]。文獻(xiàn)[14]針對(duì)中低等級(jí)電壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一種相控?cái)嗦菲鳎⑼ㄟ^(guò)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了其抑制合閘涌流的效果。文獻(xiàn)[15]通過(guò)試驗(yàn)研究了相控?cái)嗦菲髟谕肚?0 kV并聯(lián)電容器組中的應(yīng)用，驗(yàn)證了相控?cái)嗦菲髟趯?shí)際電力系統(tǒng)中的有效性。目前尚無(wú)相控?cái)嗦菲髟趯?shí)際35 kV無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究，因此本文首先在理論上分析投切電容器組產(chǎn)生合閘涌流及分閘過(guò)電壓的原因，并介紹了相控開(kāi)關(guān)技術(shù)原理；然后對(duì)相控?cái)嗦菲髟谀?00 kV變電站35 kV無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中的應(yīng)用方案及系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)行了介紹；最后，通過(guò)一系列現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)相控?cái)嗦菲饕种坪祥l涌流和分閘過(guò)電壓的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 投切涌流及過(guò)電壓產(chǎn)生原因分析

1.1 故障過(guò)程

深圳市某500 kV變電站35 kV 33DK電容器組〔設(shè)備型號(hào)CKDK-35/1000-5，設(shè)備容量3 Mvar(整組)，絕緣耐熱等級(jí)F級(jí)，投運(yùn)時(shí)間4 a〕在投入時(shí)，串聯(lián)干式空心電抗器C相在投入30 s內(nèi)即發(fā)生匝間短路故障，C相串聯(lián)電抗器內(nèi)部產(chǎn)生短路電流，故障點(diǎn)發(fā)熱，溫度迅速上升，高溫導(dǎo)致內(nèi)部鋁線圈熔化冒煙，含有鋁金屬的煙灰向上方及周?chē)鷶U(kuò)散，導(dǎo)致故障點(diǎn)上方絕緣子閃絡(luò)，設(shè)備發(fā)展為相間短路故障。故障發(fā)生后經(jīng)過(guò)相關(guān)檢查，相同批次的電抗器符合耐壓要求。根據(jù)近年無(wú)功設(shè)備故障缺陷分析得知，因無(wú)功投切涌流和過(guò)電壓造成的故障占所有缺陷的30%，說(shuō)明該問(wèn)題較為普遍。

1.2 原因分析

通過(guò)對(duì)數(shù)臺(tái)發(fā)生故障后的35 kV干式空心并聯(lián)電抗器進(jìn)行解體分析，發(fā)現(xiàn)故障的主要原因是電抗器匝間擊穿放電，而電抗器匝間絕緣故障主要由系統(tǒng)投切過(guò)程中產(chǎn)生的涌流和過(guò)電壓引起。受電容器特性影響，并聯(lián)電容器投入電網(wǎng)時(shí)，產(chǎn)生的過(guò)渡性電流涌流最大可達(dá)到額定電流的20倍；電容器退出電網(wǎng)時(shí)，斷路器主觸頭斷開(kāi)后，電容器、串聯(lián)電抗器與對(duì)地雜散形成一個(gè)高壓振蕩回路，與另一側(cè)的電網(wǎng)工頻電源形成一個(gè)高頻脈沖電勢(shì)差。由于主觸頭開(kāi)距較小，易因觸頭間耐壓不充分而產(chǎn)生電弧重燃現(xiàn)象，重燃過(guò)程中則會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。母線過(guò)電壓最大可以達(dá)到額定電壓的2.5倍，電容器端過(guò)電壓最大可以達(dá)到額定電壓的3～5倍。

