摘要：本文基于交流特高压变电站工程当中的110kV无功补偿并联电容器组的结构特点，对分合闸操作过程中的电流、电压的暂态效应进行分析，提出了相应的控制方案。运用MATLAB仿真软件建立仿真模型，对比分析选相控制分合闸与三相同期分合闸操作的优劣。仿真结果表明：选相控制技术在电容器组的投切过程中能够有效降低分合操作过程中的暂态冲击，延长断路器的电气寿命。
关键词：特高压；选相控制；并联电容器；断路器
Simulation analysis of phase-control technology for 110kV capacitor bank in UHV Substation
Zhai Xiangpeng,Zhang huishan
(State Grid Hebei Electric Power Maintenance Branch ,Shijiazhuang 050071)
Abstract：Based on the characteristics of 110kV reactive power compensation parallel capacitor bank in AC UHV substation project, this paper analyzes the transient effect of current and voltage during the operation of switching operation, and puts forward the corresponding control scheme. The simulation model is established by using MATLAB simulation software, and the advantages and disadvantages of the phase-control and three phase synchronous operation are compared and analyzed. The simulation results show that the phase-control technology can effectively reduce the transient impact during the switching operation of the capacitor bank and extend the electrical life of the circuit breaker.
Key words:UHV；Phase-control;Parallel capacitor bank; Circuit breaker
0 引言
断路器选相控制技术就是根据负载的不同，控制断路器在最佳的电流相位或者电压相位进行分合闸操作的一种技术，能够有效地抑制断路器合闸涌流、操作过电压等问题，延长断路器的电气寿命，体现了断路器的智能化控制[1-2]。伴随我国特高压工程的广泛建成投运，选相控制技术被应用于特高压变电站110kV无功补偿并联电容器的控制系统当中。相关实验表明，现有的电容器组投切断路器电流开断实验最高只有1200次，而利用选相控制技术的电容器组断路器达到3000次以上[3]。本文以特高压无功补偿电容器组为例，对电容器组的结构以及投切暂态过程进行研究，提出一种选相控制方案并进行了仿真分析。
1 特高压110kV并联电容器
1.1 电容器组结构
特高压变压器低压无功补偿并电容器组能够提供感性负载所消耗的无功功率，降低变压器及其供电线路的电能损耗。根据国家标准 GB50227-2017《并联电容器装置设计规范》及相关设计标准，1000kV交流特高压变电站并联电容器一般采用110kV电压等级三相星型中性点不接地接线方式，电容器整组容量为240MVA左右，串抗率为5%，内部电容采用12并12串双桥结构连接[4]。
1.2 电容器组的投切
并联电容器组在一组或者多组投切的过程中会产生一定的合闸涌流和操作过电压。实际运行经验表明，在电容器投切过程中的合闸涌流和分闸极间过电压是影响断路器控制性能和电气寿命的主要因素，当设备频繁投切时影响更加不容忽视[5]。电容器投切过程伴随着电流、电压的暂态变化过程，选择不同的合闸或者分闸相位进行投切将会对断路器造成不同的冲击效果。因此，在投切电容器过程中的合闸涌流以及分闸过电压在很大程度上取决于各相断路器投切相位。在断路器的自身特性一定的前提下，选择合理的投切相位，实现三相断路器的选相控制，对于系统容量大、投切次数频繁的特高压无功补偿电容器组而言更具意义。
2 选相控制的实现
2.1 选相控制系统
断路器的选相控制通过选相控制器实现，它能够实时检测断路器电压、电流幅值及相位，接收远动或者就地的操作指令以及断路器分相状态。通过改变控制器控制参数可以控制断路器各相在对设备冲击较小的相位进行分合闸操作。控制器能够检测环境温度和控制电压并在需要时进行控制补偿，实现了断路器选相控制的自适应。将相控开关控制器出口作用于断路器的控制回路，可以实现断路器的分合闸操作的选相控制。
2.2 选相控制方案
电容器组选相控制性能的优劣取决于选相控制策略。对于中性点接地系统，在不考虑分合闸电弧的理想情况下单相电容器的最佳选相控制方案是在电压零点进行合闸，在电流零点进行分闸[6]。然而，特高压无功补偿电容器组中性点不接地且由于分合闸电弧影响，合闸或者分闸时电流出现或消失的时刻与断路器开始动作时刻有偏差，选相控制需考虑一定的延时时间。此外，合闸时由于绝缘强度的影响，电流过零时刻与断路器触头接触时刻存在偏差，合闸控制参数需设定预击穿时间。考虑到以上几点，设定110kV电容组的选相控制分合在的控制参数如表1所示。表中相移时间为T1，可人为设定，T2、T3由系统电压等级、频率及断路器型号决定，可通过查阅断路器相关技术文件获得。
