易宏　史清芳　孔林

摘要：近年來(lái)，大容量無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在變電站中的應(yīng)用越來(lái)越常見，隨之而來(lái)的投切引起的問(wèn)題也受到了大家的關(guān)注。文章對(duì)比分析了常規(guī)斷路器和相控?cái)嗦菲鞯募夹g(shù)差異，論述了相控?cái)嗦菲骷夹g(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和效益。研究結(jié)果表明，智能相控?cái)嗦菲骺梢杂行У囊种仆肚袝r(shí)產(chǎn)生的涌流和過(guò)電壓等暫態(tài)沖擊。

關(guān)鍵字：無(wú)功補(bǔ)償、斷路器、相控、暫態(tài)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模日益增大，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的要求也越來(lái)越高。裝設(shè)大容量無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備可以有效減少線損，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量以及穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。但隨之而來(lái)的無(wú)功設(shè)備投切過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題也越來(lái)越突出：無(wú)功設(shè)備投切頻繁、使用壽命短，容易造成母線停電、電容器故障、投切失敗、開關(guān)重燃及爆炸等事故。

文獻(xiàn)[1]分析了造成電容器投切不成功的主要原因是無(wú)功設(shè)備投切過(guò)程中產(chǎn)生的操作過(guò)電壓、投切涌流過(guò)大以及容量配置不合理。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)多起大容量并聯(lián)電容器組的運(yùn)行事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)投切電容器組的斷路器性能差是造成事故的原因之一。文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)智能相控?cái)嗦菲骱统Ｒ?guī)斷路器的投切電流和電壓進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了智能相控?cái)嗦菲鞯牧己猛肚行Ч?/p>

為進(jìn)一步研究中壓智能相控?cái)嗦菲鲗?duì)抑制無(wú)功設(shè)備投切過(guò)程中產(chǎn)生的涌流與操作過(guò)電壓的積極影響。文章簡(jiǎn)析了中壓智能相控?cái)嗦菲鞯幕驹怼⑴c常規(guī)斷路器進(jìn)行了性能對(duì)比并對(duì)此進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

1 中壓智能相控?cái)嗦菲骰驹?/p>

1.1 中壓智能相控?cái)嗦菲鞴ぷ髟?/p>

中壓智能相控?cái)嗦菲鞯暮诵募夹g(shù)是相控技術(shù)，通過(guò)對(duì)電流或電壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)在最佳位置開斷或閉合開關(guān)觸頭的功能。中壓智能相控開關(guān)工作原理如圖1 所示。主要由智能控制單元、三相分相操作的直驅(qū)型永磁智能相控開關(guān)等組成。通過(guò)智能控制單元對(duì)相控開關(guān)進(jìn)行精準(zhǔn)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)分合閘相位角的控制，從而有效抑制分合閘過(guò)程中產(chǎn)生的涌流和過(guò)電壓。

1.2 電容器投切策略

1.2.1 電容器合閘策略

結(jié)合電容器的電氣特性，為了抑制電容器合閘時(shí)產(chǎn)生涌流和過(guò)電壓，電容器的最佳合閘時(shí)機(jī)為電壓過(guò)零點(diǎn)。電容器合閘技術(shù)原理圖如圖2所示。通過(guò)相控技術(shù)實(shí)現(xiàn)電容器三相電壓依此過(guò)零點(diǎn)投入，從而減少合閘時(shí)的暫態(tài)沖擊。

圖中，tc為合閘操作指令開始時(shí)間，t0為電壓零點(diǎn)，ts為合閘動(dòng)作時(shí)間，tp為合閘相位，tm為開關(guān)觸頭接觸時(shí)間。相控?cái)嗦菲鞯闹悄芸刂茊卧ㄟ^(guò)對(duì)時(shí)延td的控制，實(shí)現(xiàn)三相電壓分別過(guò)零點(diǎn)合閘。

1.2.2 電容器分閘策略

為了提高開關(guān)的開斷能力，降低重燃的可能性，電容器的最佳分閘時(shí)機(jī)為燃弧一段時(shí)間后在電流過(guò)零點(diǎn)自然熄弧。因此，需要先根據(jù)不同的負(fù)載特性以及滅弧室的性能，綜合分析確定負(fù)載的最小燃弧時(shí)間，然后才能實(shí)現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)自然熄弧的功能。電容器分閘技術(shù)原理圖如圖3所示。通過(guò)相控技術(shù)實(shí)現(xiàn)電容器三相依次在電流過(guò)零點(diǎn)自然熄弧，從而提高分閘成功率，降低設(shè)備損耗。