切除35 kV并聯(lián)電容器組的等效電路如圖1所示，其中，K為相控?cái)嗦菲?，Rso為電源系統(tǒng)對(duì)地電阻，Us為電源系統(tǒng)電壓(下標(biāo)中a、b、c對(duì)應(yīng)A、B、C三相，下同)，Ls為電源系統(tǒng)等效電感，Cs為電源系統(tǒng)對(duì)地電容，Cc為連線及電容器組對(duì)地電容之和，Lc為電容器組串聯(lián)電抗，Rc為回路損耗等效電阻，C為電容器單相等值電容，Cco為電容器組中性點(diǎn)對(duì)地電容。斷路器主觸頭斷開(kāi)后，電容器組、串聯(lián)電抗器與對(duì)地雜散電容形成一個(gè)高頻振蕩回路，與另一側(cè)的電網(wǎng)工頻電源形成一個(gè)高頻脈沖電勢(shì)差。所以在主觸頭開(kāi)距小、觸頭間耐壓不充分時(shí)將發(fā)生電弧重燃的現(xiàn)象，電弧的頻率可高達(dá)1 MHz，極大地增加了斷路器滅弧的難度和主觸頭的損耗。

圖1 電容器組開(kāi)斷的等效電路Fig.1 Switching equivalent circuit of capacitor bank

35 kV并聯(lián)電容器組投切時(shí)產(chǎn)生的涌流和過(guò)電壓等暫態(tài)沖擊對(duì)串聯(lián)電抗器本體造成極大的絕緣損害，而且對(duì)電抗器匝間絕緣損壞伴有累積效應(yīng)，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中逐步產(chǎn)生、積累和擴(kuò)大，最終導(dǎo)致故障發(fā)生。

2 相控開(kāi)關(guān)技術(shù)

開(kāi)關(guān)選相分合閘技術(shù)于20世紀(jì)70年代被提出，但由于斷路器及控制器水平較低，相控開(kāi)關(guān)技術(shù)一直停留在理論研究方面，并沒(méi)有成為真正實(shí)用的產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著斷路器制造工藝、現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的不斷提高，相控開(kāi)關(guān)技術(shù)得到飛速發(fā)展，特別是在常規(guī)負(fù)載(參考信號(hào)具有周期性)應(yīng)用領(lǐng)域，如電容器組的投切、空載變壓器的投切等方面的應(yīng)用研究越來(lái)越多。ABB、三菱、Alstom、Vizimax等公司推出了選相控制產(chǎn)品，法國(guó)、加拿大分別開(kāi)展了320 kV變壓器、120 kV電容器選相操作。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也試點(diǎn)引進(jìn)選相投切裝置并開(kāi)展相控開(kāi)關(guān)技術(shù)研究。并成功應(yīng)用于特高壓直流輸電項(xiàng)目中高壓變壓器、濾波器組的選相控制，在中壓電容器選項(xiàng)投切方面也開(kāi)始試點(diǎn)應(yīng)用。

為解決500 kV變電站35 kV電容器投切暫態(tài)問(wèn)題，目前普遍采用72.5 kV的SF6敞開(kāi)式戶(hù)外開(kāi)關(guān)投切電容器組。雖然SF6開(kāi)關(guān)耐受涌流及過(guò)電壓的沖擊水平和滅弧特性都要高于真空開(kāi)關(guān)，但因其投切方式仍是三相聯(lián)動(dòng)的隨機(jī)投切方式，在投切過(guò)程中產(chǎn)生的涌流和過(guò)電壓并沒(méi)有得到抑制或削弱，因此無(wú)法從根本上解決無(wú)功設(shè)備投切問(wèn)題，存在安全隱患，投切暫態(tài)沖擊問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。

