電容器組開(kāi)關(guān)選相分合閘裝置運(yùn)行分析及控制策略改進(jìn)

向真，伍國(guó)興，張欣，王鎧

（深圳供電局有限公司， 廣東 深圳 518001）

0 引言

電容器組及電抗器等無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備對(duì)于提高供電效率、改善電能質(zhì)量具有重要作用，經(jīng)常需要根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載情況進(jìn)行頻繁投切?，F(xiàn)有無(wú)功設(shè)備大部分是三相同時(shí)投切的，也就是不區(qū)分投切的相位角，斷路器分合閘時(shí)容易產(chǎn)生涌流和過(guò)電壓，損害無(wú)功設(shè)備及斷路器，影響電能質(zhì)量［1-8］。近年來(lái)，某電網(wǎng)公司500 kV變電站曾多次發(fā)生35 kV電容器組串聯(lián)電抗器匝間絕緣損壞故障，此外，35 kV電容器組斷路器也面臨投切次數(shù)達(dá)注意值、主回路電阻超過(guò)出廠值的120%等問(wèn)題。

相控開(kāi)關(guān)技術(shù)又稱同步開(kāi)關(guān)技術(shù)、開(kāi)關(guān)選相分合閘技術(shù)或開(kāi)關(guān)受控分合閘技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)不同負(fù)載的特性控制斷路器在電壓或電流的特定相位角度完成合閘或分閘，實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊的平滑過(guò)渡，削弱操作暫態(tài)效應(yīng)的影響［9-17］。相控技術(shù)在特高壓換流站交流濾波器斷路器中已有廣泛應(yīng)用，近年來(lái)，相控技術(shù)被試點(diǎn)應(yīng)用至變電站電容器組投切［18-25］。

2014年以來(lái)，某電網(wǎng)公司開(kāi)展相控技術(shù)研究及應(yīng)用，應(yīng)用于電容器組、主變壓器、輸電電纜的投切操作中，其中電容器組開(kāi)關(guān)選相分合閘裝置應(yīng)用情況如表1所示。相控裝置均選用深圳某公司產(chǎn)品，其中110 kV A站、B站為GLSI-211型，用于適配該公司產(chǎn)永磁機(jī)構(gòu)斷路器；500 kV C站為SID-3YL型通用微機(jī)涌流抑制器，可適用各類主變、電容器組開(kāi)關(guān)的選相控制。兩種型號(hào)相控裝置的控制精度相同。

表1 電容器組開(kāi)關(guān)相控裝置應(yīng)用情況Tab.1 Application of controlled switching device for capacitor banks

本文將從選相控制精度、合閘涌流、操作過(guò)電壓等方面分析電容器組相控裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)比相控分合閘與隨機(jī)分合閘的區(qū)別，分析選相控制效果及存在問(wèn)題。最后，總結(jié)電容器組相控裝置運(yùn)行情況，并提出改進(jìn)選相控制精度及控制策略的建議。

1 相控裝置運(yùn)行情況

2021年7 月，提取A站、B站、C站相控裝置最新運(yùn)行數(shù)據(jù)，相控裝置直接采集電容器組開(kāi)關(guān)電流互感器的電流值，電壓值則來(lái)自于單獨(dú)裝設(shè)于開(kāi)關(guān)與電容器組之間的電壓互感器。分析合閘涌流、分閘過(guò)電壓及分合閘時(shí)間如下。

1.1 A站相控裝置運(yùn)行情況

2020年12月3 日至2021年5月24日，A站2C2開(kāi)關(guān)柜相控裝置共投切150次。2C2電容器組部分日期的合閘涌流見(jiàn)圖1所示。

圖1 A站2C2電容器組合閘涌流峰值Fig.1 Maximum inrush currents of capacitor bank 2C2 at station A

三相暫態(tài)電流峰值最大值分別為1.86 p.u.、2.23 p.u.、1.67 p.u.（1 p.u.為電流穩(wěn)態(tài)峰值）。相控開(kāi)關(guān)柜投運(yùn)初期，采用相控?cái)嗦菲麝P(guān)合時(shí)，三相電流峰值分別為1.62 p.u.、1.80 p.u.、1.38 p.u.；采用常規(guī)斷路器關(guān)合時(shí)，三相電流峰值分別為4.51 p.u.、4.45 p.u.、4.42 p.u.。對(duì)比可見(jiàn)，相控裝置投運(yùn)6 a后，選相合閘涌流相比投運(yùn)初期略有升高，但仍遠(yuǎn)低于隨機(jī)合閘涌流。

