基于接觸器控制的電容電抗器組投切方案

劉成學(xué)，黃棋悅，嚴(yán) 楠

（1.庫柏（寧波）電氣有限公司，浙江 寧波 315300；2.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315800）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)容量也在逐漸擴(kuò)大，其中無功負(fù)荷的需求在逐年擴(kuò)大，波動也日益頻繁。為了滿足電力系統(tǒng)無功的需求，往往采用并聯(lián)電容器組和電抗器組進(jìn)行無功補(bǔ)償，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

現(xiàn)代電網(wǎng)采用高度自動化的方式運(yùn)行，其中無功補(bǔ)償主要通過AVC（自動電壓無功控制）系統(tǒng)進(jìn)行控制，根據(jù)線路無功功率的波動自行投入和退出運(yùn)行。電網(wǎng)的無功功率變化頻繁，電容、電抗器組的投切頻率很高，其投切主要通過真空斷路器來實(shí)現(xiàn)[2]。真空斷路器具有結(jié)構(gòu)簡單、開斷能力強(qiáng)、可頻繁操作等優(yōu)點(diǎn)，但因其較強(qiáng)的開斷能力，會在開斷小電流時(shí)發(fā)生截流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致投切過電壓[3]。該過電壓輕則導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動作，重則使斷路器燒毀，進(jìn)而影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。電容、電抗器組的投切困境一直是電力系統(tǒng)急需解決的問題[4-6]，國內(nèi)外專家針對這一困境，提出了安裝相對地和相間避雷器、RC（電阻-電容）保護(hù)法和選相投切技術(shù)等方案。這些方案都在不同程度上能夠減輕投切過電壓、降低故障發(fā)生的可能性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7-8]，但由于無法從根本上消除投切過電壓，因此仍存在一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

本文提出了一種基于接觸器控制的電容電抗器組投切方案。分析了投切過電壓產(chǎn)生的機(jī)理，并以此為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于接觸器控制的投切方案。在電容電抗器組中性點(diǎn)短接回路加裝真空接觸器，通過控制接觸器的分合，接通或斷開中性點(diǎn)短接回路，實(shí)現(xiàn)對電容電抗器組的投入和退出操作。建立PSCAD 仿真模型，模擬投切時(shí)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程，獲得無功補(bǔ)償效率及暫態(tài)波形，驗(yàn)證了所提方案投切的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 過電壓機(jī)理及治理

針對電容、電抗器組投切過電壓的產(chǎn)生，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和仿真工作[9-10]，如今主流的過電壓產(chǎn)生機(jī)理有截流過電壓和復(fù)燃過電壓2 種。

1.1 截流過電壓

工程中采用斷路器投切電容、電抗器組，而斷路器一般被設(shè)計(jì)用來切斷短路電流。電容、電抗器組的負(fù)荷電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于短路電流，因此，在斷路器投切時(shí)，由于其過強(qiáng)的開斷能力，可能導(dǎo)致電弧在自然過零點(diǎn)之前就熄滅。這種電弧提前熄滅的現(xiàn)象稱為截流。截流過電壓與截流電流值、電抗器電抗值和雜散電容等諸多因素有關(guān)[11]。

1.2 復(fù)燃過電壓

復(fù)燃現(xiàn)象是斷路器開斷過程中的常見現(xiàn)象。當(dāng)斷路器滅弧室的絕緣水平超過恢復(fù)電壓時(shí)，斷路器正常開斷電流。而當(dāng)滅弧室的絕緣水平低于恢復(fù)電壓時(shí)，斷路器發(fā)生復(fù)燃。這種復(fù)燃，會產(chǎn)生高頻的振蕩電流流經(jīng)斷路器，而斷路器又將該振蕩電流切斷，該切斷過程又將重新引發(fā)復(fù)燃現(xiàn)象。因此，多次重復(fù)的復(fù)燃現(xiàn)象會使得振蕩電流的電壓值不斷攀升，進(jìn)而產(chǎn)生很高的過電壓。這樣的復(fù)燃過電壓幅值和頻率都很高，威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[12]。

