莫孟斌
（广东汇盈电力工程有限公司）
背景分析
问题描述
近几年来，随着社会经济的不断发展，对电能质量也提出了更高的要求，大量的并联电容器组应用于配电系统中补偿系统无功功率，以提高电网电压和功率因数。而且随着电网容量的不断增加，并联电容器总装容量及单组容量亦越来越大。然而，10kV并联电容器组是一种操作频繁的电气设备，需要按电网系统电压和无功功率的变化进行频繁投切。而目前主要采用的断路器投切电容器组，由于受投切方式和断路器开断性能的影响，投切电容器组时会产生涌流及过电压，从而可能给电容器造成危害，使其过早损坏，进而带来扩大性事故。
频繁的过电压会使电容器的自愈性提前失效，使电容器的局部放电加剧，促进绝缘老化和电容量的衰减，切断断路器重燃会导致断路器爆炸；同时，电容器组投入时还会产生很大的冲击涌流，涌流的频率在几百赫兹到几千赫兹之间，幅值比电容器正常工作电流大几倍甚至几十倍，持续时间数十毫秒，这些对电容器组安全运行和使用寿命都构成了严重威胁。因而，并联电容器组是电力系统中最频繁，事故率最高的装置之一。
虽然电容器故障本身的影响并不大，但若其故障发展成扩大性事故则可能造成严重影响，如爆炸、起火等。此外在电容器组投切过程中所引起的暂态过程还会造成电网设备绝缘恶化、电能质量下降、干扰灵敏度高的电气设备正常工作等问题。因此，削弱电容器组投切引起的暂态过程的影响在供电质量要求越来越严格的背景下已经成为电力工作者迫切需要解决的问题。
传统解决方法的不足
针对于断路器投切过程中产生的过电流与过电压，危害设备的安全，传统上一般采用预插电阻、预插固定电抗器、安装R-C阻容吸收设备、后备氧化锌避雷器（MOA）等方法来削弱电容器组投切的暂态过电流、过电压过程。
（1）预插电阻
预插电阻法利用电阻的阻尼作用加速振荡过程的衰减，主要用于抑制投切电容器组所引起的瞬态冲击，但该方法增加了开关的复杂性与成本，提高了系统投资与维修费用，且限压效果不稳定，分散性大，消耗电能而产生大量的热能。
（2）预插电感
采用预插电感可以增加电容器组关合时的阻抗，从而有效减少合闸涌流。但其安装调试复杂；操作时会出现电火花；；易形成振荡回路，增加系统噪声。
（3）R-C阻容吸收系统
R-C阻容吸收系统利用增大被保护设备上的并联电容器的办法来降低过电压的值。但其不足之处在于：存在绝缘事故的隐患点；易成为谐波污染源。
（4）氧化锌避雷器（MOA）
采用MOA之后，可使相对地的操作过压限制到1.6-1.8倍相电压，各相间的过电压限制到1.7-1.8倍线电压。其不足之处主要有：阀片容易受潮劣化，温度上升产生有功损耗，形成热崩溃，严重时将导致MOA损坏或爆炸，进而引发大面积停电事故。
新方法的提出
电容器开关合分闸操作的瞬态过程会给电网和设备带来不可忽略的负面效应，传统的解决方式只能一定程度上抑制涌流和过电压，不能从根本上解决分合闸暂态效应对电网和设备的冲击，且容易给系统造成附加的负面影响。为了满足电网发展和电力用户对高质量、高可靠供电的需求，有学者提出了自适应合闸角控制技术，其实质是根据不同负载（如并联电容器组、架空输电线、空载变压器等）的特性，控制开关在电压或电流的最佳相位角处完成合闸或分闸，实现无冲击的平滑过渡，能从根本上削弱开关瞬态电磁效应。
选相投切对断路器的要求非常高，以至于一直以来在中压领域还没有其具体的实际应用以及相关的成熟产品。我公司结合精确的电子控制机构与永磁操动机构的真空断路器模块，能精确的实现电容器组的过零选相投切，成功将永磁操动机构断路器应用于配电网系统中。
理论基础
电容器投切产生涌流的大小与开关关合时电压的相位有关。以投切单组电容器为例，简要分析涌流产生机理。忽略线路电阻，单相等值回路如图1－1所示：
合闸过程分为以下四步：
（1）开关在A点之前收到合闸指令，预期在相隔几个周期的电压过零点B处合闸。
（2）系统检测电压过零点，通过控制器计算开关在B点合闸所需的时间Tai，选择电压过零点A作为同步参考零点。
（3）系统延时，在延时时间到后控制器发出合闸指令。
（4）触头动作，开关闭合。
在实际的配电网中，无功补偿电容器常采用星型不接地的方法接入10kV系统，则采用AB+C的方式投切，A、B相电压相等时同时投入A、B相，延后90度投入C相，实现三相无冲击的平滑过渡，能有效地削弱开关瞬态电磁效应。在实际的应用过程中，只以UAB为参考信号，在参考信号的零点投入AB相，90度相角后投入C相，这样降低了二次回路的复杂程度，可靠性更高。
