中压智能相控断路器在220kV变电站中的应用

易宏　史清芳　孔林

摘要：近年来，大容量无功补偿设备在变电站中的应用越来越常见，随之而来的投切引起的问题也受到了大家的关注。文章对比分析了常规断路器和相控断路器的技术差异，论述了相控断路器技术特点、优势和效益。研究结果表明，智能相控断路器可以有效的抑制投切时产生的涌流和过电压等暂态冲击。

关键字：无功补偿、断路器、相控、暂态

0 引言

随着我国经济的飞速发展，电网规模日益增大，对无功补偿装置的要求也越来越高。装设大容量无功补偿设备可以有效减少线损，改善电网电能质量以及稳定系统电压。但随之而来的无功设备投切过程中产生的问题也越来越突出：无功设备投切频繁、使用寿命短，容易造成母线停电、电容器故障、投切失败、开关重燃及爆炸等事故。

文献[1]分析了造成电容器投切不成功的主要原因是无功设备投切过程中产生的操作过电压、投切涌流过大以及容量配置不合理。文献[2]通过对多起大容量并联电容器组的运行事故进行分析，发现投切电容器组的断路器性能差是造成事故的原因之一。文献[3]通过对智能相控断路器和常规断路器的投切电流和电压进行对比，验证了智能相控断路器的良好投切效果。

为进一步研究中压智能相控断路器对抑制无功设备投切过程中产生的涌流与操作过电压的积极影响。文章简析了中压智能相控断路器的基本原理、与常规断路器进行了性能对比并对此进行了实例验证。

1 中压智能相控断路器基本原理

1.1 中压智能相控断路器工作原理

中压智能相控断路器的核心技术是相控技术，通过对电流或电压信号进行监测，实现在最佳位置开断或闭合开关触头的功能。中压智能相控开关工作原理如图1 所示。主要由智能控制单元、三相分相操作的直驱型永磁智能相控开关等组成。通过智能控制单元对相控开关进行精准控制实现对分合闸相位角的控制，从而有效抑制分合闸过程中产生的涌流和过电压。

1.2 电容器投切策略

1.2.1 电容器合闸策略

结合电容器的电气特性，为了抑制电容器合闸时产生涌流和过电压，电容器的最佳合闸时机为电压过零点。电容器合闸技术原理图如图2所示。通过相控技术实现电容器三相电压依此过零点投入，从而减少合闸时的暂态冲击。

图中，tc为合闸操作指令开始时间，t0为电压零点，ts为合闸动作时间，tp为合闸相位，tm为开关触头接触时间。相控斷路器的智能控制单元通过对时延td的控制，实现三相电压分别过零点合闸。

1.2.2 电容器分闸策略

为了提高开关的开断能力，降低重燃的可能性，电容器的最佳分闸时机为燃弧一段时间后在电流过零点自然熄弧。因此，需要先根据不同的负载特性以及灭弧室的性能，综合分析确定负载的最小燃弧时间，然后才能实现过零点自然熄弧的功能。电容器分闸技术原理图如图3所示。通过相控技术实现电容器三相依次在电流过零点自然熄弧，从而提高分闸成功率，降低设备损耗。

图中，tc为分闸操作指令开始时间，to为分闸动作时间，ts为开关触头分离时间，tz为电流过零点，也就是电弧熄灭的时间，可知燃弧时间tarc=tz-ts。相控断路器的智能控制单元通过对延时td的控制，实现三相电流分别过零点自然熄弧。

1.3 电抗器投切策略

电抗器与电容器的电气特性的最大区别在于电抗器的电流不能发生突变，因此电抗器合闸时应尽量减少电流的突变率，以达到降低操作过电压的目的。电抗器的最佳合闸时机是电流过零点，也就是电压90°的时候投入。

电抗器分闸的原理与电容器一样，分闸最佳时机也是在电流过零点自然熄弧。

电抗器投切策略与电容器类似，只是投切时机略有不同，此处不再赘述。

2 中压智能相控断路器与普通断路器性能对比

2.1中压智能相控断路器与普通断路器技术对比

相控断路器可以根据负载特性实现任意投切策略角度的三相独立的分相分时操作，而普通断路器只能是三相联动操作;相控断路器可以根据不同的负载特性，选择最佳的投切相位角，且动作时间稳定，对投切涌流和过电压具有明显抑制效果，而普通断路器没有此功能，会造成较大的暂态涌流和过电压冲击;相控断路器还可根据采集的电网信息和故障电流信息，完成负载支路的测控和保护功能，并能通过电流过零预测算法，实现故障选相开断的功能。通过对市面上的普通开关和智能相控开关调研，得出如表1所示的技术对比。