為治理普遍存在的電容電抗器組投切過電壓問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和仿真工作，主要的對策有采用RC 阻容裝置保護(hù)方案、采用電力電子開關(guān)投切方案和斷路器選相投切方案等。

1.3 RC 阻容裝置保護(hù)方案

將電阻和電容串聯(lián)，構(gòu)成RC 阻容裝置，根據(jù)需求將該裝置安裝在母線側(cè)或避雷器側(cè)。理論上RC 阻尼裝置接入回路后，改變了回路的電氣參數(shù)，增加了系統(tǒng)對地電容，進(jìn)而有效降低過電壓的幅值，對斷路器起保護(hù)作用。其還能夠通過電阻阻尼作用降低高頻震蕩時(shí)的頻率，保護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.4 電力電子開關(guān)投切方案

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，通過在常規(guī)開關(guān)上并聯(lián)晶閘管閥體開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電容、電抗器組的無擾動投入與退出，能夠精確地控制電抗器在過零點(diǎn)投切，避免過電壓的出現(xiàn)。該方案一方面能夠延長電抗器組與開關(guān)的壽命，并且能夠?qū)崿F(xiàn)頻繁投切；另一方面還具有運(yùn)行損耗小、節(jié)能效果明顯，可模組化設(shè)計(jì)和工程改動量小等特征。

1.5 選相投切方案

選相技術(shù)由選相分合閘裝置控制斷路器在理想的分、合閘角度下對負(fù)載實(shí)現(xiàn)投切。通過實(shí)時(shí)采集電源側(cè)PT（電壓互感器）信號作為選相基準(zhǔn)信號，并同時(shí)將接入受控側(cè)的回采電流和電壓信號作為分合閘完成判據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)斷路器在設(shè)定相位的投切操作。該技術(shù)還可用于控制電容器、電抗器、變壓器和長線路等各種負(fù)載的投切。

2 投切方案介紹

第1 節(jié)研究了過電壓的產(chǎn)生機(jī)理，并舉例說明了傳統(tǒng)的過電壓解決方案。然而，這些方法在不同程度上存在著不足，如RC 阻尼保護(hù)裝置存在回路負(fù)載、設(shè)計(jì)繁瑣和只能被動吸收過電壓的缺陷；電力電子開關(guān)投切方案造價(jià)高昂、高電壓等級的投切技術(shù)并不成熟；選相投切技術(shù)的長期可靠性、運(yùn)行后分合閘時(shí)間的離散性變化需要更進(jìn)一步的研究。

為了解決投切過電壓對電力系統(tǒng)的威脅，降低可能的經(jīng)濟(jì)損失，本文提出了在電容器電抗器中性點(diǎn)短接回路加裝接觸器，通過控制接觸器的分合，接通或斷開中性點(diǎn)三相短接線，從而控制電容器電抗器的投切方案。該方案能夠較好地解決投切過電壓對電力系統(tǒng)的威脅，并極大地降低了可能造成的經(jīng)濟(jì)損失。方案原理如圖1 所示（以電抗器為例）。

圖1 接觸器投切方案原理

圖1 中，QFA，QFB，QFC分別為斷路器，將電抗器組與電網(wǎng)相并聯(lián)；LA，LB，LC分別為電抗器；QKA，QKB，QKC分別為投切接觸器。