其原理图如下图1－3：
可行性与实用性分析
可行性分析
1998年，国际大电网会议（CIGRE）对智能选相控制高压开关的优缺点进行了讨论，根据分析计算结果和现场应用状况证明了其经济性、可行性与必要性。智能选相断路器的费用相对低廉，只需在电力系统现有设备的基础上做简单修改，辅以少量的硬件设备，更新相应软件算法，就能用于智能选相投切。在中压领域，传统的弹簧机构和电磁机构动作时间分散性大，难以满足操作时间一致性高的要求；三相不能独立动作，难以满足三相全部在合适的相位角分合。直到1990年代末，新型永磁机构和电子操动的出现为中压领域同步快速开关的实现提供了硬件基础，其具有单相操作机构、机械部件少、分闸速度快、动作时间分散性小、电子操动便于实现各种控制等优点，特别适用于电容器组同步关合的相控开关。对于已投运变电站进行改造较为简单，可不改变原开关柜的结构，停电改造影响较小、投资相对节省。
近年来国内针对同步开关技术实现电容器组的投切问题在理论和可行性方面也作了一些探讨和研究，肯定了选相投切技术在电网中的应用前景。
实用性分析
案例说明
2012年，佛山电网进行10kV电容器组选相投切的安装、调试和试运行，主要工作内容包括：
（1）在高压室更换10kV11C电容器柜原ABB VD4断路器手车，改为分相投切断路器手车ISM。
（2）在高压室10kV11C电容器组开关柜面板上开孔安装过零分合控制器，保留原四方保护装置，增加过零分合控制器一台和两台断路器控制单元（CM单元），将过零分合控制器及CM单元，（对应AB相断路器和C相断路器）安装在保护装置右侧，如图2－1所示；
其中：1－选相分合控制器，2－AB相断路器控制单元，3－C相断路器控制单元，
4－原有保护测控装置
二次控制回路改造
本技术的应用更换了11C电容器开关柜内原先的弹簧机构真空断路器，改用永磁机构真空断路器，因此需对原有的二次控制回路进行改造。将原操作回路中连接到断路器手车的分合闸信号和保护跳闸信号连接到过零分合控制器，由控制器控制AB相断路器和C相断路器过零分合及保护分闸。
正常情况下，真空断路器的分合闸通过保护测控装置发出的分合闸命令，起动过零分合控制器，由过零控制器判断分合闸时间，发出分合闸指令到真空断路器CM单元，实现断路器的分合闸。当保护动作时，则可通过保护出口压板LP1启动保护分闸继电器3ZJ实现保护动作使断路器分闸。当过零分合控制器故障时，则可通过分闸延时继电器2SJ和合闸延时继电器1SJ实现断路器分合闸。
改造前后的控制回路如图2－3和图2－4所示，其改动部分为：新的设计图在断路器合闸回路上用合闸中间继电器1ZJ和合闸延时继电器1SJ取代了原弹簧机构继路器的合闸线圈，在断路器分闸回路上用分闸中间继电器2ZJ和分闸延时继电器2SJ取代了原弹簧机构继路器的分闸线圈，跳闸出口压板LP1直接连接保护分闸继电器3ZJ取代了原先的保护跳闸回路。本次技术改造通过采用进口的中间继电器取代了原先断路器分合闸线圈，维护及检修都比原先方便、简单。
创新性分析
（1）10kV电容器组选相投切成功将智能选相投切理论应用于实际，实现电容器的过零投切，从根本上减小了电容器合闸涌流。
（2）选相断路器每相有一个操作机构，真空灭弧室与操作机构上下布置；所有零部件轴向对称设计，机械运动全部为上下直线运动；每相仅有几个活动部件，去掉传统断路器中的分闸线圈、储能电机、机械锁扣、齿轮、链条、连杆等部件。
（3）独特设计的真空灭弧室，采用新型永磁材料和特殊结构的纵磁场触头，提高了单位面积的触头开断能力，减小了触头的开距，10kV的真空灭弧室开距只有6mm，为同容量的真空断路器中体积最小的真空灭弧室，优选的触头材料和特殊的触头结构与最佳的运动轨迹和合闸速度结合在一起使开关能快速、精确、稳定的分合闸。
测试效果分析
快速、稳定的断路器本体与精确、可靠的选相控制器协同配合，构成安全、可靠、先进的智能选相断路器，能精确的实现选相分合闸操作，在进行智能选相断路器投切电容器精度测试时，给定一个工频正弦参考信号（模拟实际参考信号UAB），测试效果如下：
论文作者:莫孟斌
论文发表刊物:《电力设备》第02期供稿
论文发表时间:2015/9/21
标签：电容器论文; 断路器论文; 过电压论文; 回路论文; 电网论文; 控制器论文; 永磁论文; 《电力设备》第02期供稿论文;