智能相控断路器在35 kV并联电容器投切中的应用

王铠，张晶焯，伍国兴，廖伟兴

(深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000)

随着电网建设的发展和环境保护的要求，智能、可靠、清洁的电力设备受到越来越多的关注。电容器组是10～35 kV中压电网常见的无功补偿设备。目前，电容器大部分是三相同时投切，在投切过程中会产生很大的涌流和过电压，这对电容器及开关设备的安全运行和使用寿命构成巨大威胁，甚至危及电力系统稳定。

对于500 kV变电站的35 kV系统，电容器单组容量大，投切频率高，对电网的扰动非常频繁。每年由于电容器组投切导致一次设备非正常损坏的事故屡见不鲜，对电能质量及设备安全运行都带来了巨大的威胁。目前出现的主要问题有：①电容器及间隔开关投切频繁、电容器容量三相不平衡保护跳闸至投切失败，主绝缘击穿，熔断器熔断，使用寿命缩短，供电可靠性下降；②电容器、电抗器本体损坏甚至发生起火燃烧等事故；③无功设备开关经常出现重燃现象，大大缩短了开关的使用寿命。

造成以上问题的主要原因是投切电容器操作中产生的合闸涌流及分闸过电压[1-4]。国内外研究学者及工程师针对投切并联电容器组引发的事故进行了大量研究[5-9]，近年来相控开关技术逐渐应用于各电压等级的无功补偿系统中，来抑制电容器组投切时产生的合闸涌流及分闸过电压[10-13]。文献[14]针对中低等级电压无功补偿系统开发了一种相控断路器，并通过模拟试验验证了其抑制合闸涌流的效果。文献[15]通过试验研究了相控断路器在投切10 kV并联电容器组中的应用，验证了相控断路器在实际电力系统中的有效性。目前尚无相控断路器在实际35 kV无功补偿系统中现场试验的研究，因此本文首先在理论上分析投切电容器组产生合闸涌流及分闸过电压的原因，并介绍了相控开关技术原理；然后对相控断路器在某500 kV变电站35 kV无功补偿系统中的应用方案及系统调试进行了介绍；最后，通过一系列现场对比试验，对相控断路器抑制合闸涌流和分闸过电压的效果进行验证。

1 投切涌流及过电压产生原因分析

1.1 故障过程

深圳市某500 kV变电站35 kV 33DK电容器组〔设备型号CKDK-35/1000-5，设备容量3 Mvar(整组)，绝缘耐热等级F级，投运时间4 a〕在投入时，串联干式空心电抗器C相在投入30 s内即发生匝间短路故障，C相串联电抗器内部产生短路电流，故障点发热，温度迅速上升，高温导致内部铝线圈熔化冒烟，含有铝金属的烟灰向上方及周围扩散，导致故障点上方绝缘子闪络，设备发展为相间短路故障。故障发生后经过相关检查，相同批次的电抗器符合耐压要求。根据近年无功设备故障缺陷分析得知，因无功投切涌流和过电压造成的故障占所有缺陷的30%，说明该问题较为普遍。

1.2 原因分析

通过对数台发生故障后的35 kV干式空心并联电抗器进行解体分析，发现故障的主要原因是电抗器匝间击穿放电，而电抗器匝间绝缘故障主要由系统投切过程中产生的涌流和过电压引起。受电容器特性影响，并联电容器投入电网时，产生的过渡性电流涌流最大可达到额定电流的20倍；电容器退出电网时，断路器主触头断开后，电容器、串联电抗器与对地杂散形成一个高压振荡回路，与另一侧的电网工频电源形成一个高频脉冲电势差。由于主触头开距较小，易因触头间耐压不充分而产生电弧重燃现象，重燃过程中则会产生过电压。母线过电压最大可以达到额定电压的2.5倍，电容器端过电压最大可以达到额定电压的3～5倍。

切除35 kV并联电容器组的等效电路如图1所示，其中，K为相控断路器，Rso为电源系统对地电阻，Us为电源系统电压(下标中a、b、c对应A、B、C三相，下同)，Ls为电源系统等效电感，Cs为电源系统对地电容，Cc为连线及电容器组对地电容之和，Lc为电容器组串联电抗，Rc为回路损耗等效电阻，C为电容器单相等值电容，Cco为电容器组中性点对地电容。断路器主触头断开后，电容器组、串联电抗器与对地杂散电容形成一个高频振荡回路，与另一侧的电网工频电源形成一个高频脉冲电势差。所以在主触头开距小、触头间耐压不充分时将发生电弧重燃的现象，电弧的频率可高达1 MHz，极大地增加了断路器灭弧的难度和主触头的损耗。

