，吳昌盛
,1，董超俊
2，溫浩
2，韓冰
2，張秀杰
2
(1.江門供電局
，廣東江門
529020；
2.五邑大學(xué)，廣東江門
529020)
摘 要：在江門某變電站
，搭建
10
kV無(wú)功補(bǔ)償電容器分相投切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
。斷路器采用隨機(jī)合閘策略，無(wú)功補(bǔ)償電容器最大暫態(tài)過(guò)電壓為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的
1.6倍左右
，最大暫態(tài)過(guò)電流為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的
3.7倍左右
，暫態(tài)持續(xù)時(shí)間約為
170ms；而采用分相合閘策略
，無(wú)功補(bǔ)償電容器最大暫態(tài)過(guò)電壓不會(huì)超過(guò)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的
1.3倍，最大暫態(tài)過(guò)電流不會(huì)超過(guò)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的
2倍
，暫態(tài)持續(xù)時(shí)間約為
130ms。采用分相合閘策略能夠有效減小電容器合閘過(guò)電壓和合閘涌流
，減少暫態(tài)持續(xù)時(shí)間，從而提高電容器運(yùn)行的安全性與可靠性
。
關(guān)鍵詞：分相合閘
；分相分閘；合閘涌流
；并聯(lián)電容器；合閘過(guò)電壓
0 引 言
在我國(guó)10kV配電網(wǎng)中，無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕獙?shí)現(xiàn)方式是采用并聯(lián)電容器。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電容器損壞、爆炸等事故進(jìn)行了大量研究電容器的投切是根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨筮M(jìn)行自動(dòng)投切的，有時(shí)為了滿足無(wú)功和電壓的需求，一天內(nèi)電容器要投切數(shù)次，目前正運(yùn)行在
10kV側(cè)配網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償電容器投切策略絕大部分為三相同時(shí)合閘，每一相的合閘相角具有隨機(jī)性，導(dǎo)致每相合閘涌流和過(guò)電壓具有隨饑性
。合閘涌流和合閘過(guò)電壓是影響電容器壽命的兩大主要因素
。在無(wú)功補(bǔ)償電容器系統(tǒng)中，串聯(lián)電抗器的電抗比研究已比較成熟
。在串聯(lián)電抗器選擇較為匹配的情況下依然存在不少合閘涌流及過(guò)電壓。隨著控制成本降低
，分相投切可大大減小合閘涌流和過(guò)電壓
。文獻(xiàn)介紹了一種投切策略，并且開發(fā)了分相投切裝置。文獻(xiàn)在重慶某變電站搭建了電容器分相投切實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
，采用
AB—C分相合閘控制策略，分閘采用B—CA分相分閘控制策略，驗(yàn)證了分相合閘略的有效性。
鑒于我國(guó)電網(wǎng)10kV側(cè)無(wú)功補(bǔ)償電容器絕大部分采用星形不接地接線方式。本文在理論分析的基礎(chǔ)上，在江門某變電站搭建10kV分相投切實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用分相合閘策略為:先合閘C相，當(dāng)B相與C相電壓相等時(shí)合閘B相；當(dāng)A相電壓過(guò)零時(shí)合閘A相，即采用C一B—A三相依次合閘策略。通過(guò)分相合閘數(shù)據(jù)與普通斷路器合閘數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該分相合閘策略的有效性。
1 電容器暫態(tài)過(guò)程理論分析
1.1電容器合閘暫態(tài)過(guò)程分析
假設(shè)三相電容器為對(duì)稱的，即三相負(fù)載平衡。為了簡(jiǎn)化合閘過(guò)程分析,其單相等效電路見(jiàn)圖1。
圖1 單相等效電路
當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，由電路分析可得電路微分方程為
圖中：R、L、C分別為電路等效電阻值、電感值和電容值；
S為理想開關(guān)；
K為電源電壓。
設(shè)正弦電壓為
在工頻運(yùn)行的情況下，電路中電阻值可忽略。當(dāng)合閘相角
θ0
式中：f為暫態(tài)過(guò)程震蕩頻率，
f0 = 50Hz為工頻；
Ism為工頻電流值；U0為電容器初始狀態(tài)電壓幅值(一般較小，由于電容器在合閘之前均需經(jīng)過(guò)放電）。式(3)-(4)可得,電容器的合閘過(guò)電壓不會(huì)超
過(guò)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓的2倍，但是當(dāng)存在暫態(tài)震蕩
f≥ 500Hz時(shí)，電容器兩端過(guò)電流可以超過(guò)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流幅值的11倍
。
當(dāng)電源電壓合閘相角θ0= 0°時(shí)，此時(shí)合閘的電壓幅值為
從式(5)得出，當(dāng)合閘相角為零時(shí)，不存在合閘涌流
，合閘電壓的幅值為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓
。
通過(guò)上述分析可以得出，采用過(guò)零合閘，即分相合閘策略，將大大減少合閘涌流和暫態(tài)過(guò)電壓
。
2 分相合閘策略
根據(jù)江門某變電站并聯(lián)電容器實(shí)際的運(yùn)行系統(tǒng)為星形中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。由電路理論分析可知，當(dāng)其中一相合閘之后不會(huì)形成閉合回路
，此時(shí)電容器器將不存在電壓和電流