由于系統(tǒng)電壓是三相交流正弦波形，初始相角會(huì)因分合閘時(shí)間不同而變化，因此在利用斷路器投切一些一次設(shè)備時(shí)會(huì)產(chǎn)生涌流和過(guò)電壓。如果能夠?qū)祥l角進(jìn)行精準(zhǔn)控制，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)操作過(guò)電壓及合閘涌流的有效抑制。不同特性的負(fù)載(容性、感性)產(chǎn)生涌流和過(guò)電壓的原因也不盡相同，因此需要采用不同的、有針對(duì)性的控制策略來(lái)抑制涌流和過(guò)電壓。對(duì)于容性負(fù)載，在斷路器進(jìn)行分合操作時(shí)，由于電容器兩端的電壓不能突變，將會(huì)在分合瞬間產(chǎn)生較大的涌流及過(guò)電壓；因此，如果斷路器分合閘的瞬間是在電壓過(guò)零點(diǎn)處，那么將會(huì)有效防止因電壓突變產(chǎn)出的涌流和過(guò)電壓[16-17]。

2.1 相控合閘技術(shù)原理

容性負(fù)載的相控合閘技術(shù)原理如圖2所示，其中，tc為輸入外部合閘操作指令時(shí)刻，t0為參考電壓過(guò)零點(diǎn)，tp為三相選擇的不同目標(biāo)關(guān)合相位時(shí)刻，tm為開(kāi)關(guān)觸頭金屬接觸時(shí)刻。由開(kāi)關(guān)各相合閘所需時(shí)間與目標(biāo)關(guān)合相位時(shí)刻tp可獲得開(kāi)關(guān)各相延遲時(shí)間td?？刂破髟谘訒r(shí)td后觸發(fā)合閘操作，開(kāi)關(guān)觸頭在tm時(shí)刻完成閉合，實(shí)現(xiàn)各相電壓過(guò)零關(guān)合。

圖2 容性負(fù)載相控合閘技術(shù)原理Fig.2 Phase-control closing technology with capacitive load

2.2 相控分閘技術(shù)原理

容性負(fù)載的相控分閘技術(shù)原理如圖3所示，其中，d為開(kāi)關(guān)觸頭金屬分離時(shí)行程，dz為電弧熄滅時(shí)觸頭行程，Uarc為觸頭間隙電壓，tc為輸入外部分閘操作指令時(shí)刻，ts為開(kāi)關(guān)觸頭金屬分離時(shí)刻，tz為電弧熄滅即電流為零的時(shí)刻，開(kāi)關(guān)燃弧時(shí)間tarc=tz-ts(最小燃弧時(shí)間根據(jù)開(kāi)關(guān)滅弧室和負(fù)載特性確定)。三相開(kāi)關(guān)延時(shí)觸發(fā)時(shí)間td由三相分閘時(shí)間和預(yù)設(shè)的燃弧時(shí)間tarc計(jì)算得到?？刂破髟谘訒r(shí)td時(shí)間后啟動(dòng)分閘線圈，在時(shí)刻ts，觸頭開(kāi)始分離直到時(shí)刻tz電弧熄滅，完成分閘操作。

圖3 容性負(fù)載相控分閘技術(shù)原理Fig.3 Phase-control opening technology with capacitive load

涌流抑制技術(shù)可以通過(guò)選相分合閘實(shí)現(xiàn)抑制開(kāi)關(guān)操作時(shí)所產(chǎn)生的涌流和過(guò)電壓等暫態(tài)沖擊，從而達(dá)到提高電能質(zhì)量及斷路器開(kāi)斷容量、延長(zhǎng)設(shè)備壽命及檢修周期的目的[18-21]。

3 相控?cái)嗦菲鲬?yīng)用方案

3.1 應(yīng)用方案

對(duì)深圳市某500 kV變電站內(nèi)35 kV 4 M第1組電容器344開(kāi)關(guān)進(jìn)行相控改造，將原有西門(mén)子敞開(kāi)式聯(lián)動(dòng)斷路器更換為西門(mén)子敞開(kāi)式三相分相斷路器，并加設(shè)1套微機(jī)涌流抑制器裝置。更換的斷路器能滿足三相分相操作要求，采用SF6滅弧介質(zhì)，三相獨(dú)立的彈簧操作機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)動(dòng)作性能相對(duì)穩(wěn)定，動(dòng)作時(shí)間分散性在2 ms以?xún)?nèi)。與普通斷路器的差異在于2個(gè)方面：能夠三相分相動(dòng)作；機(jī)械穩(wěn)定性較好。

