许巧云¹，吴昌盛,¹，董超俊²，温浩²，韩冰²，张秀杰²

(1.江门供电局，广东江门529020； 2.五邑大学，广东江门529020)

摘  要：在江门某变电站，搭建10 kV无功补偿电容器分相投切实验系统。断路器采用随机合闸策略，无功补偿电容器最大暂态过电压为稳态运行的1.6倍左右，最大暂态过电流为稳态运行的3.7倍左右，暂态持续时间约为170ms；而采用分相合闸策略，无功补偿电容器最大暂态过电压不会超过稳态运行的1.3倍，最大暂态过电流不会超过稳态运行的2倍，暂态持续时间约为130ms。采用分相合闸策略能够有效减小电容器合闸过电压和合闸涌流，减少暂态持续时间，从而提高电容器运行的安全性与可靠性。

关键词：分相合闸；分相分闸；合闸涌流；并联电容器；合闸过电压

0 引 言

在我国10kV配电网中，无功补偿的主要实现方式是采用并联电容器。国内外学者对电容器损坏、爆炸等事故进行了大量研究电容器的投切是根据无功补偿的需求进行自动投切的，有时为了满足无功和电压的需求，一天内电容器要投切数次，目前正运行在10kV侧配网的无功补偿电容器投切策略绝大部分为三相同时合闸，每一相的合闸相角具有随机性，导致每相合闸涌流和过电压具有随饥性。合闸涌流和合闸过电压是影响电容器寿命的两大主要因素。在无功补偿电容器系统中，串联电抗器的电抗比研究已比较成熟。在串联电抗器选择较为匹配的情况下依然存在不少合闸涌流及过电压。随着控制成本降低，分相投切可大大减小合闸涌流和过电压。文献介绍了一种投切策略，并且开发了分相投切装置。文献在重庆某变电站搭建了电容器分相投切实验系统，采用AB—C分相合闸控制策略，分闸采用B—CA分相分闸控制策略，验证了分相合闸略的有效性。

鉴于我国电网10kV侧无功补偿电容器绝大部分采用星形不接地接线方式。本文在理论分析的基础上，在江门某变电站搭建10kV分相投切实验平台。采用分相合闸策略为:先合闸C相，当B相与C相电压相等时合闸B相；当A相电压过零时合闸A相，即采用C一B—A三相依次合闸策略。通过分相合闸数据与普通断路器合闸数据进行比较，验证了该分相合闸策略的有效性。

1  电容器暂态过程理论分析

1.1电容器合闸暂态过程分析

假设三相电容器为对称的，即三相负载平衡。为了简化合闸过程分析,其单相等效电路见图1。

图1 单相等效电路

当开关S闭合时，由电路分析可得电路微分方程为

 

图中：R、L、C分别为电路等效电阻值、电感值和电容值；S为理想开关；K为电源电压。

设正弦电压为

 

在工频运行的情况下，电路中电阻值可忽略。当合闸相角θ0

式中：f为暂态过程震荡频率，f₀ = 50Hz为工频；I_sm为工频电流值；U₀为电容器初始状态电压幅值(一般较小，由于电容器在合闸之前均需经过放电）。式(3)-(4)可得,电容器的合闸过电压不会超过稳态运行电压的2倍，但是当存在暂态震荡f≥ 500Hz时，电容器两端过电流可以超过稳态运行电流幅值的11倍。

当电源电压合闸相角θ0= 0°时，此时合闸的电压幅值为

从式(5)得出，当合闸相角为零时，不存在合闸涌流，合闸电压的幅值为稳态运行电压。

通过上述分析可以得出，采用过零合闸，即分相合闸策略，将大大减少合闸涌流和暂态过电压。

2 分相合闸策略

根据江门某变电站并联电容器实际的运行系统为星形中性点不接地系统。由电路理论分析可知，当其中一相合闸之后不会形成闭合回路，此时电容器器将不存在电压和电流。断路器分相合闸不意见图2。

