容性电流投切合成试验回路设计

耿维帅 郑承恩 秦文文 余勇祥

1.国网山东省电力公司潍坊供电公司；2.华东交通大学省部共建轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室

在电力系统运行过程中，需频繁投切电容器组来改善负荷的功率因数，减少线路中的无功功率流动，从而达到降低系统电压损耗的目的。实验室多采用合成试验回路考核高压断路器的容性电流投切性能。本文介绍了一种容性电流投切合成试验回路设计及时序控制方案，该试验回路由高频涌流源回路、工频电流源回路以及工频电压源回路三部分组成，利用三相交流电源的相角特性可直接做到合成回路电压源和电流源的相位同步，免去了电流源电容的充放电装置和复杂的相位同步装置，节约成本且操作更加简单可靠。该试验回路可提供满足标准要求的高频涌流、开断电流和恢复电压。

电力系统运行过程中，大量无功负荷的存在会降低电网功率因数，从而增大输电线路的电压损失，造成线路、变压器等设备的功率损耗，因此，需要频繁地投切电容器来维持电网功率因数，使得电网处于平衡状态[1,2]。

随着电网电压等级和输电容量的提高，应用于无功补偿领域的电容器组的电压等级和容量也相应增加[3,4]。为保证断路器投切电容器组的能力能相应地满足要求，其容性电流开断能力必须通过一定的试验方法进行测试，因此，容性电流开合试验成了高压断路器的一项重要的、必须严格考核的试验项目[5]。

1 回路简介

如图1 所示为容性电流投切合成试验回路结构图。总回路由高频涌流源回路、工频电流源回路以及工频电压源回路三部分组成[6,7]。涌流源回路在试品断路器关合涌流后由涌流源隔离断路器SInrush从主回路中切除。试品断路器关合涌流后保持闭合，然后再闭合电压源变压器原边开关SV，此后电压源回路小电流开始流经试品断路器。由于试品断路器的接触电阻较小，因此试品开关上压降很低。此后，在关闭电流源辅助开关SI和电流源合闸开关G 后，电流源回路电流流经试品。打开试品开关并熄灭电弧后，直流性质的恢复电压开始施加到试品开关上，从而对试品开关容性开断后绝缘特性进行考核。在此期间，电流源辅助开关SI必须在试品开关电流熄弧前断开，从而保证低压电流源回路和高压电压源回路的有效隔离[8,9]。

图1 容性电流投切合成试验回路Fig.1 The synthetic test circuit for capacitive current switching

根据图1 所示，电流源采用可调电阻负载，便于调节电流参数值。此外还能避免感性负载的截流过电压及因线路电阻造成的相位偏移。由于电流源是纯电阻负载，电压电流相位同步，而电压源部分是容性负载，根据容性负载的特点，容性电流要超前电压90°相位角，因此为保证电流源电流和电压源电流能做到相位同步，电压源和电流源供电电压需要有90°相位差，因此根据图1所示，该回路电流源由三相交流电源的相电压供电，而电压源由另两相的线电压经过调压器和变压器进行供电。如图2 所示为电压源和电流源相角匹配图，利用三相交流电源的相角特性可直接做到合成回路电压源和电流源的相位同步，免去了电流源电容的充放电装置和复杂的相位同步装置，节约成本且操作更加简单可靠。

图2 电压源电流源相角图Fig.2 The phase diagram for the voltage source and current source

2 试验回路操作时序

真空灭弧室容性电流投切分为合闸和分闸两个过程，合闸过程需要关合高频率高幅值涌流。涌流源回路先于电流源和电压源回路独立操作，且操作完成后需要从主回路切除，否则若与主回路发生串联，主回路过电压容易引起涌流源设备损坏甚至发生电容器爆炸事故。关合高频涌流操作时序较为简单，因此为保证可靠性可采用手动操作。

试验前图1 所示合成试验回路中所有开关都保持断开状态。合闸前先对涌流源电容C1预充电到试验所需电压值，然后先闭合涌流源隔离开关SInrush，再闭合试品真空断路器SVAC，此时高频涌流源回路接通，之后高频涌流将会流经试品真空断路器SVAC。涌流迅速衰减完毕后涌流源隔离开关SInrush分闸，此时高频涌流源回路与其他两个回路之间断开电气连接，关合涌流阶段操作完毕。此时试品断路器SVAC仍保持合闸状态。

接下来进行真空灭弧室容性投切分闸操作过程。如图3 所示为合成试验回路时序控制图。

图3 合成试验回路时序控制图Fig.3 The sequence control diagram for the synthetic test circuit

t=T1 时刻，电压源变压器原边开关Sv合闸，此时工频电压源回路接通，工频电压源电流iv通过试品真空断路器SVAC；

t=T2 时刻，电流源辅助开关SI合闸，此时工频电流源回路尚未接通；

t=T3 时刻，电流源合闸开关G 合闸，电流源回路接通，工频电流源电流ic开始通过试品真空断路器SVAC；

t=T4 时刻，待电流源回路工频电流经过一个半波稳定燃弧后，在电流第二个半波过零点前，试品真空断路器SVAC电流源辅助开关SI同时分闸起弧，并于下一个开断电流的电流零点熄弧。工频电流熄弧后，直流脉动形式的容性恢复电压就开始施加于试品真空断路器SVAC两端；

t=T5 时刻，恢复电压持续考核一定时间后，电流源合闸开关G 和电压源变压器原边开关SV同时分闸，切除电流源回路元件并断开电压源回路电压；

最后回路中所有电容放电开关合闸，对电容进行放电，此时一个合分闸操作试验周期完成。

3 结语

本文设计了可用于测试的容性电流投切合成试验回路及其时序控制方案，并利用计算机仿真分析，验证了合成试验回路方案的可行性和实用性。具体结果如下：（1）容性电流投切合成试验回路利用三相交流电源的相角特性可直接做到合成回路电压源和电流源的相位同步，相对于电流源LC 振荡方式的回路设计方案，免去了电流源电容的充放电装置和复杂的相位同步装置，从而使得操作更加简单可靠；（2）完成了容性电流投切合成试验回路时序控制方案设计。此合成回路可提供幅值为20kA 和频率为4250Hz 的高频涌流、400A 有效值的工频开断电流以及表现为（1-coswt）形式的直流脉动恢复电压，满足设计要求。