智能相控斷路器在35 kV并聯電容器投切中的應用

王鎧，張晶焯，伍國興，廖偉興

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著電網建設的發展和環境保護的要求，智能、可靠、清潔的電力設備受到越來越多的關注。電容器組是10～35 kV中壓電網常見的無功補償設備。目前，電容器大部分是三相同時投切，在投切過程中會產生很大的涌流和過電壓，這對電容器及開關設備的安全運行和使用壽命構成巨大威脅，甚至危及電力系統穩定。

對于500 kV變電站的35 kV系統，電容器單組容量大，投切頻率高，對電網的擾動非常頻繁。每年由于電容器組投切導致一次設備非正常損壞的事故屢見不鮮，對電能質量及設備安全運行都帶來了巨大的威脅。目前出現的主要問題有：①電容器及間隔開關投切頻繁、電容器容量三相不平衡保護跳閘至投切失敗，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生起火燃燒等事故；③無功設備開關經常出現重燃現象，大大縮短了開關的使用壽命。

造成以上問題的主要原因是投切電容器操作中產生的合閘涌流及分閘過電壓[1-4]。國內外研究學者及工程師針對投切并聯電容器組引發的事故進行了大量研究[5-9]，近年來相控開關技術逐漸應用于各電壓等級的無功補償系統中，來抑制電容器組投切時產生的合閘涌流及分閘過電壓[10-13]。文獻[14]針對中低等級電壓無功補償系統開發了一種相控斷路器，并通過模擬試驗驗證了其抑制合閘涌流的效果。文獻[15]通過試驗研究了相控斷路器在投切10 kV并聯電容器組中的應用，驗證了相控斷路器在實際電力系統中的有效性。目前尚無相控斷路器在實際35 kV無功補償系統中現場試驗的研究，因此本文首先在理論上分析投切電容器組產生合閘涌流及分閘過電壓的原因，并介紹了相控開關技術原理；然后對相控斷路器在某500 kV變電站35 kV無功補償系統中的應用方案及系統調試進行了介紹；最后，通過一系列現場對比試驗，對相控斷路器抑制合閘涌流和分閘過電壓的效果進行驗證。

1 投切涌流及過電壓產生原因分析

1.1 故障過程

深圳市某500 kV變電站35 kV 33DK電容器組〔設備型號CKDK-35/1000-5，設備容量3 Mvar(整組)，絕緣耐熱等級F級，投運時間4 a〕在投入時，串聯干式空心電抗器C相在投入30 s內即發生匝間短路故障，C相串聯電抗器內部產生短路電流，故障點發熱，溫度迅速上升，高溫導致內部鋁線圈熔化冒煙，含有鋁金屬的煙灰向上方及周圍擴散，導致故障點上方絕緣子閃絡，設備發展為相間短路故障。故障發生后經過相關檢查，相同批次的電抗器符合耐壓要求。根據近年無功設備故障缺陷分析得知，因無功投切涌流和過電壓造成的故障占所有缺陷的30%，說明該問題較為普遍。

1.2 原因分析

通過對數臺發生故障后的35 kV干式空心并聯電抗器進行解體分析，發現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投切過程中產生的涌流和過電壓引起。受電容器特性影響，并聯電容器投入電網時，產生的過渡性電流涌流最大可達到額定電流的20倍；電容器退出電網時，斷路器主觸頭斷開后，電容器、串聯電抗器與對地雜散形成一個高壓振蕩回路，與另一側的電網工頻電源形成一個高頻脈沖電勢差。由于主觸頭開距較小，易因觸頭間耐壓不充分而產生電弧重燃現象，重燃過程中則會產生過電壓。母線過電壓最大可以達到額定電壓的2.5倍，電容器端過電壓最大可以達到額定電壓的3～5倍。

切除35 kV并聯電容器組的等效電路如圖1所示，其中，K為相控斷路器，Rso為電源系統對地電阻，Us為電源系統電壓(下標中a、b、c對應A、B、C三相，下同)，Ls為電源系統等效電感，Cs為電源系統對地電容，Cc為連線及電容器組對地電容之和，Lc為電容器組串聯電抗，Rc為回路損耗等效電阻，C為電容器單相等值電容，Cco為電容器組中性點對地電容。斷路器主觸頭斷開后，電容器組、串聯電抗器與對地雜散電容形成一個高頻振蕩回路，與另一側的電網工頻電源形成一個高頻脈沖電勢差。所以在主觸頭開距小、觸頭間耐壓不充分時將發生電弧重燃的現象，電弧的頻率可高達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 電容器組開斷的等效電路Fig.1 Switching equivalent circuit of capacitor bank

