相控断路器的10 kV电容器组投切试验及应用

文雅钦，李凯宇，殷建刚，吴传奇，李 潭，宋子键

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430070；2.国网湖北省电力有限公司，湖北 武汉430070；3.国网湖北送变电工程有限公司，湖北 武汉430077；4.国网湖北省电力有限公司鄂州供电公司，湖北 鄂州436000）

0 引言

随着电力需求越来越大，电网结构越来越复杂，为保障电网负荷波动时的电能质量，并联电容器组的投切频率越来越高［1-2］。目前，中、低压电网常采用真空断路器进行并联电容器的投切，然而真空断路器进行并联电容器投切时，容易出现合闸涌流及操作过电压等现象，易导致开关投切失败、开关重燃、电容器故障等，严重时更会造成母线停电故障，严重影响电网安全稳定运行［3］。

为彻底消除上述问题，相控开关开始逐渐代替传统真空断路器应用于10 kV电容器组的投切。文献［4］论述了断路器的机械特性、介质绝缘特性以及控制系统精度等几个关键因素对相控开关技术的影响。文献［5］对基于永磁操动机构和电子控制的真空开关的控制特性、控制精度和可靠性进行了分析。分析表明，电子操动的永磁机构结构简单，动作快，操作时间稳定，响应时间可控，能够实现开关在所希望的相位动作，为同步真空开关的实现提供了必要的条件。文献［6］分析了并联电容器组的合闸暂态过程，并采用分相控制的永磁机构真空断路器进行了合闸试验，证明了相控开关抑制暂态过程的可行性。

对比传统方法，相控开关技术能够有效的改善开关的运行条件，减小灭弧室内部及周围温度，减轻开关部件机械应力与触头烧蚀，延长触头电寿命和设备维修周期，提高开关额定关合开断能力，有效避免重燃与重击穿，降低系统的绝缘水平，对提高电网电能质量和开关设备寿命周期具有重要意义［7］。

1 相控开关技术原理

相控开关工作原理实际上是以电网电压或电流为参考信号，根据负载无功的类型和分合闸命令时的电网实时相角，依据设定的目标相位值，引入特定的延时等待时间，控制断路器触头在理想相位完成电气关合或分离，实现无冲击的平滑过渡，可以有效地削弱开关电磁暂态效应。

1.1 相控分闸原理

相控开关切除电容器组时，理论上期望电容器组切除过程中，经过理想燃弧时间后其电流恰好在过零点，即电压峰值点90°附近，电流过零完成熄弧，且触头间距足够以满足恢复电压要求，以有效避免重燃。因此需依据理想燃弧时间计算提前动作量，假设理想燃弧时间为5 ms，则其对应50 Hz系统为90°。相控分闸时序图如图1所示。

图1 相控分闸时序原理图Fig.1 Schematic diagram of phase control opening sequence

当控制器发出分闸命令，延迟一段时间Td1，经过断路器固有分闸时间Topeing后，断路器动作，触头开始分离；Tarcing为系统理想燃弧时间，在本设计中采用5 ms；燃弧时间结束后，触头彻底分离且触头间隙能够承受系统恢复电压。

其中，首分相延迟时间Td1计算公式为：

式（1）中，T为参考电压信号的周期时间，在工频时为20 ms；Twait为随机分闸指令与系统电压上一个零点之间的间隔时间；Topeing为断路器的固有分闸时间，Tc为控制器固有计算时间。

1.2 相控合闸原理

相控开关控制电容器投入时，是为了让触头在电压的目标相位关合，以减少电容器投入操作产生的合闸涌流和过电压幅值，提高电能质量和系统稳定性。相控合闸时序图如图2所示。

图2 相控合闸时序原理图Fig.2 Schematic diagram of phase control closing sequence

当控制器在T1时刻收到合闸命令在目标相位T3处合闸时，控制器根据检测到的前一个过压零点T0计算出在目标相位T3处合闸所需的延迟时间Td2，当延迟时间到后，断路器开始合闸，经过断路器固有合闸时间Tclsing后，断路器合闸。

其中，选相合闸延迟时间Td2计算公式为：

式（2）中，T为参考电压信号的周期时间，在工频时为20 ms；Tclswait为随机合闸指令与系统电压上一个零点之间的间隔时间；Tclsing为断路器的固有合闸时间，Tc为控制器固有计算时间，Tpre为合闸时预计穿时间。

