易宏　史清芳　孔林

摘要：近年來，大容量無功補償設(shè)備在變電站中的應(yīng)用越來越常見，隨之而來的投切引起的問題也受到了大家的關(guān)注。文章對比分析了常規(guī)斷路器和相控斷路器的技術(shù)差異，論述了相控斷路器技術(shù)特點、優(yōu)勢和效益。研究結(jié)果表明，智能相控斷路器可以有效的抑制投切時產(chǎn)生的涌流和過電壓等暫態(tài)沖擊。

關(guān)鍵字：無功補償、斷路器、相控、暫態(tài)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模日益增大，對無功補償裝置的要求也越來越高。裝設(shè)大容量無功補償設(shè)備可以有效減少線損，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量以及穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。但隨之而來的無功設(shè)備投切過程中產(chǎn)生的問題也越來越突出：無功設(shè)備投切頻繁、使用壽命短，容易造成母線停電、電容器故障、投切失敗、開關(guān)重燃及爆炸等事故。

文獻[1]分析了造成電容器投切不成功的主要原因是無功設(shè)備投切過程中產(chǎn)生的操作過電壓、投切涌流過大以及容量配置不合理。文獻[2]通過對多起大容量并聯(lián)電容器組的運行事故進行分析，發(fā)現(xiàn)投切電容器組的斷路器性能差是造成事故的原因之一。文獻[3]通過對智能相控斷路器和常規(guī)斷路器的投切電流和電壓進行對比，驗證了智能相控斷路器的良好投切效果。

為進一步研究中壓智能相控斷路器對抑制無功設(shè)備投切過程中產(chǎn)生的涌流與操作過電壓的積極影響。文章簡析了中壓智能相控斷路器的基本原理、與常規(guī)斷路器進行了性能對比并對此進行了實例驗證。

1 中壓智能相控斷路器基本原理

1.1 中壓智能相控斷路器工作原理

中壓智能相控斷路器的核心技術(shù)是相控技術(shù)，通過對電流或電壓信號進行監(jiān)測，實現(xiàn)在最佳位置開斷或閉合開關(guān)觸頭的功能。中壓智能相控開關(guān)工作原理如圖1 所示。主要由智能控制單元、三相分相操作的直驅(qū)型永磁智能相控開關(guān)等組成。通過智能控制單元對相控開關(guān)進行精準(zhǔn)控制實現(xiàn)對分合閘相位角的控制，從而有效抑制分合閘過程中產(chǎn)生的涌流和過電壓。

1.2 電容器投切策略

1.2.1 電容器合閘策略

結(jié)合電容器的電氣特性，為了抑制電容器合閘時產(chǎn)生涌流和過電壓，電容器的最佳合閘時機為電壓過零點。電容器合閘技術(shù)原理圖如圖2所示。通過相控技術(shù)實現(xiàn)電容器三相電壓依此過零點投入，從而減少合閘時的暫態(tài)沖擊。

圖中，tc為合閘操作指令開始時間，t0為電壓零點，ts為合閘動作時間，tp為合閘相位，tm為開關(guān)觸頭接觸時間。相控斷路器的智能控制單元通過對時延td的控制，實現(xiàn)三相電壓分別過零點合閘。

1.2.2 電容器分閘策略

為了提高開關(guān)的開斷能力，降低重燃的可能性，電容器的最佳分閘時機為燃弧一段時間后在電流過零點自然熄弧。因此，需要先根據(jù)不同的負載特性以及滅弧室的性能，綜合分析確定負載的最小燃弧時間，然后才能實現(xiàn)過零點自然熄弧的功能。電容器分閘技術(shù)原理圖如圖3所示。通過相控技術(shù)實現(xiàn)電容器三相依次在電流過零點自然熄弧，從而提高分閘成功率，降低設(shè)備損耗。

圖中，tc為分閘操作指令開始時間，to為分閘動作時間，ts為開關(guān)觸頭分離時間，tz為電流過零點，也就是電弧熄滅的時間，可知燃弧時間tarc=tz-ts。相控斷路器的智能控制單元通過對延時td的控制，實現(xiàn)三相電流分別過零點自然熄弧。

1.3 電抗器投切策略

電抗器與電容器的電氣特性的最大區(qū)別在于電抗器的電流不能發(fā)生突變，因此電抗器合閘時應(yīng)盡量減少電流的突變率，以達到降低操作過電壓的目的。電抗器的最佳合閘時機是電流過零點，也就是電壓90°的時候投入。

電抗器分閘的原理與電容器一樣，分閘最佳時機也是在電流過零點自然熄弧。

電抗器投切策略與電容器類似，只是投切時機略有不同，此處不再贅述。

2 中壓智能相控斷路器與普通斷路器性能對比

2.1中壓智能相控斷路器與普通斷路器技術(shù)對比

相控斷路器可以根據(jù)負載特性實現(xiàn)任意投切策略角度的三相獨立的分相分時操作，而普通斷路器只能是三相聯(lián)動操作;相控斷路器可以根據(jù)不同的負載特性，選擇最佳的投切相位角，且動作時間穩(wěn)定，對投切涌流和過電壓具有明顯抑制效果，而普通斷路器沒有此功能，會造成較大的暫態(tài)涌流和過電壓沖擊;相控斷路器還可根據(jù)采集的電網(wǎng)信息和故障電流信息，完成負載支路的測控和保護功能，并能通過電流過零預(yù)測算法，實現(xiàn)故障選相開斷的功能。通過對市面上的普通開關(guān)和智能相控開關(guān)調(diào)研，得出如表1所示的技術(shù)對比。