35 kV并聯電容器組投切時產生的涌流和過電壓等暫態沖擊對串聯電抗器本體造成極大的絕緣損害，而且對電抗器匝間絕緣損壞伴有累積效應，在設備運行過程中逐步產生、積累和擴大，最終導致故障發生。

2 相控開關技術

開關選相分合閘技術于20世紀70年代被提出，但由于斷路器及控制器水平較低，相控開關技術一直停留在理論研究方面，并沒有成為真正實用的產品。20世紀90年代以來，隨著斷路器制造工藝、現代測控技術的不斷提高，相控開關技術得到飛速發展，特別是在常規負載(參考信號具有周期性)應用領域，如電容器組的投切、空載變壓器的投切等方面的應用研究越來越多。ABB、三菱、Alstom、Vizimax等公司推出了選相控制產品，法國、加拿大分別開展了320 kV變壓器、120 kV電容器選相操作。近年來，國內也試點引進選相投切裝置并開展相控開關技術研究。并成功應用于特高壓直流輸電項目中高壓變壓器、濾波器組的選相控制，在中壓電容器選項投切方面也開始試點應用。

為解決500 kV變電站35 kV電容器投切暫態問題，目前普遍采用72.5 kV的SF6敞開式戶外開關投切電容器組。雖然SF6開關耐受涌流及過電壓的沖擊水平和滅弧特性都要高于真空開關，但因其投切方式仍是三相聯動的隨機投切方式，在投切過程中產生的涌流和過電壓并沒有得到抑制或削弱，因此無法從根本上解決無功設備投切問題，存在安全隱患，投切暫態沖擊問題時有發生。

由于系統電壓是三相交流正弦波形，初始相角會因分合閘時間不同而變化，因此在利用斷路器投切一些一次設備時會產生涌流和過電壓。如果能夠對合閘角進行精準控制，則可實現對操作過電壓及合閘涌流的有效抑制。不同特性的負載(容性、感性)產生涌流和過電壓的原因也不盡相同，因此需要采用不同的、有針對性的控制策略來抑制涌流和過電壓。對于容性負載，在斷路器進行分合操作時，由于電容器兩端的電壓不能突變，將會在分合瞬間產生較大的涌流及過電壓；因此，如果斷路器分合閘的瞬間是在電壓過零點處，那么將會有效防止因電壓突變產出的涌流和過電壓[16-17]。

2.1 相控合閘技術原理

容性負載的相控合閘技術原理如圖2所示，其中，tc為輸入外部合閘操作指令時刻，t0為參考電壓過零點，tp為三相選擇的不同目標關合相位時刻，tm為開關觸頭金屬接觸時刻。由開關各相合閘所需時間與目標關合相位時刻tp可獲得開關各相延遲時間td?？刂破髟谘訒rtd后觸發合閘操作，開關觸頭在tm時刻完成閉合，實現各相電壓過零關合。

圖2 容性負載相控合閘技術原理Fig.2 Phase-control closing technology with capacitive load

2.2 相控分閘技術原理

容性負載的相控分閘技術原理如圖3所示，其中，d為開關觸頭金屬分離時行程，dz為電弧熄滅時觸頭行程，Uarc為觸頭間隙電壓，tc為輸入外部分閘操作指令時刻，ts為開關觸頭金屬分離時刻，tz為電弧熄滅即電流為零的時刻，開關燃弧時間tarc=tz-ts(最小燃弧時間根據開關滅弧室和負載特性確定)。三相開關延時觸發時間td由三相分閘時間和預設的燃弧時間tarc計算得到?？刂破髟谘訒rtd時間后啟動分閘線圈，在時刻ts，觸頭開始分離直到時刻tz電弧熄滅，完成分閘操作。

圖3 容性負載相控分閘技術原理Fig.3 Phase-control opening technology with capacitive load

涌流抑制技術可以通過選相分合閘實現抑制開關操作時所產生的涌流和過電壓等暫態沖擊，從而達到提高電能質量及斷路器開斷容量、延長設備壽命及檢修周期的目的[18-21]。

3 相控斷路器應用方案

3.1 應用方案

對深圳市某500 kV變電站內35 kV 4 M第1組電容器344開關進行相控改造，將原有西門子敞開式聯動斷路器更換為西門子敞開式三相分相斷路器，并加設1套微機涌流抑制器裝置。更換的斷路器能滿足三相分相操作要求，采用SF6滅弧介質，三相獨立的彈簧操作機構，機構動作性能相對穩定，動作時間分散性在2 ms以內。與普通斷路器的差異在于2個方面：能夠三相分相動作；機械穩定性較好。

