限制并聯電容器組過電壓中的一種新方法
簡介： 介紹了用相位控制高壓斷路器來控制并聯電容器組的關合操作原理。敘述了相位控制高壓斷路器的組成及對斷路器的特殊要求和對控制單元參數的設定。
關鍵字：并聯電容器組 相位控制 控制單元 高壓斷路器
相關站中站： 無功補償及電容器應用 低壓斷路器的選型
1 概述
高壓斷路器在電力系統中操作并聯電容器組時會引起過電壓。操作過電壓的幅值與電力系統的參數特別是斷路器特性以及關合和開斷的相角有很大的關系。在不利的相位角合閘時所引起的過電壓倍數會很大，甚至會危及到電力系統的穩定。
通常限制并聯電容器組操作過電壓的措施是避雷器。而避雷器在操作過電壓下的頻繁動作也將會大大縮短它的壽命。自20世紀70年代中期開始，國外開始研究相位控制高壓斷路器的技術，其設計思想是通過計算讓斷路器在一個固定的相位上合閘或分閘，從而使系統內的操作過電壓幅值降至最低。據國際大電網會議（CIGRE）統計數據顯示，截至1993年，相位控制高壓斷路器大部分應用在電容器組的投入操作過程中。我國雖然對這種先進技術也進行過研究，但截至1998年尚無實際應用的例子。這與當時人們懷疑它的動作穩定性有很大關系。近年來隨著電子技術的發展，國際上對這一技術更加重視［1，2］。 1998年，我國有一條輸電線路的斷路器采用了相位控制單元，以其來替代合閘電阻來限制線路的合閘過電壓。2000年底，又有2套相位控制單元投入運行，用來限制并聯電抗器的分閘過電壓。到2001年底，將會有7套相位控制單元陸續投入運行，有2套相位控制單元首次在我國應用于并聯電容器回路的SF6斷路器上。圖1是用于電容器組回路斷路器的相位控制單元的例子。相位控制斷路器除用于電容器、電抗器的合分閘操作外，還可用于變壓器的操作以消除合閘時的勵磁涌流［3］。
2 對相位控制斷路器的要求
在不同的回路中對相位控制高壓斷路器的要求不同。例如在空載長線和并聯電容器組的回路中，比較嚴重的情況是斷路器的合閘操作。此時相位控制的目的是盡可能地減小回路中的電壓突變，即需要盡可能地減小斷路器斷口上的預擊穿電壓。
相位控制高壓斷路器由相位控制單元和高壓斷路器組成。對高壓斷路器，為了取得準確的合閘或分閘相位，要求斷路器每次操作的分散性必須很小。即要求斷路器操動機構的性能很穩定。每次的分合閘時間必須相等或相差0．5ms以下。即使操作電壓波動時也要滿足以上要求。
對應用于并聯電容器回路的SF6斷路器，為了獲得最佳的合閘性能，（即操作過電壓最低，）要求斷路器兩相首先合閘后，經過90°相位角后最后一相再合閘。即對50Hz的電網這一時延為5ms。
3 相位控制單元的設計原理
相位控制單元是以計算機為核心的控制裝置。以ABB公司的SWITCHSYNCE113（以下簡稱為E113）為例，它由微機參考電壓電流輸入、操作命令輸入與輸出、警報輸出輸入按鈕及顯示屏組成。特別要指出的是，它內部的可擦除儲存器（EEPROM）在沒有電源的情況下仍能可靠保存程序，使E113不致因發生混亂而引起誤操作。
圖2所示為E113的基本原理。以合閘為例，當控制單元得到一個合閘命令1時，計算機以最近的一個電壓過零點選為它的時鐘零點。（這個電壓信號由電源側電壓互感器2上取得。）經過了一定的時間TVTOT后，E113控制單元給斷路器發出合閘信號3。這個時間TVTOT的長度取決于計算機的運算時間、輸入到E113內斷路器的合閘時間、以及在E113的自適應模式下前一次斷路器的操作時間等。
E113的自適應模式是前一次操作在相位上的任何偏差，都用來當作本次操作的修正量。這種偏差可能來源于斷路器本身的分合閘時間上的分散性與繼電器的動作延遲等。分合閘相位通常靠設備側電壓互感器2來確定。而這種自適應模式通常只用于合閘操作時。
4 并聯電容器的合閘
由前所述，計算機的零點是參考電壓的過零點。而參考電壓不一定是斷路器的首合相上的電壓。其次，對每一種回路而言，都有其最佳合閘或分閘相位角。我們把參考電壓 零點到最佳合閘（分閘）相位角之間的時間差定義為時延TD1。對圖2［1］合閘電容器的情況，參考電壓為R相，對R相，TD1為零，對S相和T相分別為6．7和3．3ms（50Hz）．
實際上，斷路器的動作時間總有一定的分散性，滅弧介質的絕緣強度也有差別，在考慮這兩項因素后，統計表明，最佳的合閘時間比理論的最佳合閘時間有一定延遲。記為時延TD2。對合閘中性點接地的電容器組，取0． 3 ms。
因為斷路器合閘前總存在預擊穿，故實際關合時間比測量到的斷路器的合閘時間要短。這個時延為TD3。（見圖2）。對合閘中性點接地的電容器組，取0．1 ms。
合閘中性點接地的電容器組所得到的電壓及電流波形見圖3。
5 結論
?。?）采用相位控制高壓斷路器可以有效地限制操作過電壓。
?。?）當斷路器經特殊設計并與相位控制單元配合后，合閘并聯電容器組的過電壓倍數將比采用常規斷路器時大大降低。據試驗統計數據表明，過電壓倍數小于1．5倍。
