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10kV無功補償電容器分相合閘策略研究
許巧云1，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，廣東江門529020)
摘 要：在江門某變電站，搭建10 kV無功補償電容器分相投切實驗系統。斷路器采用隨機合閘策略，無功補償電容器最大暫態過電壓為穩態運行的1.6倍左右，最大暫態過電流為穩態運行的3.7倍左右，暫態持續時間約為170ms；而采用分相合閘策略，無功補償電容器最大暫態過電壓不會超過穩態運行的1.3倍，最大暫態過電流不會超過穩態運行的2倍，暫態持續時間約為130ms。采用分相合閘策略能夠有效減小電容器合閘過電壓和合閘涌流，減少暫態持續時間，從而提高電容器運行的安全性與可靠性。 關鍵詞：分相合閘；分相分閘；合閘涌流；并聯電容器；合閘過電壓
0 引 言 在我國10kV配電網中，無功補償的主要實現方式是采用并聯電容器。國內外學者對電容器損壞、爆炸等事故進行了大量研究電容器的投切是根據無功補償的需求進行自動投切的，有時為了滿足無功和電壓的需求，一天內電容器要投切數次，目前正運行在10kV側配網的無功補償電容器投切策略絕大部分為三相同時合閘，每一相的合閘相角具有隨機性，導致每相合閘涌流和過電壓具有隨饑性。合閘涌流和合閘過電壓是影響電容器壽命的兩大主要因素。在無功補償電容器系統中，串聯電抗器的電抗比研究已比較成熟。在串聯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電壓。文獻介紹了一種投切策略，并且開發了分相投切裝置。文獻在重慶某變電站搭建了電容器分相投切實驗系統，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，驗證了分相合閘略的有效性。 鑒于我國電網10kV側無功補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上，在江門某變電站搭建10kV分相投切實驗平臺。采用分相合閘策略為:先合閘C相，當B相與C相電壓相等時合閘B相；當A相電壓過零時合閘A相，即采用C一B—A三相依次合閘策略。通過分相合閘數據與普通斷路器合閘數據進行比較，驗證了該分相合閘策略的有效性。
1 電容器暫態過程理論分析 1.1電容器合閘暫態過程分析 假設三相電容器為對稱的，即三相負載平衡。為了簡化合閘過程分析,其單相等效電路見圖1。
圖1 單相等效電路
當開關S閉合時，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；K為電源電壓。 設正弦電壓為
在工頻運行的情況下，電路中電阻值可忽略。當合閘相角θ0
式中：f為暫態過程震蕩頻率，f0 = 50Hz為工頻；Ism為工頻電流值；U0為電容器初始狀態電壓幅值(一般較小，由于電容器在合閘之前均需經過放電）。式(3)-(4)可得,電容器的合閘過電壓不會超過穩態運行電壓的2倍，但是當存在暫態震蕩f≥ 500Hz時，電容器兩端過電流可以超過穩態運行電流幅值的11倍。 當電源電壓合閘相角θ0= 0°時，此時合閘的電壓幅值為
從式(5)得出，當合閘相角為零時，不存在合閘涌流，合閘電壓的幅值為穩態運行電壓。 通過上述分析可以得出，采用過零合閘，即分相合閘策略，將大大減少合閘涌流和暫態過電壓。
2 分相合閘策略 根據江門某變電站并聯電容器實際的運行系統為星形中性點不接地系統。由電路理論分析可知，當其中一相合閘之后不會形成閉合回路，此時電容器器將不存在電壓和電流。斷路器分相合閘不意見圖2。
圖2 斷路器分相合閘示意圖
設在t1時刻投切C相；在t2時刻，C相與B相的相電壓相等，此時投切B相，經過5ms(工頻系統中為90°)后，t3時刻，A相母線電壓剛好過零點，而此時的中性點電壓也剛好過零，此時投切A相。由于合閘時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電壓。
3 現場試驗及結果分析 3.1現場試驗硬件設施 實驗在江門某110 kV變電站10kV側3號無功補償并聯電容器組型號為BAMX11/忑-5000-1X3W 的集合式電容器搭建，現場試驗的示意圖見圖3。
圖3 現場實驗示意圖