表1 电容器选相控制参数
Tab.1 The parameters for the phase-control of capacitor
3 MATLAB仿真分析
本文利用MATLAB中的Simulink动态仿真模块建立电容器组选相控制系统的仿真模型，仿真模型如图1。
图1 特高压无功补偿电容器选相控制仿真模型
Fig.1 The phase-control simulation model of UHV reactive power compensation capacitor
模型中C1、C2为110kV母线上的两组三相并联电容器，B1~B6为分相断路器，Step1~Step6为步进控制器制。仿真系统设定电源线电压为110KV，三相短路容量5000MVA，电容器三相额定容量240Mvar，串抗率5%。通过设定步进控制器的动作时间以及三相断路器的初始状态可对电容器组进行三相同期分合闸以及选相分合闸的动态过程进行仿真分析。观察示波器Scope中母线电流、电压在断路器动作前后的变化波形，可对控制效果进行定量分析。
3.1 合闸仿真分析
以图1中的电容器C1作为研究对象，比较分析三相同期合闸以及三相选相合闸前后的仿真模型，其中选相控制的参数按表1所述进行设定。
1）三相同期合闸
以A相母线电压作为参考，三相同期合闸分别设定A相电压初始相角为0°、30°、60°、90°四种情况进行仿真。电容器组C1在仿真开始后0.1s三相同期合闸，合闸前后母线电流、电压波形如图2。为便于分析，图中电流、电压均以标幺值形式表示且仅选择A相电流、电压进行分析。
从仿真波形图可以得知：电容器组在电压相角分别为0°、30°、60°、90°合闸时的母线暂态电压峰值变化不明显，但母线电流峰值显著升高，90°合闸时涌流最大值接近额定电流的5倍。
2）三相选相合闸
初始条件不变，设定电压初相角为0°，按照选相合闸控制方案设定步进控制器的动作时间，得到的110kV母线电压、电流仿真波形如图3。仿真波形中选相合闸后的各相的母线电压峰值变化不大，母线电流峰值A相（11.86ms，1.511pu）、B相（11.95ms，-1.500pu）、C相（12.37ms，-1.745pu）都控制在了较低水平。考虑到三相同期合闸时相位选择的随机性，基于合理选相控制方案的选相控制技术能够明显地降低电容器组合闸涌流，削弱合闸操作过程中的暂态冲击。
3.2 分闸仿真分析
与合闸仿真分析类似，此处以电容器C2为研究对象，其三相断路器初始为合闸状态。分析两种控制方式在分闸过程中母线电流以及断路器触头极间电压波形。
1）三相同期分闸
三相断路器初始状态在合位，依然设定A相电压为参考电压，设置不同的电压初相角，0.1s后三相分闸，得到A相母线电流以及断路器断口电压波形。
设定相移时间T1=100ms，三相同期分闸后的息弧时间为T2，息弧后至断口电压峰值时间为恢复时间为T3，将同期分闸的窗口时间定义为△T=T3-T1。则A相电压初始相角0°时0.1s三相断路器同期分闸的窗口时间为115.1ms，电压峰值为-2.045pu；初相角为30°时0.1s三相分闸，窗口时间113.3ms，电压峰值-2.047pu；60°初相角时0.1s三相同期分闸，窗口时间110.2ms，电压峰值-1.989pu；A相电压初相角为90°时0.1s三相同期分闸窗口时间为108.5ms，电压峰值为-1.976pu。
2）选相控制分闸
电容器组选相分闸控制设定为开始仿真0.1s后各相断路器选相分闸，则各相母线电流过零点时间分别为A相121.6ms，B相116.7ms，C相121.6ms；断路器断口电压峰值坐标为A相（129.6ms，-2.042pu），
B相（125.2ms，1.967pu），C相（133.5ms，1.154pu）。
3）结果分析
以上，分别进行了参考电压在0°、30°、60°、90°（对应电流初始相角为90°、120°、150°、180°）时电容器组断路器三相同期分闸仿真实验以及选相控制仿真实验。从实验数据得知，断路器三相同期分闸息弧后约8.3ms左右断路器断口均会出现幅值约为2倍额定电压的断口过电压，由于断路器在不同相位分闸后的息弧时间依次缩短，所以过电压的出现时间也随之缩短。电容器分闸选相控制并未显著降低断路器断口的过电压，但其能够延长各相窗口时间，从而降低了各相恢复电压的上升速率，使得断路器在分闸过程中触头间的绝缘强度始终高于暂态恢复电压，降低了触头极间发生重击穿重燃的概率[7]。
4 结束语
作为一种能够有效降低设备投切过程暂态冲击的技术手段，近年来选相控制技术在各类高压设备当中得到广泛应用。特高压变电站110kV无功补偿电容器组因其无功容量大、电压等级高、投切频繁的特点，应用传统的投切方式容易产生重燃过电压等现象，对系统造成冲击，影响断路器的电气寿命。本文在分析了特高压电容器组的基本特点后确立了选相控制的基本参数，建立了选相控制系统的仿真模型。通过一系列的仿真实验得知，选相控制技术在电容合闸时能够抑制合闸涌流；在电容分闸时能够延长过电压出现的窗口时间，避免出现重燃过电压。这一技术的应用在很大程度上降低了事故发生的概率，提高了系统的稳定性，有利于电力系统的长期安全稳定运行。
参考文献：
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论文作者:翟相鹏,张惠山
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：断路器论文; 电容器论文; 电压论文; 过电压论文; 电流论文; 母线论文; 相角论文; 《电力设备》2018年第33期论文;