圖中，tc為分閘操作指令開始時(shí)間，to為分閘動(dòng)作時(shí)間，ts為開關(guān)觸頭分離時(shí)間，tz為電流過(guò)零點(diǎn)，也就是電弧熄滅的時(shí)間，可知燃弧時(shí)間tarc=tz-ts。相控?cái)嗦菲鞯闹悄芸刂茊卧ㄟ^(guò)對(duì)延時(shí)td的控制，實(shí)現(xiàn)三相電流分別過(guò)零點(diǎn)自然熄弧。

1.3 電抗器投切策略

電抗器與電容器的電氣特性的最大區(qū)別在于電抗器的電流不能發(fā)生突變，因此電抗器合閘時(shí)應(yīng)盡量減少電流的突變率，以達(dá)到降低操作過(guò)電壓的目的。電抗器的最佳合閘時(shí)機(jī)是電流過(guò)零點(diǎn)，也就是電壓90°的時(shí)候投入。

電抗器分閘的原理與電容器一樣，分閘最佳時(shí)機(jī)也是在電流過(guò)零點(diǎn)自然熄弧。

電抗器投切策略與電容器類似，只是投切時(shí)機(jī)略有不同，此處不再贅述。

2 中壓智能相控?cái)嗦菲髋c普通斷路器性能對(duì)比

2.1中壓智能相控?cái)嗦菲髋c普通斷路器技術(shù)對(duì)比

相控?cái)嗦菲骺梢愿鶕?jù)負(fù)載特性實(shí)現(xiàn)任意投切策略角度的三相獨(dú)立的分相分時(shí)操作，而普通斷路器只能是三相聯(lián)動(dòng)操作;相控?cái)嗦菲骺梢愿鶕?jù)不同的負(fù)載特性，選擇最佳的投切相位角，且動(dòng)作時(shí)間穩(wěn)定，對(duì)投切涌流和過(guò)電壓具有明顯抑制效果，而普通斷路器沒有此功能，會(huì)造成較大的暫態(tài)涌流和過(guò)電壓沖擊;相控?cái)嗦菲鬟€可根據(jù)采集的電網(wǎng)信息和故障電流信息，完成負(fù)載支路的測(cè)控和保護(hù)功能，并能通過(guò)電流過(guò)零預(yù)測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)故障選相開斷的功能。通過(guò)對(duì)市面上的普通開關(guān)和智能相控開關(guān)調(diào)研，得出如表1所示的技術(shù)對(duì)比。

2.2? 中壓智能相控?cái)嗦菲髋c普通斷路器投切性能對(duì)比

目前220kV及以上的變電站使用大容量電容器組已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，針對(duì)當(dāng)前8-10Mvar電容器組設(shè)計(jì)應(yīng)用，其要求的開斷電流已經(jīng)遠(yuǎn)大于400A，普通斷路器已難以滿足應(yīng)用需求，存在安全隱患。

10kV智能相控?cái)嗦菲骶邆淙嗦?lián)動(dòng)操作方式下背對(duì)背開合800A容性電流的能力，可以安全分合容量為13.8Mvar的電容器，即使不啟用相控功能而僅采用隨機(jī)投切策略，也可完成電容器組的安全可靠分合。正常情況下，智能相控?cái)嗦菲魇窃陔妷夯螂娏鞯淖匀贿^(guò)零點(diǎn)分合閘，可以有效降低重燃概率，抑制分合閘涌流和過(guò)電壓，確保電容器安全投切。

2.3 中壓智能相控?cái)嗦菲髋c普通斷路器經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比

10kV電容器組的設(shè)計(jì)壽命一般為20年，期間常規(guī)電容器10kV開關(guān)柜大概需要進(jìn)行3次斷路器更換，SF6斷路器雖封極柱全壽命周期內(nèi)無(wú)需更換，但因彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件多、傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、故障率高等原因仍需要頻繁更換，而智能相控?cái)嗦菲髟O(shè)備損耗小且操動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命長(zhǎng)、可靠性高，在全壽命周期內(nèi)所有原件均無(wú)需進(jìn)行更換。