在圖3中，無功補償系統中串聯電抗器型號為 (CKSCKL-300/10-6)的電抗比為6 %。在2C2開關(型號為VEP1231D11P21W)的斷路器和電抗器之間，串聯一組相控斷路器。分相分合閘誤差為正負10°，即正負 0.56 ms。 實驗數據的獲得，在10kV電容側采用型號為CG-12Q/45高壓傳感器測量電壓信號。在分相開關拒與電抗器之間導線部分采用型號為LZZBJ9-10400/110P15,0.5 S電流互感器得到二次側電流 (一次側電流與二次側電流之比為400)。在二次側采用WDGL-T1便攜式錄波監測裝置獲得實時電流和電壓數據。電流數據通過鉗形電流CT型號為CT0130N-100A采集獲得，電壓采集模塊（電壓一次側與二次側之比為110)獲得實時電壓數據,設備暫態采樣頻率可達50 kHz。現場對斷路器進行了26組分合閘實驗操作。
3.2 實驗結果分析 3.2.1普通斷路器合閘暫態過程 現場普通斷路器分合閘實驗共做10組，即分相斷路器一直處于合閘狀態，2C2普通斷路器進行分合閘操作，得到普通斷路器合閘實驗數據10組。典型普通斷路器合閘電壓，電流波形見圖4。
圖4 普通斷路器合閘暫態過程
圖4(a)所示為合閘暫態電壓。A相暫態過程測量得到最大12L83V,即實際電容器兩端電壓為121.83×110V≈13.4kV；A相穩態運行電壓最大值為81.92V，即實際電容器兩端穩態電壓最大值為81.92×110V≈9.lkV；即A相電容器暫態過程最大過電壓約為穩態運行最大電壓的1.5倍。（為了節省篇幅，以下只寫測量值)B相暫態過程測量得到最大132.22V，B相穩態運行電壓最大值為82.99V，即B相電容器暫態過程最大過電壓約為穩態運行最大電壓的1.6倍。C相暫態過程測量電壓最大105.62V，C相穩態運行電壓最大值為82.76V，即C相電容器暫態過程最大過電壓約為穩態運行最大電壓的1.3倍。 圖4(b)圖所示為合閘涌流相暫態過程電流最大值為2.33A，即實際A相電容器暫態電流最大值為2.33×400≈932A；A相穩態運行電流最大值為0.964A，即實際A相電容器穩態運行電流最大值為385.6A；即A相電容器暫態電流最大值約為穩態運行電流最大值的2.4倍。（為了節省篇幅，以下只寫測量值)B相暫態過程電流最大值為3.47A；B相穩態運行電流最大值為0.946A，即B相電容器暫態電流最大值約為穩態運行電流最大值的3.7倍。 C相暫態過程電流最大值為3.13A；C相穩態運行電流最大值為0.946A,即C相電容器暫態電流最大值約為穩態運行電流最大值的3.4倍。 普通斷路器合閘實驗得到9組實驗數據見表1 (只記錄最大值)。 表1 隨機合閘過程暫態電壓和電流數據
從表1實驗數據可得，普通斷路器合閘，其中一相操作過電壓將達到穩態運行的1.6倍左右，操作過電流達到穩態運行的3.7倍。暫態持續時間約為8.5個周期，即170 ms。
3.2.2分相合閘暫態過程 分相合閘過程見圖5,采用圖1合閘策略。 圖5(a)所示合閘暫態過程。A相暫態過程電壓 最大值為100.47V；A相穩態運行電壓最大值約為81.92V，即A相電容器暫態電壓最大值約為穩態運行電壓最大值的1.2倍。B相暫態過程電壓最大值為96.74V，B相穩態運行電壓最大值約為82.99V，即B相電容器暫態電壓最大值約為穩態運行電壓最大值的1.16倍。C相暫態過程電壓最大值為91.38V,C相穩態運行電壓最大值約為82.76V，即A相電容器暫態電壓最大值約為穩態運行電壓最大值的1.1倍。
圖5 分相合閘暫態過程
A相暫態過程電流最大值為1.65A，A相穩態運行電流最大值為0.946A，即A相電容器暫態電流最大值約為穩態運行電流最大值的1.74倍。B相暫態過程電流最大值為1.69A；B相穩態運行電流最大值為0.946A，即B相電容器暫態電流最大值 約為穩態運行電流最大值的1.79倍。C相暫態過 程電流最大值為1.44 A;C相穩態運行電流最大值 為0.946 A，即C相電容器暫態電流最大值約為穩態運行電流最大值的1.52倍。 由于實際實驗過程相控斷路器無法保證完全過零合閘，故實驗結果存在一定的合閘過電壓和過電流，數據見表2。通過實驗數據可得，分相合閘時三相之中最大操作過電壓不會超過穩態運行的1.3倍，操作過電流不會超過穩態運行的2倍。暫態持續時間約為6.5個周期，即130 ms。 表2 分相合閘暫態電壓和電流數據
4 結語 在江門供電局某變電站，采用分相合閘控制策略時，三相之中最大操作過電壓不會超過穩態運行的1.3倍，操作過電流不會超過穩態運行的2倍。暫態持續時間約為6.5個周期，即130 ms。采用普通斷路器合閘時，其中一相操作過電壓將達到穩態運行的1.6倍，操作過電流達到穩態運行的3.7倍。暫態持續時間約為8.5個周期，即170 ms。可得對10kV相控斷路器的推廣有較高參考價值。 相控合閘時，以相電壓為參考。首先合閘C相，當B相與C相相等時刻合閘B相。經過90°，即5ms之后合閘A相。此時A相電壓剛好過零。即實現了每相電容器的0°合閘。
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