2 相控开关现场试验

智能相控开关系统整体结构如图3所示，主要由智能选相分合闸装置、三相分相操作的永磁操动机构等组成。当智能选相分合闸装置接收到分合闸指令后，通过实时采集母线电压相位，计算出相应的延迟时间，再将相应的分合闸指令传递给断路器机构进行分闸操作，从而抑制电容器组投切产生的合闸涌流和操作过电压。

图3 相控开关系统结构图Fig.3 Phase control switch system structure diagram

2.1 相控投切试验方案

为了验证相控开关投切电容器组对合闸涌流及过电压的抑制效果，进一步获取相控断路器投切10 kV电容器组暂态数据，在省内某座变电站内进行了中压智能相控断路器在无功补偿回路中的应用投切试验。试验方案接线图如图4所示，因实际接线时，电容器组串联有电抗器，分闸时对涌流和过电压本有抑制作用，只要分闸时没有发生重燃现象，产生过电压很小，因此，本文重点关注合闸涌流及合闸过电压。

如图4所示，试验方案采用普通开关和相控开关串联接线方式，试验流程如下：

图4 试验方案接线图Fig.4 Experimental scheme wiring diagram

1）相控开关始终保持合位，用普通开关进行电容器投切，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10次后结束试验；

2）普通开关始终保持合位，用相控开关进行电容器投切，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10次后结束试验；

3）对比分析不同开关投切效果。

2.2 投切试验数据分析

按照上述方案进行试验，取合闸涌流倍数及合闸过电压倍数三相最大值对比分析，实验数据对比图分别如图5所示。

如图5所示，在采用普通开关进行连续10次电容器组合闸时，合闸涌流最小为额定电流的3.1倍，最大高达额定电流6.1倍；而在采用相控开关进行进行连续10次电容器组合闸时，合闸涌流抑制效果良好，10次合闸均能保持涌流在1.2倍额定电流以下。

图5 合闸涌流对比图Fig.5 Comparison chart of closing inrush current

如图6所示，采用普通开关进行电容器组10次合闸操作，合闸过电压最大为额定电压的1.71倍；而采用相控开关进行电容器组10次合闸操作，合闸过电压均能控制在额定电压的1.17倍以下，抑制效果明显。

图6 合闸过电压对比图Fig.6 Comparison chart of closing overvoltage

3 相控开关的现场应用分析

为验证相控开关长期运行的可靠性，在试验结束后，保持试验接线方式不变的情况下将设备挂网运行一段时间后统计其投切数据。由前文分析可知，因实际接线接有电抗器的原因，对过电压具有抑制作用，以下仅分析相控开关合电容器组时的涌流运行数据。

表1 相控开关各相合闸涌流数据Table 1 Inrush current data of each phase of the phase control switch

根据该相控开关长期运行时的4次合闸涌流结果可以看出，各相涌流抑制良好，A相合闸涌流控制在1.69倍以下，B相合闸涌流控制在1.88倍以下，C相合闸涌流控制在1.41倍以下，相控开关长期运行性能稳定，抑制效果良好。

4 结语

本文以省内某变电站10 kV电容器组工程改造作为背景，从相控开关工作原理出发，系统分析了相控开关涌流和过电压抑制思路，并通过现场试验及长期挂网运行，验证了相控开关相较于传统真空开关对涌流及过电压的抑制优势，具体体现在：

1）现场试验有效验证了相控开关对合闸涌流及过电压的明显抑制效果，合闸涌流均能抑制在1.2倍以下，合闸过电压均能抑制在1.17倍以下。

2）相控开关长期运行效果良好，各相合闸涌流最大1.88倍，最小仅1.1倍，均在安全范围内。但长期运行实际投切次数仅4次，样本数还较小，且合闸涌流对触头烧蚀及绝缘损坏具有累积效应，还需将设备更长时间挂网运行后统计更加详细的投切结果。

3）相控开关对涌流及过电压的抑制效果明显，能有效改善开关触头烧蚀及绝缘损坏的累积效应，对提高设备可靠性，提升电网长期运行可靠性、经济性具有重要意义。