2.2? 中壓智能相控斷路器與普通斷路器投切性能對比

目前220kV及以上的變電站使用大容量電容器組已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，針對當(dāng)前8-10Mvar電容器組設(shè)計應(yīng)用，其要求的開斷電流已經(jīng)遠大于400A，普通斷路器已難以滿足應(yīng)用需求，存在安全隱患。

10kV智能相控斷路器具備三相聯(lián)動操作方式下背對背開合800A容性電流的能力，可以安全分合容量為13.8Mvar的電容器，即使不啟用相控功能而僅采用隨機投切策略，也可完成電容器組的安全可靠分合。正常情況下，智能相控斷路器是在電壓或電流的自然過零點分合閘，可以有效降低重燃概率，抑制分合閘涌流和過電壓，確保電容器安全投切。

2.3 中壓智能相控斷路器與普通斷路器經(jīng)濟性能對比

10kV電容器組的設(shè)計壽命一般為20年，期間常規(guī)電容器10kV開關(guān)柜大概需要進行3次斷路器更換，SF6斷路器雖封極柱全壽命周期內(nèi)無需更換，但因彈簧操動機構(gòu)零部件多、傳動環(huán)節(jié)多、故障率高等原因仍需要頻繁更換，而智能相控斷路器設(shè)備損耗小且操動機構(gòu)壽命長、可靠性高，在全壽命周期內(nèi)所有原件均無需進行更換。

在電容器的設(shè)計壽命內(nèi)，使用常規(guī)斷路器隨機投切產(chǎn)生的涌流和過電壓會對電容器本體造成損傷，從而加劇其故障率。根據(jù)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，電容器組平均每5年要更換1個單元，而采用智能相控斷路器投切，可大大減少甚至消除電容器組件的更換次數(shù)。

由于電容器組需要進行頻繁的投切，暫態(tài)過程對普通開關(guān)造成的沖擊使得開關(guān)需要逐年檢修，SF6開關(guān)還需進行氣體檢測相關(guān)項目。中壓智能相控斷路器受到的沖擊小，且可以對開關(guān)機構(gòu)和回路進行監(jiān)測，可將檢修周期由1年延長至3年或以上。

綜上可知，相控斷路器在額定電流、額定短路開斷能力上與普通開關(guān)技術(shù)性能無異，但相控斷路器在開合容性電流具有很大的優(yōu)勢，能顯著提高開合能力。另外，相控斷路器在運維方面也具有很大的優(yōu)勢，可以為變電站減少維護和檢修的工作量，同時可以延長設(shè)備壽命，減少電網(wǎng)投資。

3 智能相控斷路器在220kV變電站中的應(yīng)用實例

湖南湘西猛洞河220kV變電站設(shè)計有3回并聯(lián)電容器組出線柜、1回并聯(lián)電抗器出線柜和1回直流融冰出線柜均采用GLS-200系列智能相控開關(guān)柜。其中電容器組單租容量為8016kvar，串抗12%，額定電流385.7A;并聯(lián)電抗器組容量是10000kvar，額定電流577.5A;直流融冰柜變壓器為25MW，額定電流1443.4A。

2018年11月，猛洞河變電站在完成基建驗收后電抗器和電容器智能相控開關(guān)柜投運，融冰出線柜暫未投運。表2-表5分別列舉了電抗器出線柜和電容器出線柜相控投切的實驗數(shù)據(jù)，其中p.u.為暫態(tài)峰值/穩(wěn)態(tài)峰值。

由以上投運數(shù)據(jù)可以看出：采用智能相控斷路器后，10kV并聯(lián)電抗器投切涌流抑制在1.05倍以內(nèi)，合閘過電壓控制在1.28倍以內(nèi)，分閘過電壓抑制在1.38倍以內(nèi); 10kV并聯(lián)電容器投切涌流控制在2.1倍以內(nèi)，合閘過電壓控制在1.3倍以內(nèi)，分閘過電壓控制在1.32倍以內(nèi)。

因此無論是并聯(lián)電抗器還是并聯(lián)電容器，使用智能相控斷路器能有效抑制投切過程中產(chǎn)生的涌流與操作過電壓，確保暫態(tài)沖擊控制在較小范圍內(nèi)，極大地提升了無功設(shè)備投切安全及電網(wǎng)運行安全，應(yīng)用效益良好。

4 結(jié)論

本文通過對相控斷路器進行理論研究和實際投切實驗。得出如下結(jié)論：相控斷路器比常規(guī)斷路器更適于大容量的特殊負荷的投切，抑制投切時產(chǎn)生的涌流和過電壓等暫態(tài)沖擊，提高系統(tǒng)和設(shè)備運行可靠性，提升電能質(zhì)量，延長設(shè)備使用壽命和檢修周期，滿足智能電網(wǎng)建設(shè)需要。

作者介紹：

易宏（1984-至今）：工作于湖南省電力設(shè)計院，長期從事輸變電工程電氣主設(shè)計師工作，中級工程師，碩士研究。

參考文獻：

[1]周杰.AVC系統(tǒng)電容器投入不成功原因分析及控制措施[J].科技風(fēng)，2018（35）：208.

[2]林瑞宗.大容量并聯(lián)電容器組設(shè)計和運行的若干問題[J].電力電容器，2002（04）：26-31.

[3]付磊，毛毳閩，吳丹，張俊敏，周圣枝.10kV智能相控斷路器在東津220kV變電站的應(yīng)用設(shè)計方案研究[J].湖北電力，2015，39（04）：55-58.