微機涌流抑制器裝置要求具備：

a)以電壓或電流為參考，根據負載類型，可實現不同相位控制投切策略，并精準地發出分相控制指令至斷路器。

b)一定的自學習和自適應功能，以補償斷路器動作時間誤差，實現精確控制。電容器在正常投切時，通過自動電壓無功控制系統(voltage quality control，VQC)或監控后臺發送啟動分合閘指令給保護測控裝置，保護測控裝置接收到分合閘命令后發送分合閘脈沖到斷路器。

采用相控技術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，裝置進行計算，然后將合、分閘脈沖發出至35 kV電容器斷路器合、分閘線圈操作回路，對電容器組執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試

為實現開關三相過零點合閘，相控裝置需按規定時序分別控制A、B、C三相合閘，深圳某500 kV變電站344相控開關合閘順序為C相→B相→A相，分別延時1.67 ms和6.67 ms。

在試驗前對分相開關三相進行開關特性測試，得到開關分、合閘時間，相間不同期及分、合閘速度的數據，利用測試數據優化相控裝置相位選擇精確性及穩定性。開關隨機投切測試結果見表1，相控模式下開關分合閘時間見表2。

相控裝置投切開關時間實際最大誤差約為0.007 ms，滿足現場應用要求。數據穩定性需要用更大的數據樣本(即更長的運行時間)來說明，后期注意運行數據提取和跟蹤分析。

表1 分相開關三相機械特性測試結果(隨機模式)Tab.1 Test results of three phase switching characteristics in random mode

表2 分相開關三相合閘時間測試結果(相控模式)Tab.2 Test results of three phase switching characteristic in phase-control mode

4 現場試驗研究

4.1 試驗方案

35 kV電容器組相控投切試驗檢測關鍵參數是電容器端口高壓端相對地暫態電壓和斷路器三相暫態電流，分別通過電容器本體電壓互感器二次側和斷路器電流互感器二次側接出測量錄波?？刂齐娙萜魍肚虚_關，記錄投切涌流及過電壓，操作流程如下：

a)不采用相控時(三相聯動隨機方式)，每間隔5 min投切一次開關，檢查記錄波形結果有無重燃現象，如無重燃，投切5次后結束試驗。

圖4 采用相控技術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(三相分相相控方式)，每間隔5 min投切一次開關，檢查記錄波形結果有無重燃現象，如無重燃，投切開關5次后結束試驗。試驗現場如圖5所示。

圖5 試驗現場Fig.5 Test site

4.2 試驗結果及分析

對深圳市某500 kV變電站內35 kV 4M第1組電容器組344開關進行10次投切試驗，試驗檢測參數為電容器高壓端相對地電壓的二次電壓及斷路器三相電流的二次電流，隨機合閘、相控合閘、隨機分閘、相控分閘的典型電壓(UA、UB、UC)、電流(IA、IB、IC)錄波結果分別如圖6、7所示。

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

隨機投切試驗、相控投切試驗結果分別見表3、表4、表5。結合上述試驗數據及動作錄波分析，在正常運行而未經涌流抑制時，采用隨機方式控制斷路器投切，電容器操作最大涌流為4.2(標

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

幺值，下同)，過電壓為1.81。而在正常運行經涌流抑制時，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，過電壓為1.4。相比隨機操作，相控操作涌流降低42%，過電壓降低28%。

經現場使用微機涌流抑制技術將電容器投入時涌流及過電壓均控制在了額定范圍，相比原來三相聯動操作方式，無功投切暫態涌流和操作過電壓都得到大幅抑制，減小了投切時對一次設備絕緣損耗及系統的影響，驗證了微機涌流抑制技術對35 kV大容量并聯電容器投切暫態涌流的抑制效果明顯。

5 結論

a)經相控斷路器投切35 kV并聯電容器組時的合閘涌流在2.3以下，過電壓在1.4以下；普通SF6斷路器投切35 kV并聯電容器組時的合閘涌流在4.2以下，過電壓在1.81以下。相比普通SF6斷路器，相控斷路器操作涌流降低了42%，過電壓降低了28%。

b)與傳統隨機投切電容器組比較，通過相控斷路器投切電容器組時：合閘涌流明顯降低，大幅度減少對電抗器的沖擊；分閘重燃幾率低，斷路器使用壽命及運行安全性得到提升；投切過程中諧波減少，母線電壓質量明顯改善。

表3 隨機投切試驗結果Tab.3 Random switching test results

表4 相控投切試驗結果Tab.4 Phase-control switching test results

c)通過涌流抑制技術對500 kV變電站35 kV電容器投切進行控制，能夠有效抑制電容器組投切涌流和過電壓，穩定母線電壓，避免投切暫態危害及次生事故，延長無功設備及斷路器的使用壽命，提高無功投切和系統運行安全，應用效果顯著，具有一定的技術經濟效益，值得在其他工程項目中推廣應用。