傳統(tǒng)方案投切電容、電抗器組時(shí)，采用斷路器QF 直接投切的方式。投切過電壓的產(chǎn)生會威脅電力安全穩(wěn)定運(yùn)行，而基于接觸器控制的投切方案采用控制接觸器的分合，接通或斷開中性點(diǎn)三相短接線，從而控制電容器電抗器的投切方式。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，斷路器QF 閉合，接觸器QK 斷開，此時(shí)電抗器組L 回路不接地，處于斷開狀態(tài)，電力系統(tǒng)沒有無功補(bǔ)償；當(dāng)電力系統(tǒng)產(chǎn)生無功不平衡時(shí)，接觸器QK 閉合，電抗器組L回路導(dǎo)通，無功補(bǔ)償回路接入電力系統(tǒng)中調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功平衡；當(dāng)電抗器組L 或者接觸器發(fā)生故障時(shí)，斷路器QF 斷開，切除故障，以保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

傳統(tǒng)投切方案采取斷路器投切電容、電抗器組。由于負(fù)荷不斷變化，斷路器動作十分頻繁，反復(fù)的投切過程極大地影響了斷路器的工況及使用壽命，進(jìn)而威脅電力系統(tǒng)穩(wěn)定?；诮佑|器控制的投切方案采用接觸器投切電容、電抗器組，投切過程斷路器保持閉合狀態(tài)。當(dāng)接觸器發(fā)生短路故障時(shí)，為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，斷路器動作，斷開無功補(bǔ)償回路，其動作頻率相比傳統(tǒng)方案大大降低。反復(fù)的投切工作只會影響接觸器的工況及使用壽命，基本不會對斷路器產(chǎn)生不良影響。而接觸器本身價(jià)格低廉、可高頻率操作、使用壽命長和方便頻繁更換，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

3 仿真驗(yàn)證

本文采用PSCAD 仿真軟件搭建簡單的電力系統(tǒng)模型，驗(yàn)證接觸器投切方案在電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償中運(yùn)行的可行性[13]。電力系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 投切方案分析仿真模型

圖2 中，三相交流電源為仿真模型提供電能；三相感性負(fù)載用于模擬無功波形；電壓電流信號檢測模塊用來測量系統(tǒng)三相電壓、電流值；電能計(jì)算和波形顯示用來觀察系統(tǒng)有功、無功波形；斷路器投切方案為采用傳統(tǒng)斷路器投切電容電抗器組實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償；接觸器投切方案為基于接觸器控制的投切電容電抗器組實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。

3.1 正常投切時(shí)的無功

分別在同一仿真模型下，采用不同的投切方案觀察無功補(bǔ)償數(shù)據(jù)，進(jìn)行試驗(yàn)仿真。仿真數(shù)據(jù)如表1、表2 所示。

表1 斷路器投切時(shí)的仿真數(shù)據(jù)

表2 接觸器投切時(shí)的仿真數(shù)據(jù)

由表1、表2 可知，在無功補(bǔ)償前，負(fù)載的無功缺量大、無功波動頻繁，系統(tǒng)功率因數(shù)低，需進(jìn)行大功率的無功補(bǔ)償。而基于接觸器控制的投切方案和斷路器投切方案效果基本相同，均能有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功的快速補(bǔ)償。補(bǔ)償后的系統(tǒng)無功缺量均降到3 kvar 以下，系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到0.99 以上，具有較高的精確性。仿真驗(yàn)證了所提投切方案無功補(bǔ)償時(shí)的可行性。

3.2 正常投切時(shí)的電壓電流

采用基于接觸器控制的投切方案，觀察正常投切時(shí)流經(jīng)接觸器的電流值和投切過電壓。仿真結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 切除時(shí)暫態(tài)電流波形

圖4 切除時(shí)暫態(tài)電壓波形

由圖3 可知，采用接觸器投切電容、電抗器組時(shí)，接觸器暫態(tài)電流值迅速下降至0。由于復(fù)燃現(xiàn)象，由圖4 觀察到暫態(tài)電壓短暫攀升，經(jīng)0.1 s 后，復(fù)燃現(xiàn)象消失，電壓迅速下降至0。經(jīng)計(jì)算，接觸器側(cè)暫態(tài)電壓倍數(shù)在1.5～2.5 倍，未發(fā)生過電壓現(xiàn)象。