微機(jī)涌流抑制器裝置要求具備：

a)以電壓或電流為參考，根據(jù)負(fù)載類(lèi)型，可實(shí)現(xiàn)不同相位控制投切策略，并精準(zhǔn)地發(fā)出分相控制指令至斷路器。

b)一定的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能，以補(bǔ)償斷路器動(dòng)作時(shí)間誤差，實(shí)現(xiàn)精確控制。電容器在正常投切時(shí)，通過(guò)自動(dòng)電壓無(wú)功控制系統(tǒng)(voltage quality control，VQC)或監(jiān)控后臺(tái)發(fā)送啟動(dòng)分合閘指令給保護(hù)測(cè)控裝置，保護(hù)測(cè)控裝置接收到分合閘命令后發(fā)送分合閘脈沖到斷路器。

采用相控技術(shù)后斷路器分合閘流程如圖4所示。涌流抑制器接收到合閘控制指令后，裝置進(jìn)行計(jì)算，然后將合、分閘脈沖發(fā)出至35 kV電容器斷路器合、分閘線圈操作回路，對(duì)電容器組執(zhí)行三相分相相控合分閘操作。

3.2 相控裝置投切策略及裝置調(diào)試

為實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)三相過(guò)零點(diǎn)合閘，相控裝置需按規(guī)定時(shí)序分別控制A、B、C三相合閘，深圳某500 kV變電站344相控開(kāi)關(guān)合閘順序?yàn)镃相→B相→A相，分別延時(shí)1.67 ms和6.67 ms。

在試驗(yàn)前對(duì)分相開(kāi)關(guān)三相進(jìn)行開(kāi)關(guān)特性測(cè)試，得到開(kāi)關(guān)分、合閘時(shí)間，相間不同期及分、合閘速度的數(shù)據(jù)，利用測(cè)試數(shù)據(jù)優(yōu)化相控裝置相位選擇精確性及穩(wěn)定性。開(kāi)關(guān)隨機(jī)投切測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，相控模式下開(kāi)關(guān)分合閘時(shí)間見(jiàn)表2。

相控裝置投切開(kāi)關(guān)時(shí)間實(shí)際最大誤差約為0.007 ms，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。數(shù)據(jù)穩(wěn)定性需要用更大的數(shù)據(jù)樣本(即更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間)來(lái)說(shuō)明，后期注意運(yùn)行數(shù)據(jù)提取和跟蹤分析。

表1 分相開(kāi)關(guān)三相機(jī)械特性測(cè)試結(jié)果(隨機(jī)模式)Tab.1 Test results of three phase switching characteristics in random mode

表2 分相開(kāi)關(guān)三相合閘時(shí)間測(cè)試結(jié)果(相控模式)Tab.2 Test results of three phase switching characteristic in phase-control mode

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)方案

35 kV電容器組相控投切試驗(yàn)檢測(cè)關(guān)鍵參數(shù)是電容器端口高壓端相對(duì)地暫態(tài)電壓和斷路器三相暫態(tài)電流，分別通過(guò)電容器本體電壓互感器二次側(cè)和斷路器電流互感器二次側(cè)接出測(cè)量錄波?？刂齐娙萜魍肚虚_(kāi)關(guān)，記錄投切涌流及過(guò)電壓，操作流程如下：

a)不采用相控時(shí)(三相聯(lián)動(dòng)隨機(jī)方式)，每間隔5 min投切一次開(kāi)關(guān)，檢查記錄波形結(jié)果有無(wú)重燃現(xiàn)象，如無(wú)重燃，投切5次后結(jié)束試驗(yàn)。