图1 电容器组开断的等效电路Fig.1 Switching equivalent circuit of capacitor bank

35 kV并联电容器组投切时产生的涌流和过电压等暂态冲击对串联电抗器本体造成极大的绝缘损害，而且对电抗器匝间绝缘损坏伴有累积效应，在设备运行过程中逐步产生、积累和扩大，最终导致故障发生。

2 相控开关技术

开关选相分合闸技术于20世纪70年代被提出，但由于断路器及控制器水平较低，相控开关技术一直停留在理论研究方面，并没有成为真正实用的产品。20世纪90年代以来，随着断路器制造工艺、现代测控技术的不断提高，相控开关技术得到飞速发展，特别是在常规负载(参考信号具有周期性)应用领域，如电容器组的投切、空载变压器的投切等方面的应用研究越来越多。ABB、三菱、Alstom、Vizimax等公司推出了选相控制产品，法国、加拿大分别开展了320 kV变压器、120 kV电容器选相操作。近年来，国内也试点引进选相投切装置并开展相控开关技术研究。并成功应用于特高压直流输电项目中高压变压器、滤波器组的选相控制，在中压电容器选项投切方面也开始试点应用。

为解决500 kV变电站35 kV电容器投切暂态问题，目前普遍采用72.5 kV的SF6敞开式户外开关投切电容器组。虽然SF6开关耐受涌流及过电压的冲击水平和灭弧特性都要高于真空开关，但因其投切方式仍是三相联动的随机投切方式，在投切过程中产生的涌流和过电压并没有得到抑制或削弱，因此无法从根本上解决无功设备投切问题，存在安全隐患，投切暂态冲击问题时有发生。

由于系统电压是三相交流正弦波形，初始相角会因分合闸时间不同而变化，因此在利用断路器投切一些一次设备时会产生涌流和过电压。如果能够对合闸角进行精准控制，则可实现对操作过电压及合闸涌流的有效抑制。不同特性的负载(容性、感性)产生涌流和过电压的原因也不尽相同，因此需要采用不同的、有针对性的控制策略来抑制涌流和过电压。对于容性负载，在断路器进行分合操作时，由于电容器两端的电压不能突变，将会在分合瞬间产生较大的涌流及过电压；因此，如果断路器分合闸的瞬间是在电压过零点处，那么将会有效防止因电压突变产出的涌流和过电压[16-17]。

2.1 相控合闸技术原理

容性负载的相控合闸技术原理如图2所示，其中，tc为输入外部合闸操作指令时刻，t0为参考电压过零点，tp为三相选择的不同目标关合相位时刻，tm为开关触头金属接触时刻。由开关各相合闸所需时间与目标关合相位时刻tp可获得开关各相延迟时间td。控制器在延时td后触发合闸操作，开关触头在tm时刻完成闭合，实现各相电压过零关合。

图2 容性负载相控合闸技术原理Fig.2 Phase-control closing technology with capacitive load

2.2 相控分闸技术原理

容性负载的相控分闸技术原理如图3所示，其中，d为开关触头金属分离时行程，dz为电弧熄灭时触头行程，Uarc为触头间隙电压，tc为输入外部分闸操作指令时刻，ts为开关触头金属分离时刻，tz为电弧熄灭即电流为零的时刻，开关燃弧时间tarc=tz-ts(最小燃弧时间根据开关灭弧室和负载特性确定)。三相开关延时触发时间td由三相分闸时间和预设的燃弧时间tarc计算得到。控制器在延时td时间后启动分闸线圈，在时刻ts，触头开始分离直到时刻tz电弧熄灭，完成分闸操作。

图3 容性负载相控分闸技术原理Fig.3 Phase-control opening technology with capacitive load

涌流抑制技术可以通过选相分合闸实现抑制开关操作时所产生的涌流和过电压等暂态冲击，从而达到提高电能质量及断路器开断容量、延长设备寿命及检修周期的目的[18-21]。

3 相控断路器应用方案

3.1 应用方案

对深圳市某500 kV变电站内35 kV 4 M第1组电容器344开关进行相控改造，将原有西门子敞开式联动断路器更换为西门子敞开式三相分相断路器，并加设1套微机涌流抑制器装置。更换的断路器能满足三相分相操作要求，采用SF6灭弧介质，三相独立的弹簧操作机构，机构动作性能相对稳定，动作时间分散性在2 ms以内。与普通断路器的差异在于2个方面：能够三相分相动作；机械稳定性较好。

微机涌流抑制器装置要求具备：

a)以电压或电流为参考，根据负载类型，可实现不同相位控制投切策略，并精准地发出分相控制指令至断路器。

b)一定的自学习和自适应功能，以补偿断路器动作时间误差，实现精确控制。电容器在正常投切时，通过自动电压无功控制系统(voltage quality control，VQC)或监控后台发送启动分合闸指令给保护测控装置，保护测控装置接收到分合闸命令后发送分合闸脉冲到断路器。