關鍵字：并聯電容器組 相位控制 控制單元 高壓斷路器
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1 概述
高壓斷路器在電力系統中操作并聯電容器組時會引起過電壓。操作過電壓的幅值與電力系統的參數特別是斷路器特性以及關合和開斷的相角有很大的關系。在不利的相位角合閘時所引起的過電壓倍數會很大，甚至會危及到電力系統的穩定。
通常限制并聯電容器組操作過電壓的措施是避雷器。而避雷器在操作過電壓下的頻繁動作也將會大大縮短它的壽命。自20世紀70年代中期開始，國外開始研究相位控制高壓斷路器的技術，其設計思想是通過計算讓斷路器在一個固定的相位上合閘或分閘，從而使系統內的操作過電壓幅值降至最低。據國際大電網會議（CIGRE）統計數據顯示，截至1993年，相位控制高壓斷路器大部分應用在電容器組的投入操作過程中。我國雖然對這種先進技術也進行過研究，但截至1998年尚無實際應用的例子。這與當時人們懷疑它的動作穩定性有很大關系。近年來隨著電子技術的發展，國際上對這一技術更加重視［1，2］。 1998年，我國有一條輸電線路的斷路器采用了相位控制單元，以其來替代合閘電阻來限制線路的合閘過電壓。2000年底，又有2套相位控制單元投入運行，用來限制并聯電抗器的分閘過電壓。到2001年底，將會有7套相位控制單元陸續投入運行，有2套相位控制單元首次在我國應用于并聯電容器回路的SF6斷路器上。圖1是用于電容器組回路斷路器的相位控制單元的例子。相位控制斷路器除用于電容器、電抗器的合分閘操作外，還可用于變壓器的操作以消除合閘時的勵磁涌流［3］。
2 對相位控制斷路器的要求
在不同的回路中對相位控制高壓斷路器的要求不同。例如在空載長線和并聯電容器組的回路中，比較嚴重的情況是斷路器的合閘操作。此時相位控制的目的是盡可能地減小回路中的電壓突變，即需要盡可能地減小斷路器斷口上的預擊穿電壓。
相位控制高壓斷路器由相位控制單元和高壓斷路器組成。對高壓斷路器，為了取得準確的合閘或分閘相位，要求斷路器每次操作的分散性必須很小。即要求斷路器操動機構的性能很穩定。每次的分合閘時間必須相等或相差0．5ms以下。即使操作電壓波動時也要滿足以上要求。
對應用于并聯電容器回路的SF6斷路器，為了獲得最佳的合閘性能，（即操作過電壓最低，）要求斷路器兩相首先合閘后，經過90°相位角后最后一相再合閘。即對50Hz的電網這一時延為5ms。
3 相位控制單元的設計原理
相位控制單元是以計算機為核心的控制裝置。以ABB公司的SWITCHSYNCE113（以下簡稱為E113）為例，它由微機參考電壓電流輸入、操作命令輸入與輸出、警報輸出輸入按鈕及顯示屏組成。特別要指出的是，它內部的可擦除儲存器（EEPROM）在沒有電源的情況下仍能可靠保存程序，使E113不致因發生混亂而引起誤操作。
圖2所示為E113的基本原理。以合閘為例，當控制單元得到一個合閘命令1時，計算機以最近的一個電壓過零點選為它的時鐘零點。（這個電壓信號由電源側電壓互感器2上取得。）經過了一定的時間TVTOT后，E113控制單元給斷路器發出合閘信號3。這個時間TVTOT的長度取決于計算機的運算時間、輸入到E113內斷路器的合閘時間、以及在E113的自適應模式下前一次斷路器的操作時間等。
E113的自適應模式是前一次操作在相位上的任何偏差，都用來當作本次操作的修正量。這種偏差可能來源于斷路器本身的分合閘時間上的分散性與繼電器的動作延遲等。分合閘相位通常靠設備側電壓互感器2來確定。而這種自適應模式通常只用于合閘操作時。
4 并聯電容器的合閘
由前所述，計算機的零點是參考電壓的過零點。而參考電壓不一定是斷路器的首合相上的電壓。其次，對每一種回路而言，都有其最佳合閘或分閘相位角。我們把參考電壓 零點到最佳合閘（分閘）相位角之間的時間差定義為時延TD1。對圖2［1］合閘電容器的情況，參考電壓為R相，對R相，TD1為零，對S相和T相分別為6．7和3．3ms（50Hz）．
實際上，斷路器的動作時間總有一定的分散性，滅弧介質的絕緣強度也有差別，在考慮這兩項因素后，統計表明，最佳的合閘時間比理論的最佳合閘時間有一定延遲。記為時延TD2。對合閘中性點接地的電容器組，取0． 3 ms。
因為斷路器合閘前總存在預擊穿，故實際關合時間比測量到的斷路器的合閘時間要短。這個時延為TD3。（見圖2）。對合閘中性點接地的電容器組，取0．1 ms。
合閘中性點接地的電容器組所得到的電壓及電流波形見圖3。
5 結論
?。?）采用相位控制高壓斷路器可以有效地限制操作過電壓。
?。?）當斷路器經特殊設計并與相位控制單元配合后，合閘并聯電容器組的過電壓倍數將比采用常規斷路器時大大降低。據試驗統計數據表明，過電壓倍數小于1．5倍。
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