何 龍，朱詠明，劉 榮，劉 俊

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司 昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100；2.安徽正廣電電力技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)中、低壓配電網(wǎng)在線路中普遍使用并補(bǔ)裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定[1]。頻繁投切并補(bǔ)裝置帶來(lái)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}會(huì)影響到電力設(shè)備和電網(wǎng)的安全性，為此有必要對(duì)過(guò)電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行抑制，研究并聯(lián)補(bǔ)償裝置的投切過(guò)電壓具有重要的工程實(shí)際意義。

針對(duì)并聯(lián)并補(bǔ)裝置投切暫態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的暫態(tài)涌流和過(guò)電壓現(xiàn)象，工程上一般都采用在斷路器上預(yù)插電阻、安裝氧化鋅避雷器、使用無(wú)重燃真空斷路器等方法來(lái)抑制并聯(lián)產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}[2]。預(yù)插式電阻通過(guò)阻尼效應(yīng)降低振蕩，可以抑制投切并補(bǔ)裝置時(shí)引起的暫態(tài)過(guò)程，但會(huì)使得斷路器開(kāi)關(guān)更加復(fù)雜，成本更高，提高了前期系統(tǒng)和后期維修的成本。加裝氧化鋅避雷器抑制過(guò)電壓法是利用氧化鋅非線性伏安特性進(jìn)行能量泄放，降低過(guò)電壓幅度，達(dá)到對(duì)并補(bǔ)設(shè)備保護(hù)的目的，能夠有效減少斷路器操作過(guò)程中產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)程，降低過(guò)電壓、涌流對(duì)電網(wǎng)的影響，但不能從根本上解決開(kāi)關(guān)操作過(guò)程中的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。利用無(wú)重燃真空斷路器也能有效夠降低過(guò)電壓，但是由于斷路器的特性，在技術(shù)上很難保證斷路器不會(huì)再重燃。IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求不重燃斷路器的重燃率不超過(guò)2%，但在2%的重燃率下，仍然會(huì)對(duì)斷路器和電容器等電氣設(shè)備造成絕緣損壞。從經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看，選擇合適的時(shí)機(jī)投切并補(bǔ)裝置進(jìn)行過(guò)電壓抑制是最好的解決方法[3]。

為此，文章提出一種選相投切的方法，在考慮真空斷路器重燃、截流以及機(jī)械分散性等條件下，研究能夠避免過(guò)電壓的最佳時(shí)機(jī)，為真空斷路器制定最優(yōu)投切策略，豐富并聯(lián)并補(bǔ)裝置投切過(guò)電壓抑制方法，為提高電力系統(tǒng)電能質(zhì)量提供有用的參考。

1 并聯(lián)補(bǔ)償裝置投切過(guò)電壓機(jī)理

1.1 電容器投切過(guò)電壓

當(dāng)并補(bǔ)裝置為電容器組時(shí)，投切等值電路如圖1所示。

圖1 并聯(lián)電容器組的等值電路

圖1 中，U(t)為電源電壓，L 為系統(tǒng)等效電感，DL 為投切電容器的斷路器，C 為并聯(lián)電容器組。假定在斷路器開(kāi)關(guān)合上前，電容器上的初始電壓為0 V。根據(jù)基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff's Voltage Law，KVL）和初始條件，等效電路投切過(guò)程的動(dòng)態(tài)方程為

投切過(guò)程中引起的電流和過(guò)電壓幅度與電源的初始相位角度相關(guān)，均處于范圍內(nèi)。實(shí)際工程中，三相斷路器在三相同步合閘時(shí)不可能完全同步合上。在三相斷路器合閘的一瞬間，電容器組無(wú)法形成一個(gè)回路，而在第二相斷路器合閘的一瞬間則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)回路，此時(shí)情況又分為2 種。