圖4 采用相控技術(shù)后斷路器分合閘流程Fig.4 Opening and closing flowchart of circuit breaker using phase-control technology

b)采用相控時(shí)(三相分相相控方式)，每間隔5 min投切一次開(kāi)關(guān)，檢查記錄波形結(jié)果有無(wú)重燃現(xiàn)象，如無(wú)重燃，投切開(kāi)關(guān)5次后結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Test site

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)深圳市某500 kV變電站內(nèi)35 kV 4M第1組電容器組344開(kāi)關(guān)進(jìn)行10次投切試驗(yàn)，試驗(yàn)檢測(cè)參數(shù)為電容器高壓端相對(duì)地電壓的二次電壓及斷路器三相電流的二次電流，隨機(jī)合閘、相控合閘、隨機(jī)分閘、相控分閘的典型電壓(UA、UB、UC)、電流(IA、IB、IC)錄波結(jié)果分別如圖6、7所示。

圖6 隨機(jī)合閘、相控合閘電壓、電流錄波Fig.6 Recorded voltage and current curves of random and phase-control closing

隨機(jī)投切試驗(yàn)、相控投切試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表3、表4、表5。結(jié)合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)及動(dòng)作錄波分析，在正常運(yùn)行而未經(jīng)涌流抑制時(shí)，采用隨機(jī)方式控制斷路器投切，電容器操作最大涌流為4.2(標(biāo)

圖7 隨機(jī)分閘、相控分閘電壓錄波Fig.7 Recorded voltage curves of random and phase-control opening

幺值，下同)，過(guò)電壓為1.81。而在正常運(yùn)行經(jīng)涌流抑制時(shí)，采用相控方式控制斷路器投切，電容器操作最大涌流為2.3，過(guò)電壓為1.4。相比隨機(jī)操作，相控操作涌流降低42%，過(guò)電壓降低28%。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用微機(jī)涌流抑制技術(shù)將電容器投入時(shí)涌流及過(guò)電壓均控制在了額定范圍，相比原來(lái)三相聯(lián)動(dòng)操作方式，無(wú)功投切暫態(tài)涌流和操作過(guò)電壓都得到大幅抑制，減小了投切時(shí)對(duì)一次設(shè)備絕緣損耗及系統(tǒng)的影響，驗(yàn)證了微機(jī)涌流抑制技術(shù)對(duì)35 kV大容量并聯(lián)電容器投切暫態(tài)涌流的抑制效果明顯。

5 結(jié)論

a)經(jīng)相控?cái)嗦菲魍肚?5 kV并聯(lián)電容器組時(shí)的合閘涌流在2.3以下，過(guò)電壓在1.4以下；普通SF6斷路器投切35 kV并聯(lián)電容器組時(shí)的合閘涌流在4.2以下，過(guò)電壓在1.81以下。相比普通SF6斷路器，相控?cái)嗦菲鞑僮饔苛鹘档土?2%，過(guò)電壓降低了28%。

b)與傳統(tǒng)隨機(jī)投切電容器組比較，通過(guò)相控?cái)嗦菲魍肚须娙萜鹘M時(shí)：合閘涌流明顯降低，大幅度減少對(duì)電抗器的沖擊；分閘重燃幾率低，斷路器使用壽命及運(yùn)行安全性得到提升；投切過(guò)程中諧波減少，母線電壓質(zhì)量明顯改善。

表3 隨機(jī)投切試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Random switching test results

表4 相控投切試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Phase-control switching test results

c)通過(guò)涌流抑制技術(shù)對(duì)500 kV變電站35 kV電容器投切進(jìn)行控制，能夠有效抑制電容器組投切涌流和過(guò)電壓，穩(wěn)定母線電壓，避免投切暫態(tài)危害及次生事故，延長(zhǎng)無(wú)功設(shè)備及斷路器的使用壽命，提高無(wú)功投切和系統(tǒng)運(yùn)行安全，應(yīng)用效果顯著，具有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，值得在其他工程項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。