2.2  中压智能相控断路器与普通断路器投切性能对比

目前220kV及以上的变电站使用大容量电容器组已经成为普遍现象，针对当前8-10Mvar电容器组设计应用，其要求的开断电流已经远大于400A，普通断路器已难以满足应用需求，存在安全隐患。

10kV智能相控断路器具备三相联动操作方式下背对背开合800A容性电流的能力，可以安全分合容量为13.8Mvar的电容器，即使不启用相控功能而仅采用随机投切策略，也可完成电容器组的安全可靠分合。正常情况下，智能相控断路器是在电压或电流的自然过零点分合闸，可以有效降低重燃概率，抑制分合闸涌流和过电压，确保电容器安全投切。

2.3 中压智能相控断路器与普通断路器经济性能对比

10kV电容器组的设计寿命一般为20年，期间常规电容器10kV开关柜大概需要进行3次断路器更换，SF6断路器虽封极柱全寿命周期内无需更换，但因弹簧操动机构零部件多、传动环节多、故障率高等原因仍需要频繁更换，而智能相控断路器设备损耗小且操动机构寿命长、可靠性高，在全寿命周期内所有原件均无需进行更换。

在电容器的设计寿命内，使用常规断路器随机投切产生的涌流和过电压会对电容器本体造成损伤，从而加剧其故障率。根据运行数据统计，电容器组平均每5年要更换1个单元，而采用智能相控断路器投切，可大大减少甚至消除电容器组件的更换次数。

由于电容器组需要进行频繁的投切，暂态过程对普通开关造成的冲击使得开关需要逐年检修，SF6开关还需进行气体检测相关项目。中压智能相控断路器受到的冲击小，且可以对开关机构和回路进行监测，可将检修周期由1年延长至3年或以上。

综上可知，相控断路器在额定电流、额定短路开断能力上与普通开关技术性能无异，但相控断路器在开合容性电流具有很大的优势，能显著提高开合能力。另外，相控断路器在运维方面也具有很大的优势，可以为变电站减少维护和检修的工作量，同时可以延长设备寿命，减少电网投资。

3 智能相控断路器在220kV变电站中的应用实例

湖南湘西猛洞河220kV变电站设计有3回并联电容器组出线柜、1回并联电抗器出线柜和1回直流融冰出线柜均采用GLS-200系列智能相控开关柜。其中电容器组单租容量为8016kvar，串抗12%，额定电流385.7A;并联电抗器组容量是10000kvar，额定电流577.5A;直流融冰柜变压器为25MW，额定电流1443.4A。

2018年11月，猛洞河变电站在完成基建验收后电抗器和电容器智能相控开关柜投运，融冰出线柜暂未投运。表2-表5分別列举了电抗器出线柜和电容器出线柜相控投切的实验数据，其中p.u.为暂态峰值/稳态峰值。

由以上投运数据可以看出：采用智能相控断路器后，10kV并联电抗器投切涌流抑制在1.05倍以内，合闸过电压控制在1.28倍以内，分闸过电压抑制在1.38倍以内; 10kV并联电容器投切涌流控制在2.1倍以内，合闸过电压控制在1.3倍以内，分闸过电压控制在1.32倍以内。

因此无论是并联电抗器还是并联电容器，使用智能相控断路器能有效抑制投切过程中产生的涌流与操作过电压，确保暂态冲击控制在较小范围内，极大地提升了无功设备投切安全及电网运行安全，应用效益良好。

4 结论

本文通过对相控断路器进行理论研究和实际投切实验。得出如下结论：相控断路器比常规断路器更适于大容量的特殊负荷的投切，抑制投切时产生的涌流和过电压等暂态冲击，提高系统和设备运行可靠性，提升电能质量，延长设备使用寿命和检修周期，满足智能电网建设需要。

作者介绍：

易宏（1984-至今）：工作于湖南省电力设计院，长期从事输变电工程电气主设计师工作，中级工程师，硕士研究。

参考文献：

[1]周杰.AVC系统电容器投入不成功原因分析及控制措施[J].科技风，2018（35）：208.

[2]林瑞宗.大容量并联电容器组设计和运行的若干问题[J].电力电容器，2002（04）：26-31.

[3]付磊，毛毳闽，吴丹，张俊敏，周圣枝.10kV智能相控断路器在东津220kV变电站的应用设计方案研究[J].湖北电力，2015，39（04）：55-58.