基于接觸器控制的電容電抗器組投切方案

劉成學，黃棋悅，嚴 楠

（1.庫柏（寧波）電氣有限公司，浙江 寧波 315300；2.寧波職業技術學院，浙江 寧波 315800）

0 引言

隨著經濟的不斷發展，電網容量也在逐漸擴大，其中無功負荷的需求在逐年擴大，波動也日益頻繁。為了滿足電力系統無功的需求，往往采用并聯電容器組和電抗器組進行無功補償，以保證電力系統的穩定運行[1]。

現代電網采用高度自動化的方式運行，其中無功補償主要通過AVC（自動電壓無功控制）系統進行控制，根據線路無功功率的波動自行投入和退出運行。電網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現[2]。真空斷路器具有結構簡單、開斷能力強、可頻繁操作等優點，但因其較強的開斷能力，會在開斷小電流時發生截流現象，從而導致投切過電壓[3]。該過電壓輕則導致保護裝置誤動作，重則使斷路器燒毀，進而影響電網的安全穩定運行，造成較大的經濟損失。電容、電抗器組的投切困境一直是電力系統急需解決的問題[4-6]，國內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）保護法和選相投切技術等方案。這些方案都在不同程度上能夠減輕投切過電壓、降低故障發生的可能性，提高系統的穩定性[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行風險。

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生的機理，并以此為理論基礎，設計了基于接觸器控制的投切方案。在電容電抗器組中性點短接回路加裝真空接觸器，通過控制接觸器的分合，接通或斷開中性點短接回路，實現對電容電抗器組的投入和退出操作。建立PSCAD 仿真模型，模擬投切時的暫態和穩態過程，獲得無功補償效率及暫態波形，驗證了所提方案投切的可靠性和經濟性。

1 過電壓機理及治理

針對電容、電抗器組投切過電壓的產生，國內外專家學者進行了大量的研究和仿真工作[9-10]，如今主流的過電壓產生機理有截流過電壓和復燃過電壓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，而斷路器一般被設計用來切斷短路電流。電容、電抗器組的負荷電流遠遠小于短路電流，因此，在斷路器投切時，由于其過強的開斷能力，可能導致電弧在自然過零點之前就熄滅。這種電弧提前熄滅的現象稱為截流。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[11]。

1.2 復燃過電壓

復燃現象是斷路器開斷過程中的常見現象。當斷路器滅弧室的絕緣水平超過恢復電壓時，斷路器正常開斷電流。而當滅弧室的絕緣水平低于恢復電壓時，斷路器發生復燃。這種復燃，會產生高頻的振蕩電流流經斷路器，而斷路器又將該振蕩電流切斷，該切斷過程又將重新引發復燃現象。因此，多次重復的復燃現象會使得振蕩電流的電壓值不斷攀升，進而產生很高的過電壓。這樣的復燃過電壓幅值和頻率都很高，威脅著電力系統的安全穩定運行[12]。

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

1.3 RC 阻容裝置保護方案

將電阻和電容串聯，構成RC 阻容裝置，根據需求將該裝置安裝在母線側或避雷器側。理論上RC 阻尼裝置接入回路后，改變了回路的電氣參數，增加了系統對地電容，進而有效降低過電壓的幅值，對斷路器起保護作用。其還能夠通過電阻阻尼作用降低高頻震蕩時的頻率，保護系統安全穩定運行。

1.4 電力電子開關投切方案

隨著電力電子技術的不斷發展和完善，通過在常規開關上并聯晶閘管閥體開關來實現電容、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投切，避免過電壓的出現。該方案一方面能夠延長電抗器組與開關的壽命，并且能夠實現頻繁投切；另一方面還具有運行損耗小、節能效果明顯，可模組化設計和工程改動量小等特征。

1.5 選相投切方案

選相技術由選相分合閘裝置控制斷路器在理想的分、合閘角度下對負載實現投切。通過實時采集電源側PT（電壓互感器）信號作為選相基準信號，并同時將接入受控側的回采電流和電壓信號作為分合閘完成判據，進而實現斷路器在設定相位的投切操作。該技術還可用于控制電容器、電抗器、變壓器和長線路等各種負載的投切。

2 投切方案介紹

第1 節研究了過電壓的產生機理，并舉例說明了傳統的過電壓解決方案。然而，這些方法在不同程度上存在著不足，如RC 阻尼保護裝置存在回路負載、設計繁瑣和只能被動吸收過電壓的缺陷；電力電子開關投切方案造價高昂、高電壓等級的投切技術并不成熟；選相投切技術的長期可靠性、運行后分合閘時間的離散性變化需要更進一步的研究。

為了解決投切過電壓對電力系統的威脅，降低可能的經濟損失，本文提出了在電容器電抗器中性點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的威脅，并極大地降低了可能造成的經濟損失。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，將電抗器組與電網相并聯；LA，LB，LC分別為電抗器；QKA，QKB，QKC分別為投切接觸器。