2C2電容器組部分日期的分閘過(guò)電壓如圖2所示。

圖2 A站2C2電容器組分閘過(guò)電壓峰值Fig.2 Maximum overvoltage of capacitor bank 2C2 at station A

A相暫態(tài)電壓峰值最大值為1.38 p.u.（1 p.u.為電壓穩(wěn)態(tài)峰值）。相控開(kāi)關(guān)柜投運(yùn)初期，采用相控?cái)嗦菲鏖_(kāi)斷時(shí)，三相電壓峰值分別為1.36 p.u.、1.33 p.u.、1.00 p.u.；采用常規(guī)斷路器開(kāi)斷時(shí)，三相電壓峰值分別為1.35 p.u.、1.34 p.u.、1.34 p.u.。對(duì)比可見(jiàn)，選相分閘過(guò)電壓與隨機(jī)分閘過(guò)電壓基本相當(dāng)。

2C2開(kāi)關(guān)選相合閘時(shí)間與整定時(shí)間的偏差如表2所示。

表2 A站2C2電容器組選相合閘時(shí)間偏差Tab.2 Time deviation of controlled closing of capacitor bank 2C2 at station A ms

由于合閘時(shí)C相為首合相，此時(shí)回路未接通，時(shí)間僅做參考，因此合閘時(shí)僅分析A、B兩相?？梢?jiàn)，合閘時(shí)最大時(shí)間偏差為0.64 ms。

2C2開(kāi)關(guān)選相分閘時(shí)間與整定時(shí)間的偏差如表3所示，其中取斷路器燃弧時(shí)間為7 ms?？梢?jiàn)，分閘時(shí)最大時(shí)間偏差為0.57 ms。

表3 A站2C2電容器組選相分閘時(shí)間偏差Tab.3 Time deviation of controlled opening of capacitor bank 2C2 at station A ms

1.2 B站相控裝置運(yùn)行情況

2020年11月27 日至2021年6月23日，B站1C2開(kāi)關(guān)柜相控裝置共投切119次。1C2電容器組部分日期的合閘涌流如圖3所示。

圖3 B站1C2電容器組合閘涌流峰值Fig.3 Maximum inrush currents of capacitor bank 1C2 at station B

三相暫態(tài)電流峰值最大值分別為1.66 p.u.、1.80 p.u.、1.36 p.u.（1 p.u.為電流穩(wěn)態(tài)峰值）。相控開(kāi)關(guān)柜投運(yùn)初期，采用相控?cái)嗦菲麝P(guān)合時(shí)，三相電流峰值分別為2.24 p.u.、2.62 p.u.、1.70 p.u.。對(duì)比可見(jiàn)，相控裝置投運(yùn)近3年后，選相合閘涌流比投運(yùn)初期更低。

1C2開(kāi)關(guān)選相合閘時(shí)間與整定時(shí)間的偏差如表4所示。同樣僅分析A、B兩相，可見(jiàn)，合閘時(shí)最大時(shí)間偏差為0.69 ms。

表4 B站1C2電容器組選相合閘時(shí)間偏差Tab.4 Time deviation of controlled closing of capacitor bank 1C2 at station B ms

1C2開(kāi)關(guān)選相分閘時(shí)間與整定時(shí)間的偏差如表5所示，其中取斷路器燃弧時(shí)間為6.6 ms?？梢?jiàn)分閘時(shí)最大時(shí)間偏差為1.3 ms。

表5 B站1C2電容器組選相分閘時(shí)間偏差Tab.5 Time deviation of controlled opening of capacitor bank 1C2 at station B ms

1.3 C站相控裝置運(yùn)行情況

2021年5月21 日至2021年7月28日，C站44DR電容器組344斷路器相控裝置共投切12次。44DR電容器組部分日期的合閘涌流如圖4所示。

圖4 C站44DR電容器組合閘涌流峰值Fig.4 Peak value of closing inrush currents of capacitor bank 44DR at station C