在電容器的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，使用常規(guī)斷路器隨機(jī)投切產(chǎn)生的涌流和過(guò)電壓會(huì)對(duì)電容器本體造成損傷，從而加劇其故障率。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電容器組平均每5年要更換1個(gè)單元，而采用智能相控?cái)嗦菲魍肚?，可大大減少甚至消除電容器組件的更換次數(shù)。

由于電容器組需要進(jìn)行頻繁的投切，暫態(tài)過(guò)程對(duì)普通開關(guān)造成的沖擊使得開關(guān)需要逐年檢修，SF6開關(guān)還需進(jìn)行氣體檢測(cè)相關(guān)項(xiàng)目。中壓智能相控?cái)嗦菲魇艿降臎_擊小，且可以對(duì)開關(guān)機(jī)構(gòu)和回路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可將檢修周期由1年延長(zhǎng)至3年或以上。

綜上可知，相控?cái)嗦菲髟陬~定電流、額定短路開斷能力上與普通開關(guān)技術(shù)性能無(wú)異，但相控?cái)嗦菲髟陂_合容性電流具有很大的優(yōu)勢(shì)，能顯著提高開合能力。另外，相控?cái)嗦菲髟谶\(yùn)維方面也具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以為變電站減少維護(hù)和檢修的工作量，同時(shí)可以延長(zhǎng)設(shè)備壽命，減少電網(wǎng)投資。

3 智能相控?cái)嗦菲髟?20kV變電站中的應(yīng)用實(shí)例

湖南湘西猛洞河220kV變電站設(shè)計(jì)有3回并聯(lián)電容器組出線柜、1回并聯(lián)電抗器出線柜和1回直流融冰出線柜均采用GLS-200系列智能相控開關(guān)柜。其中電容器組單租容量為8016kvar，串抗12%，額定電流385.7A;并聯(lián)電抗器組容量是10000kvar，額定電流577.5A;直流融冰柜變壓器為25MW，額定電流1443.4A。

2018年11月，猛洞河變電站在完成基建驗(yàn)收后電抗器和電容器智能相控開關(guān)柜投運(yùn)，融冰出線柜暫未投運(yùn)。表2-表5分別列舉了電抗器出線柜和電容器出線柜相控投切的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中p.u.為暫態(tài)峰值/穩(wěn)態(tài)峰值。

由以上投運(yùn)數(shù)據(jù)可以看出：采用智能相控?cái)嗦菲骱螅?0kV并聯(lián)電抗器投切涌流抑制在1.05倍以內(nèi)，合閘過(guò)電壓控制在1.28倍以內(nèi)，分閘過(guò)電壓抑制在1.38倍以內(nèi); 10kV并聯(lián)電容器投切涌流控制在2.1倍以內(nèi)，合閘過(guò)電壓控制在1.3倍以內(nèi)，分閘過(guò)電壓控制在1.32倍以內(nèi)。

因此無(wú)論是并聯(lián)電抗器還是并聯(lián)電容器，使用智能相控?cái)嗦菲髂苡行б种仆肚羞^(guò)程中產(chǎn)生的涌流與操作過(guò)電壓，確保暫態(tài)沖擊控制在較小范圍內(nèi)，極大地提升了無(wú)功設(shè)備投切安全及電網(wǎng)運(yùn)行安全，應(yīng)用效益良好。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)相控?cái)嗦菲鬟M(jìn)行理論研究和實(shí)際投切實(shí)驗(yàn)。得出如下結(jié)論：相控?cái)嗦菲鞅瘸Ｒ?guī)斷路器更適于大容量的特殊負(fù)荷的投切，抑制投切時(shí)產(chǎn)生的涌流和過(guò)電壓等暫態(tài)沖擊，提高系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行可靠性，提升電能質(zhì)量，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和檢修周期，滿足智能電網(wǎng)建設(shè)需要。

作者介紹：

易宏（1984-至今）：工作于湖南省電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)期從事輸變電工程電氣主設(shè)計(jì)師工作，中級(jí)工程師，碩士研究。

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