電網(wǎng)中，電容器組在使用三角形（△）接線的情況下不會(huì)發(fā)生暫態(tài)過(guò)電壓現(xiàn)象。若電容器組為Y 型接線，則此時(shí)第一相、第二相構(gòu)成了回路，系統(tǒng)回路的等效電動(dòng)勢(shì)為，第一相和第二相之間的過(guò)電壓為，因此單相電容器的過(guò)壓大小為。將第三相的斷路器合閘后，已經(jīng)有殘壓留存在第一相和第二相的電容器上，如果其中某個(gè)電容器上有反向性的最大殘壓，此時(shí)星形接線方式的過(guò)壓大小可達(dá)到。由此可知，電容器組采用Y接線方式比采用△接線方式造成的暫態(tài)過(guò)壓幅值更大、影響更嚴(yán)重。

當(dāng)電容器接入電網(wǎng)后，U(t)中含有的高頻因子因?yàn)榛芈分须娮璧南穆プ冎翢o(wú)，電容電流和電壓的表達(dá)式為

電路中斷路器的重燃會(huì)使切出電容器組時(shí)產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓現(xiàn)象。當(dāng)斷路器在同時(shí)斷開(kāi)電容器組的情況下，投切產(chǎn)生的涌流由電容器殘余電荷引起。斷路器觸點(diǎn)之間的重燃很可能導(dǎo)致斷路器在開(kāi)斷電容器組時(shí)產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓，如果采用三相同步開(kāi)關(guān)的斷路器，將補(bǔ)償裝置的剩余部分電荷排出，但是這些電荷在短時(shí)間內(nèi)不能被清除，將在設(shè)備上產(chǎn)生直接的剩余電壓[4]。同時(shí)，斷路器觸點(diǎn)上的電壓恢復(fù)速率比斷路器的電弧絕緣強(qiáng)度恢復(fù)快，開(kāi)關(guān)間隙極易發(fā)生二次擊穿，即重?fù)舸簯B(tài)過(guò)電壓現(xiàn)象。

1.2 電抗器投切過(guò)電壓

當(dāng)并補(bǔ)裝置為電抗器時(shí)，投切等值電路如圖2所示。

圖2 并聯(lián)電抗器投切等效電抗電路

圖2 中，QF為斷路器，Ly為電源的電感，Cy為電源的電容，Lx為傳輸電纜線路上的電感，L1為電抗電感，C1為電感并聯(lián)電容，R1為電感并聯(lián)電阻。

并聯(lián)電抗器等效回路以電容、電感為主，這種回路的電壓電流不能突變，截流必然引起劇烈的電磁振蕩。忽略阻尼作用，根據(jù)能量守恒定律可推導(dǎo)出單相電抗器截流過(guò)電壓的估計(jì)值。

當(dāng)截流為I0時(shí)，在發(fā)生截流現(xiàn)象的瞬間，儲(chǔ)存在電抗中的電磁能量為

假設(shè)此時(shí)線路上產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓為U0，則在電容中儲(chǔ)存的靜電場(chǎng)能量為

電抗所在回路中的總能量為

在截流發(fā)生后，利用電路中的總能量對(duì)電容器進(jìn)行充電，將其轉(zhuǎn)換為靜電場(chǎng)的能量。在CL上出現(xiàn)的最值電壓（即線路的最高過(guò)電壓）可以表示為

電磁振蕩的頻率可以表示為

上述算法沒(méi)有考慮線路上產(chǎn)生的損耗，將線路參數(shù)看作電容和電感串聯(lián)的等值回路，將負(fù)載2 側(cè)產(chǎn)生的浪涌電壓看作等幅度振蕩，電磁能量在一瞬間全部被轉(zhuǎn)化為靜電場(chǎng)的能量。但是在實(shí)際線路中會(huì)有所損耗，過(guò)電壓幅值比估算的數(shù)值小，回路中的各個(gè)元件參數(shù)和截流幅值的大小在一定程度上影響著截流過(guò)電壓的大小[5]。