三相暫態(tài)電流峰值最大值分別為2.17 p.u.、1.90 p.u.、1.92 p.u.（1 p.u.為電流穩(wěn)態(tài)峰值）。相控開(kāi)關(guān)柜投運(yùn)初期，采用相控?cái)嗦菲麝P(guān)合時(shí)，三相電流峰值分別為1.90 p.u.、2.13 p.u.、1.57 p.u.；采用常規(guī)斷路器關(guān)合時(shí)，三相電流峰值分別為3.74 p.u.、3.50 p.u.、3.59 p.u.。對(duì)比可見(jiàn)，相控裝置投運(yùn)2年后，選相合閘涌流與投運(yùn)初期大致相當(dāng)，但仍遠(yuǎn)低于隨機(jī)合閘涌流。

44DR電容器組部分日期分閘過(guò)電壓如圖5所示，A相暫態(tài)電壓峰值最大值為1.36 p.u.（1 p.u.為電壓穩(wěn)態(tài)峰值）。相控開(kāi)關(guān)柜投運(yùn)初期，采用相控?cái)嗦菲鏖_(kāi)斷時(shí)，三相電壓峰值分別為1.36 p.u.、1.01 p.u.、0.99 p.u.；采用常規(guī)斷路器開(kāi)斷時(shí)，三相電壓峰值分別為1.36 p.u.、1.37 p.u.、1.35 p.u.。對(duì)比可見(jiàn)，選相分閘過(guò)電壓與隨機(jī)分閘過(guò)電壓基本相當(dāng)。

圖5 C站44DR電容器組分閘過(guò)電壓峰值Fig.5 Maximum overvoltage of capacitor bank 44DR at station C

344開(kāi)關(guān)選相合閘時(shí)間與整定時(shí)間的偏差如表6所示。同樣僅分析A、B兩相，可見(jiàn)，合閘時(shí)最大時(shí)間偏差為1.9 ms。344開(kāi)關(guān)選相分閘時(shí)間與整定時(shí)間的偏差如表7所示，其中取斷路器燃弧時(shí)間為6 ms?？梢?jiàn)，分閘時(shí)最大時(shí)間偏差為0.3 ms。

表6 C站44DR電容器組選相合閘時(shí)間偏差Tab.6 Time deviation of controlled closing of capacitor bank 44DR at station C ms

表7 C站44DR電容器組選相分閘時(shí)間偏差Tab.7 Time deviation of controlled opening of capacitor bank 44DR at station C ms

2 分析與討論

相控開(kāi)關(guān)技術(shù)抑制涌流和過(guò)電壓的效果依賴于斷路器開(kāi)合相位的準(zhǔn)確度，而這主要受斷路器機(jī)械特性、介質(zhì)絕緣特性以及控制系統(tǒng)精度的影響。理論分析與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)均表明選相投切負(fù)載要想取得理想效果，斷路器分合閘時(shí)間的分散性應(yīng)限制在1 ms以內(nèi)。

選相合閘時(shí)間偏差方面，A站、B站均在1 ms以內(nèi)，C站介于0.5～1.9 ms，反映出斷路器預(yù)擊穿特性的影響。對(duì)于10 kV真空斷路器，從預(yù)擊穿的固有特性和概率統(tǒng)計(jì)，在合閘過(guò)程中的預(yù)擊穿機(jī)會(huì)接近等于0，因此相控操作可以不考慮其預(yù)擊穿的影響。對(duì)于35 kV及以上電壓等級(jí)斷路器，則需考慮預(yù)擊穿特性的影響，在斷路器機(jī)構(gòu)相對(duì)比較穩(wěn)定時(shí)，機(jī)械合閘時(shí)間離散性不大，將電氣合閘點(diǎn)設(shè)定到過(guò)零點(diǎn)后較短時(shí)間，可以解決過(guò)零點(diǎn)前預(yù)擊穿問(wèn)題；隨著斷路器機(jī)械特性的變化，若機(jī)械關(guān)合時(shí)間離散性增大，可保守一些，將預(yù)擊穿延時(shí)設(shè)置得稍微大一些（1 ms），仍可減小發(fā)生電壓過(guò)零點(diǎn)前擊穿的概率。

選相分閘時(shí)間偏差方面，A站和C站均在1 ms以內(nèi)，控制精度較好；而B(niǎo)站最大偏差為1.3 ms，但偏差超過(guò)1 ms的情形僅出現(xiàn)一次，因此可以排除斷路器特性發(fā)生較大變化所致，判斷主要是由于選相控制系統(tǒng)受外界干擾所致。