3.3 短路故障時(shí)的仿真

基于接觸器控制的投切方案采用接觸器投切電容電抗器組，而接觸器熄弧能力弱，無法切除短路電流。當(dāng)接觸器K2或者電容電抗器組2 發(fā)生短路故障時(shí)，斷路器QF2需及時(shí)動作，切除故障，以保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。進(jìn)行試驗(yàn)仿真，觀察基于接觸器控制的投切方案在發(fā)生短路故障時(shí)的斷路器投切過程和系統(tǒng)電流，短路點(diǎn)設(shè)置為電容器組2，短路類型為三相接地短路，短路時(shí)刻為1 s。仿真結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 斷路器動作狀態(tài)

圖6 輸電線路電流

由圖5、圖6 可知，在發(fā)生短路故障時(shí)，斷路器QF2迅速動作、切除短路故障，斷開無功補(bǔ)償回路；輸電線路電流波形僅產(chǎn)生一個(gè)小的尖刺后迅速恢復(fù)，電力系統(tǒng)仍能安全穩(wěn)定運(yùn)行。仿真驗(yàn)證了所提投切方案在發(fā)生短路故障時(shí)，不會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，具有較高的可靠性。

3.4 分相投切時(shí)的仿真

選相投切是根據(jù)負(fù)載的特性，控制斷路器在電壓和電流的最佳相位進(jìn)行分、合閘操作，從而抑制操作過程中的涌流和復(fù)燃現(xiàn)象，以提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小對電力設(shè)備的危害[14-15]。傳統(tǒng)斷路器投切方案中分相控制策略也可應(yīng)用于基于接觸器控制的投切方案中。仿真驗(yàn)證如圖7、圖8所示。

圖7 選相后暫態(tài)電壓波形

圖8 未選相時(shí)暫態(tài)電壓波形

由圖7、圖8 可知，采用分相投切時(shí)，暫態(tài)電壓較未采用分相投切時(shí)電壓的波形更為平緩。仿真驗(yàn)證了分相投切技術(shù)在所提投切方案應(yīng)用的可行性。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

將真空式斷路器與真空接觸器從外形尺寸、操作壽命、額定電流、短路電流開斷能力和銷售價(jià)格等多方面進(jìn)行對比，如表3 所示。

由表3 可知，真空斷路器具有開斷短路電流的能力，體積大、造價(jià)高、可操作壽命短。而真空接觸器只需要過負(fù)荷的開斷能力，體積小、造價(jià)低、可操作壽命長。從性價(jià)比角度分析，接觸器的投切性價(jià)比是斷路器的30 倍以上。相比于傳統(tǒng)真空斷路器投切方案，該方案降低了成本、提高了使用效率，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 斷路器與接觸器性能對比

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻繁的無功補(bǔ)償，避免斷路器因投切而產(chǎn)生的過電壓危害，本文提出基于接觸器控制的電容電抗器組投切方案?，F(xiàn)對所提投切方案總結(jié)如下：

（1）在電容器電抗器中性點(diǎn)短接回路加裝接觸器，通過控制接觸器的分合，接通或斷開中性點(diǎn)三相短接線，從而實(shí)現(xiàn)電容電抗器組的投切。通過接觸器間接實(shí)現(xiàn)投切功能，避免斷路器的過電壓產(chǎn)生，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）建立了PSCAD 仿真模型，對投切方案進(jìn)行分析研究。穩(wěn)態(tài)方面，無功補(bǔ)償?shù)木_性較高；暫態(tài)方面，暫態(tài)波形的迅速畸變不會導(dǎo)致保護(hù)誤動作；仿真驗(yàn)證了該方案的實(shí)際可行性，并分析了投切接觸器三相不同步的工作狀態(tài)，驗(yàn)證了分相投切技術(shù)的可行性。

（3）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，計(jì)算投切性價(jià)比，驗(yàn)證了該方案的經(jīng)濟(jì)效益得到了較大的提升。