如果考慮阻尼的作用，其品質(zhì)因數(shù)為

由此可以看出，真空斷路器截流值越高、雜散電容越小，截流過(guò)電壓越高。三相系統(tǒng)的截流過(guò)電壓更加復(fù)雜，但其原理基本相同。

2 基于選相投切的過(guò)電壓抑制方法

選相投切就是針對(duì)不同性質(zhì)的負(fù)載，調(diào)整斷路器在最佳電流相位或電壓相位處實(shí)現(xiàn)分合閘操作，進(jìn)而控制燃弧時(shí)間，增大觸頭開(kāi)距，提高觸頭間隙的絕緣介質(zhì)強(qiáng)度，可以有效消弱斷路器在開(kāi)斷電容器組時(shí)引起的暫態(tài)電磁效應(yīng)，進(jìn)而減小電磁暫態(tài)沖擊。

當(dāng)投切電容器組時(shí)，影響過(guò)電壓大小的因素主要有斷路器投入和切出瞬間的相位、串聯(lián)電抗器的大小以及補(bǔ)償電容器本身的大小等。根據(jù)這些影響因素，采取必要的措施來(lái)達(dá)到抑制投切時(shí)暫態(tài)沖擊現(xiàn)象的效果。此外，控制斷路器投入切出電容器組的相位時(shí)，因?yàn)槿嚯妷捍嬖谙辔徊?，所以需要分相考慮。將相位轉(zhuǎn)換為將斷路器投入和切出的時(shí)間，則可以通過(guò)時(shí)間來(lái)控制投入和切出電容器組的相位角[6]。

假定系統(tǒng)電源電壓為Um，投入時(shí)電容器2 側(cè)A 相的電壓為UA、B 相的電壓為UB、C 相的電壓為UC，電力系統(tǒng)頻率為50 Hz，根據(jù)三相電源電壓相差120°可以得到各相的電壓為

取UAB=0，電容器A、B 兩端的過(guò)電壓為

若再保證UCN=0，電容器C 兩端的過(guò)電壓才最小，即

3 算例分析

搭建真空斷路器分閘并聯(lián)電抗器過(guò)電壓仿真模型如圖3 所示。

圖3 真空斷路器分閘并聯(lián)電抗器重燃模型

投切后，不采取任何選相方案時(shí)所產(chǎn)生的過(guò)電壓與過(guò)電流波形如圖4 所示。

圖4 投切產(chǎn)生信號(hào)波形波形

不選擇相角投切電容器組時(shí)，系統(tǒng)中電容器側(cè)的過(guò)電壓最大可以達(dá)到50 kV，這和系統(tǒng)電壓35 kV相比有很大的增長(zhǎng)，這樣的過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)和電氣設(shè)備的絕緣性能都有很嚴(yán)重的危害。系統(tǒng)在投入電容器組時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)電流高達(dá)1.67 kA，振蕩過(guò)程持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng)，暫態(tài)過(guò)程對(duì)電力系統(tǒng)、電力設(shè)備也有著嚴(yán)重影響，因此要研究選相投切最優(yōu)策略來(lái)抑制這種嚴(yán)重的過(guò)電壓，以免影響電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

考慮三相聯(lián)動(dòng)和真空斷路器重燃問(wèn)題，配置A、B 相電壓相等適合投入電容器，在不同時(shí)刻合閘，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 選相方案下過(guò)電壓和過(guò)電流幅值

先找到A、B 相電壓相等的時(shí)刻，在這一時(shí)刻將A、B 兩相同時(shí)投入，此時(shí)UAB=0。再經(jīng)過(guò)1/4π 周期，UC=0，也就是0.005 s 后將C 相投入系統(tǒng)，這樣投入電容器組產(chǎn)生的過(guò)電壓和過(guò)電流是最小。類似地，在ABC 三相同時(shí)，在B 相電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)切除電容器，發(fā)現(xiàn)此時(shí)的過(guò)電壓最小。

4 結(jié) 論

針對(duì)普通真空斷路器隨機(jī)投切電容器帶來(lái)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，在分析選相投切基本原理的基礎(chǔ)上，考慮斷路器重燃及其機(jī)械分散性等影響，提出一種相控投切優(yōu)化策略，搭建了三相并聯(lián)電容器相控投切仿真模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了提出的相控投切最優(yōu)策略。任意在模型中輸入斷路器投切的時(shí)間，智能相控開(kāi)關(guān)都可以在最優(yōu)投切策略下進(jìn)行電容器組的投切實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了最優(yōu)策略的可行性。