。斷路器分相合閘不意見(jiàn)圖2
。
圖2 斷路器分相合閘示意圖
設(shè)在t1時(shí)刻投切C相；在t2時(shí)刻，C相與B相的相電壓相等，此時(shí)投切B相，經(jīng)過(guò)5ms(工頻系統(tǒng)中為90°)后，
t3時(shí)刻，A相母線電壓剛好過(guò)零點(diǎn)，而此時(shí)的中性點(diǎn)電壓也剛好過(guò)零
，此時(shí)投切
A相。由于合閘時(shí)刻電容器端電壓都為零，這將大大減小電容器合閘涌流和合閘過(guò)電壓
。
3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析
3.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)硬件設(shè)施
實(shí)驗(yàn)在江門某110 kV變電站10kV側(cè)3號(hào)無(wú)功補(bǔ)償并聯(lián)電容器組型號(hào)為BAMX11/忑-5000-1X3W 的集合式電容器搭建，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的示意圖見(jiàn)圖3。
圖3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)示意圖
在圖3中，無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中串聯(lián)電抗器型號(hào)為 (CKSCKL-300/10-6)的電抗比為6 %。在
2C2開關(guān)(型號(hào)為VEP1231D11P21W)的斷路器和電抗器之間，串聯(lián)一組相控?cái)嗦菲鳌７窒喾趾祥l誤差為正負(fù)
10°，即正負(fù)
0.56 ms。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得，在10kV電容側(cè)采用型號(hào)為CG-12Q/45高壓傳感器測(cè)量電壓信號(hào)。在分相開關(guān)拒與電抗器之間導(dǎo)線部分采用型號(hào)為L(zhǎng)ZZBJ9-1
0400/110P15,0.5 S電流互感器得到二次側(cè)電流 (一次側(cè)電流與二次側(cè)電流之比為400)。在二次側(cè)采用
WDGL-T1便攜式錄波監(jiān)測(cè)裝置獲得實(shí)時(shí)電流和電壓數(shù)據(jù)。電流數(shù)據(jù)通過(guò)鉗形電流CT型號(hào)為CT0130N-100A采集獲得，電壓采集模塊（電壓一次側(cè)與二次側(cè)之比為
110)獲得實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù),設(shè)備暫態(tài)采樣頻率可達(dá)50 kHz。
現(xiàn)場(chǎng)對(duì)斷路器進(jìn)行了26組分合閘實(shí)驗(yàn)操作。
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
3.2.1普通斷路器合閘暫態(tài)過(guò)程
現(xiàn)場(chǎng)普通斷路器分合閘實(shí)驗(yàn)共做10組，即分相斷路器一直處于合閘狀態(tài)，
2C2普通斷路器進(jìn)行分合閘操作，得到普通斷路器合閘實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)10組
。典型普通斷路器合閘電壓，電流波形見(jiàn)圖4
。
圖4 普通斷路器合閘暫態(tài)過(guò)程
圖4(a)所示為合閘暫態(tài)電壓。A相暫態(tài)過(guò)程測(cè)量得到最大12L83V,即實(shí)際電容器兩端電壓為121.83×110V≈13.4kV ；
A相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓最大值為81.92V ，即實(shí)際電容器兩端穩(wěn)態(tài)電壓最大值為
81.92×110V≈9.lkV；即A相電容器暫態(tài)過(guò)程最大過(guò)電壓約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行最大電壓的1.5倍 。（為了節(jié)省篇幅
，以下只寫測(cè)量值)
B相暫態(tài)過(guò)程測(cè)量得到最大132.22V，B相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓最大值為82.99V ，即
B相電容器暫態(tài)過(guò)程最大過(guò)電壓約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行最大電壓的1.6倍。C相暫態(tài)過(guò)程測(cè)量電壓最大105.62V ，
C相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓最大值為82.76V ，即
C相電容器暫態(tài)過(guò)程最大過(guò)電壓約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行最大電壓的1.3倍。
圖4(b)圖所示為合閘涌流相暫態(tài)過(guò)程電流最大值為2.33A ，
即實(shí)際A相電容器暫態(tài)電流最大值為2.33×400≈932A ；
A相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值為0.964A，即實(shí)際A相電容器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值為385.6A；
即A相電容器暫態(tài)電流最大值約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值的2.4倍。（為了節(jié)省篇幅，以下只寫測(cè)量值
)B相暫態(tài)過(guò)程電流最大值為3.47A；
B相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值為0.946A，即B相電容器暫態(tài)電流最大值約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值的3.7倍。
C相暫態(tài)過(guò)程電流最大值為3.13A；