采用相控技术后断路器分合闸流程如图4所示。涌流抑制器接收到合闸控制指令后，装置进行计算，然后将合、分闸脉冲发出至35 kV电容器断路器合、分闸线圈操作回路，对电容器组执行三相分相相控合分闸操作。

3.2 相控装置投切策略及装置调试

为实现开关三相过零点合闸，相控装置需按规定时序分别控制A、B、C三相合闸，深圳某500 kV变电站344相控开关合闸顺序为C相→B相→A相，分别延时1.67 ms和6.67 ms。

在试验前对分相开关三相进行开关特性测试，得到开关分、合闸时间，相间不同期及分、合闸速度的数据，利用测试数据优化相控装置相位选择精确性及稳定性。开关随机投切测试结果见表1，相控模式下开关分合闸时间见表2。

相控装置投切开关时间实际最大误差约为0.007 ms，满足现场应用要求。数据稳定性需要用更大的数据样本(即更长的运行时间)来说明，后期注意运行数据提取和跟踪分析。

表1 分相开关三相机械特性测试结果(随机模式)Tab.1 Test results of three phase switching characteristics in random mode

表2 分相开关三相合闸时间测试结果(相控模式)Tab.2 Test results of three phase switching characteristic in phase-control mode

4 现场试验研究

4.1 试验方案

35 kV电容器组相控投切试验检测关键参数是电容器端口高压端相对地暂态电压和断路器三相暂态电流，分别通过电容器本体电压互感器二次侧和断路器电流互感器二次侧接出测量录波。控制电容器投切开关，记录投切涌流及过电压，操作流程如下：

a)不采用相控时(三相联动随机方式)，每间隔5 min投切一次开关，检查记录波形结果有无重燃现象，如无重燃，投切5次后结束试验。

图4 采用相控技术后断路器分合闸流程Fig.4 Opening and closing flowchart of circuit breaker using phase-control technology

b)采用相控时(三相分相相控方式)，每间隔5 min投切一次开关，检查记录波形结果有无重燃现象，如无重燃，投切开关5次后结束试验。试验现场如图5所示。

图5 试验现场Fig.5 Test site

4.2 试验结果及分析

对深圳市某500 kV变电站内35 kV 4M第1组电容器组344开关进行10次投切试验，试验检测参数为电容器高压端相对地电压的二次电压及断路器三相电流的二次电流，随机合闸、相控合闸、随机分闸、相控分闸的典型电压(UA、UB、UC)、电流(IA、IB、IC)录波结果分别如图6、7所示。

图6 随机合闸、相控合闸电压、电流录波Fig.6 Recorded voltage and current curves of random and phase-control closing

随机投切试验、相控投切试验结果分别见表3、表4、表5。结合上述试验数据及动作录波分析，在正常运行而未经涌流抑制时，采用随机方式控制断路器投切，电容器操作最大涌流为4.2(标

图7 随机分闸、相控分闸电压录波Fig.7 Recorded voltage curves of random and phase-control opening

幺值，下同)，过电压为1.81。而在正常运行经涌流抑制时，采用相控方式控制断路器投切，电容器操作最大涌流为2.3，过电压为1.4。相比随机操作，相控操作涌流降低42%，过电压降低28%。

经现场使用微机涌流抑制技术将电容器投入时涌流及过电压均控制在了额定范围，相比原来三相联动操作方式，无功投切暂态涌流和操作过电压都得到大幅抑制，减小了投切时对一次设备绝缘损耗及系统的影响，验证了微机涌流抑制技术对35 kV大容量并联电容器投切暂态涌流的抑制效果明显。

5 结论

a)经相控断路器投切35 kV并联电容器组时的合闸涌流在2.3以下，过电压在1.4以下；普通SF6断路器投切35 kV并联电容器组时的合闸涌流在4.2以下，过电压在1.81以下。相比普通SF6断路器，相控断路器操作涌流降低了42%，过电压降低了28%。

b)与传统随机投切电容器组比较，通过相控断路器投切电容器组时：合闸涌流明显降低，大幅度减少对电抗器的冲击；分闸重燃几率低，断路器使用寿命及运行安全性得到提升；投切过程中谐波减少，母线电压质量明显改善。

表3 随机投切试验结果Tab.3 Random switching test results

表4 相控投切试验结果Tab.4 Phase-control switching test results

c)通过涌流抑制技术对500 kV变电站35 kV电容器投切进行控制，能够有效抑制电容器组投切涌流和过电压，稳定母线电压，避免投切暂态危害及次生事故，延长无功设备及断路器的使用寿命，提高无功投切和系统运行安全，应用效果显著，具有一定的技术经济效益，值得在其他工程项目中推广应用。