傳統方案投切電容、電抗器組時，采用斷路器QF 直接投切的方式。投切過電壓的產生會威脅電力安全穩定運行，而基于接觸器控制的投切方案采用控制接觸器的分合，接通或斷開中性點三相短接線，從而控制電容器電抗器的投切方式。當系統正常運行時，斷路器QF 閉合，接觸器QK 斷開，此時電抗器組L 回路不接地，處于斷開狀態，電力系統沒有無功補償；當電力系統產生無功不平衡時，接觸器QK 閉合，電抗器組L回路導通，無功補償回路接入電力系統中調節系統無功平衡；當電抗器組L 或者接觸器發生故障時，斷路器QF 斷開，切除故障，以保證電力系統安全穩定運行。

傳統投切方案采取斷路器投切電容、電抗器組。由于負荷不斷變化，斷路器動作十分頻繁，反復的投切過程極大地影響了斷路器的工況及使用壽命，進而威脅電力系統穩定?；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。當接觸器發生短路故障時，為保證電力系統穩定運行，斷路器動作，斷開無功補償回路，其動作頻率相比傳統方案大大降低。反復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生不良影響。而接觸器本身價格低廉、可高頻率操作、使用壽命長和方便頻繁更換，具有較高的經濟效益。

3 仿真驗證

本文采用PSCAD 仿真軟件搭建簡單的電力系統模型，驗證接觸器投切方案在電力系統無功補償中運行的可行性[13]。電力系統仿真模型設計如圖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三相電壓、電流值；電能計算和波形顯示用來觀察系統有功、無功波形；斷路器投切方案為采用傳統斷路器投切電容電抗器組實現無功補償；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現無功補償。

3.1 正常投切時的無功

分別在同一仿真模型下，采用不同的投切方案觀察無功補償數據，進行試驗仿真。仿真數據如表1、表2 所示。

表1 斷路器投切時的仿真數據

表2 接觸器投切時的仿真數據

由表1、表2 可知，在無功補償前，負載的無功缺量大、無功波動頻繁，系統功率因數低，需進行大功率的無功補償。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，均能有效地實現系統無功的快速補償。補償后的系統無功缺量均降到3 kvar 以下，系統的功率因數達到0.99 以上，具有較高的精確性。仿真驗證了所提投切方案無功補償時的可行性。

3.2 正常投切時的電壓電流

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

圖3 切除時暫態電流波形

圖4 切除時暫態電壓波形

由圖3 可知，采用接觸器投切電容、電抗器組時，接觸器暫態電流值迅速下降至0。由于復燃現象，由圖4 觀察到暫態電壓短暫攀升，經0.1 s 后，復燃現象消失，電壓迅速下降至0。經計算，接觸器側暫態電壓倍數在1.5～2.5 倍，未發生過電壓現象。

3.3 短路故障時的仿真

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。當接觸器K2或者電容電抗器組2 發生短路故障時，斷路器QF2需及時動作，切除故障，以保證電力系統正常運行。進行試驗仿真，觀察基于接觸器控制的投切方案在發生短路故障時的斷路器投切過程和系統電流，短路點設置為電容器組2，短路類型為三相接地短路，短路時刻為1 s。仿真結果如圖5、圖6 所示。

圖5 斷路器動作狀態

圖6 輸電線路電流

由圖5、圖6 可知，在發生短路故障時，斷路器QF2迅速動作、切除短路故障，斷開無功補償回路；輸電線路電流波形僅產生一個小的尖刺后迅速恢復，電力系統仍能安全穩定運行。仿真驗證了所提投切方案在發生短路故障時，不會影響系統正常運行，具有較高的可靠性。

3.4 分相投切時的仿真

選相投切是根據負載的特性，控制斷路器在電壓和電流的最佳相位進行分、合閘操作，從而抑制操作過程中的涌流和復燃現象，以提高電力系統穩定性，減小對電力設備的危害[14-15]。傳統斷路器投切方案中分相控制策略也可應用于基于接觸器控制的投切方案中。仿真驗證如圖7、圖8所示。

圖7 選相后暫態電壓波形

圖8 未選相時暫態電壓波形

由圖7、圖8 可知，采用分相投切時，暫態電壓較未采用分相投切時電壓的波形更為平緩。仿真驗證了分相投切技術在所提投切方案應用的可行性。

4 經濟性分析

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格等多方面進行對比，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、造價高、可操作壽命短。而真空接觸器只需要過負荷的開斷能力，體積小、造價低、可操作壽命長。從性價比角度分析，接觸器的投切性價比是斷路器的30 倍以上。相比于傳統真空斷路器投切方案，該方案降低了成本、提高了使用效率，具有較高的經濟效益。

表3 斷路器與接觸器性能對比

5 結論

為實現系統頻繁的無功補償，避免斷路器因投切而產生的過電壓危害，本文提出基于接觸器控制的電容電抗器組投切方案?，F對所提投切方案總結如下：

（1）在電容器電抗器中性點短接回路加裝接觸器，通過控制接觸器的分合，接通或斷開中性點三相短接線，從而實現電容電抗器組的投切。通過接觸器間接實現投切功能，避免斷路器的過電壓產生，保證了系統的穩定性。

（2）建立了PSCAD 仿真模型，對投切方案進行分析研究。穩態方面，無功補償的精確性較高；暫態方面，暫態波形的迅速畸變不會導致保護誤動作；仿真驗證了該方案的實際可行性，并分析了投切接觸器三相不同步的工作狀態，驗證了分相投切技術的可行性。

（3）進行經濟性分析，計算投切性價比，驗證了該方案的經濟效益得到了較大的提升。