C相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值為0.946A,即C相電容器暫態(tài)電流最大值約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值的3.4倍。
普通斷路器合閘實(shí)驗(yàn)得到9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 (只記錄最大值)。
表1 隨機(jī)合閘過(guò)程暫態(tài)電壓和電流數(shù)據(jù)
從表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，普通斷路器合閘，其中一相操作過(guò)電壓將達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的1.6
倍左右，操作過(guò)電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的
3.7倍
。暫態(tài)持續(xù)時(shí)間約為
8.5個(gè)周期，即
170 ms。
3.2.2分相合閘暫態(tài)過(guò)程
分相合閘過(guò)程見(jiàn)圖5,采用圖1合閘策略。
圖5(a)所示合閘暫態(tài)過(guò)程。
A相暫態(tài)過(guò)程電壓 最大值為100.47V；
A相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓最大值約為81.92V，即A相電容器暫態(tài)電壓最大值約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓最大值的1.2倍。B相暫態(tài)過(guò)程電壓最大值為96.74V，B相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓最大值約為82.99V，即B相電容器暫態(tài)電壓最大值約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓最大值的1.16倍。C相暫態(tài)過(guò)程電壓最大值為91.38V,C相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓最大值約為82.76V，即A相電容器暫態(tài)電壓最大值約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓最大值的1.1倍。
圖5 分相合閘暫態(tài)過(guò)程
A相暫態(tài)過(guò)程電流最大值為1.65A ，
A相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值為0.946A，即A相電容器暫態(tài)電流最大值約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值的1.74倍 。
B相暫態(tài)過(guò)程電流最大值為1.69A；B相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值為0.946A ，即
B相電容器暫態(tài)電流最大值 約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值的1.79倍 。
C相暫態(tài)過(guò) 程電流最大值為1.44 A;C相穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值 為0.946 A，即C相電容器暫態(tài)電流最大值約為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流最大值的1.52倍 。
由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程相控?cái)嗦菲鳠o(wú)法保證完全過(guò)零合閘，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的合閘過(guò)電壓和過(guò)電流 ，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2
。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，分相合閘時(shí)三相之中最大操作過(guò)電壓不會(huì)超過(guò)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的1.3倍
，操作過(guò)電流不會(huì)超過(guò)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的2倍
。暫態(tài)持續(xù)時(shí)間約為6.5個(gè)周期，即130
ms 。
表2 分相合閘暫態(tài)電壓和電流數(shù)據(jù)
4 結(jié)語(yǔ)
在江門供電局某變電站 ，采用分相合閘控制策略時(shí)，三相之中最大操作過(guò)電壓不會(huì)超過(guò)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的1.3倍
，操作過(guò)電流不會(huì)超過(guò)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的2倍
。暫態(tài)持續(xù)時(shí)間約為6.5個(gè)周期，即130
ms 。采用普通斷路器合閘時(shí)
，其中一相操作過(guò)電壓將達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的1.6倍，操作過(guò)電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的3.7倍
。暫態(tài)持續(xù)時(shí)間約為8.5個(gè)周期
，即170 ms?div id="4qifd00" class="flower right">
？傻脤?duì)10
kV相控?cái)嗦菲鞯耐茝V有較高參考價(jià)值。
相控合閘時(shí)，以相電壓為參考。首先合閘C相，當(dāng)B相與C相相等時(shí)刻合閘B相。經(jīng)過(guò)90°，即5ms之后合閘A相。此時(shí)A相電壓剛好過(guò)零。即實(shí)現(xiàn)了每相電容器的0°合閘。