合閘涌流方面，3站選相合閘涌流與投運(yùn)初期大致相當(dāng)。相比隨機(jī)合閘，A站最大涌流由4.51 p.u.降至1.8 p.u.，降幅為60%；B站由2.62 p.u.降至1.8 p.u.，降幅為31%；C站由3.74 p.u.降至2.17 p.u.，降幅為42%；可見(jiàn)選相合閘涌流遠(yuǎn)低于隨機(jī)合閘涌流。

分析選相分合閘對(duì)操作過(guò)電壓的影響，由于B站電容器組未加裝電壓互感器，未取電壓數(shù)據(jù)，因此僅分析A站和C站數(shù)據(jù)。合閘過(guò)電壓方面，從投運(yùn)初期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)看，采用選相裝置后，合閘過(guò)電壓相比隨機(jī)合閘顯著降低；其中，A站由1.51 p.u.降至1.19 p.u.，降幅21%；C站由1.80 p.u.降低至1.40 p.u，降幅22%。開(kāi)關(guān)分閘時(shí)，A站和C站電容器組選相分閘過(guò)電壓與隨機(jī)分閘過(guò)電壓基本相當(dāng)，過(guò)電壓數(shù)值均在安全范圍以內(nèi)，斷路器未發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象；相比隨機(jī)分閘，相控分閘時(shí)能夠影響斷路器燃弧時(shí)間，確保電弧過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻斷路器主觸頭的開(kāi)距足夠大，從而徹底消除重燃現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文分析了變電站10 kV和35 kV電容器組相控裝置運(yùn)行情況并對(duì)運(yùn)行策略進(jìn)行了改進(jìn)。主要結(jié)論如下。

1） 3座變電站電容器組開(kāi)關(guān)選相分合閘裝置總體運(yùn)行情況良好，能夠較好地抑制暫態(tài)效應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)及無(wú)功設(shè)備造成的沖擊。相控?cái)嗦菲鲃?dòng)作時(shí)間穩(wěn)定，目標(biāo)角度控制精準(zhǔn)穩(wěn)定，10 kV開(kāi)關(guān)選相分合閘時(shí)間偏差基本在1 ms以內(nèi)，35 kV開(kāi)關(guān)選相分閘時(shí)間偏差在1 ms以內(nèi)。開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，選相合閘涌流及過(guò)電壓均遠(yuǎn)低于隨機(jī)合閘，有助于減少開(kāi)關(guān)觸頭燒蝕及無(wú)功設(shè)備絕緣損壞的累積效應(yīng)。開(kāi)關(guān)分閘時(shí)，選相分閘過(guò)電壓與隨機(jī)分閘基本相當(dāng)，選相分閘時(shí)有利于徹底消除重燃，減少暫態(tài)效應(yīng)對(duì)開(kāi)關(guān)及無(wú)功設(shè)備的影響。

2） 針對(duì)相控分合閘時(shí)間偏差，并結(jié)合相控裝置當(dāng)前的控制策略，建議對(duì)裝置預(yù)設(shè)的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行微調(diào)，能夠在一定程度上提升控制效果，進(jìn)一步降低電容器組投切時(shí)對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的沖擊。如將預(yù)擊穿延時(shí)設(shè)置得稍微大一些（1 ms），或定期測(cè)試開(kāi)關(guān)機(jī)械特性，結(jié)合分合閘時(shí)間變化來(lái)設(shè)置裝置動(dòng)作時(shí)間。

3） 35 kV及以上電壓等級(jí)電容器組選相合閘時(shí)應(yīng)充分考慮開(kāi)關(guān)預(yù)擊穿特性的影響，可結(jié)合斷路器機(jī)械特性離散性，將電氣合閘點(diǎn)設(shè)定到過(guò)零點(diǎn)后較短時(shí)間或增大預(yù)擊穿延時(shí)，降低電壓過(guò)零點(diǎn)前擊穿的概率。

4） 對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)電容器組未單獨(dú)設(shè)置電壓互感器的情形，可研究根據(jù)電容器放電曲線計(jì)算電容器殘壓，再選擇合適的時(shí)刻合閘，無(wú)須等待電容器充分放電后才操作，以進(jìn)一步提升電容器組選相投切精度。