图2  断路器分相合闸示意图

设在t₁时刻投切C相；在t₂时刻，C相与B相的相电压相等，此时投切B相，经过5ms(工频系统中为90°)后，t₃时刻，A相母线电压刚好过零点，而此时的中性点电压也刚好过零，此时投切A相。由于合闸时刻电容器端电压都为零，这将大大减小电容器合闸涌流和合闸过电压。

3 现场试验及结果分析

3.1现场试验硬件设施

实验在江门某110 kV变电站10kV侧3号无功补偿并联电容器组型号为BAMX11/忑-5000-1X3W 的集合式电容器搭建，现场试验的示意图见图3。

图3  现场实验示意图

在图3中，无功补偿系统中串联电抗器型号为 (CKSCKL-300/10-6)的电抗比为6 %。在2C2开关(型号为VEP1231D11P21W)的断路器和电抗器之间，串联一组相控断路器。分相分合闸误差为正负10°，即正负 0.56 ms。

实验数据的获得，在10kV电容侧采用型号为CG-12Q/45高压传感器测量电压信号。在分相开关拒与电抗器之间导线部分采用型号为LZZBJ9-10400/110P15,0.5 S电流互感器得到二次侧电流 (一次侧电流与二次侧电流之比为400)。在二次侧采用WDGL-T1便携式录波监测装置获得实时电流和电压数据。电流数据通过钳形电流CT型号为CT0130N-100A采集获得，电压采集模块（电压一次侧与二次侧之比为110)获得实时电压数据,设备暂态采样频率可达50 kHz。现场对断路器进行了26组分合闸实验操作。

3.2  实验结果分析

3.2.1普通断路器合闸暂态过程

现场普通断路器分合闸实验共做10组，即分相断路器一直处于合闸状态，2C2普通断路器进行分合闸操作，得到普通断路器合闸实验数据10组。典型普通断路器合闸电压，电流波形见图4。

 

图4  普通断路器合闸暂态过程

图4(a)所示为合闸暂态电压。A相暂态过程测量得到最大12L83V,即实际电容器两端电压为121.83×110V≈13.4kV；A相稳态运行电压最大值为81.92V，即实际电容器两端稳态电压最大值为81.92×110V≈9.lkV；即A相电容器暂态过程最大过电压约为稳态运行最大电压的1.5倍。（为了节省篇幅，以下只写测量值)B相暂态过程测量得到最大132.22V，B相稳态运行电压最大值为82.99V，即B相电容器暂态过程最大过电压约为稳态运行最大电压的1.6倍。C相暂态过程测量电压最大105.62V，C相稳态运行电压最大值为82.76V，即C相电容器暂态过程最大过电压约为稳态运行最大电压的1.3倍。

图4(b)图所示为合闸涌流相暂态过程电流最大值为2.33A，即实际A相电容器暂态电流最大值为2.33×400≈932A；A相稳态运行电流最大值为0.964A，即实际A相电容器稳态运行电流最大值为385.6A；即A相电容器暂态电流最大值约为稳态运行电流最大值的2.4倍。（为了节省篇幅，以下只写测量值)B相暂态过程电流最大值为3.47A；B相稳态运行电流最大值为0.946A，即B相电容器暂态电流最大值约为稳态运行电流最大值的3.7倍。 C相暂态过程电流最大值为3.13A；C相稳态运行电流最大值为0.946A,即C相电容器暂态电流最大值约为稳态运行电流最大值的3.4倍。

普通断路器合闸实验得到9组实验数据见表1 (只记录最大值)。

表1  随机合闸过程暂态电压和电流数据

从表1实验数据可得，普通断路器合闸，其中一相操作过电压将达到稳态运行的1.6倍左右，操作过电流达到稳态运行的3.7倍。暂态持续时间约为8.5个周期，即170 ms。

3.2.2分相合闸暂态过程

分相合闸过程见图5,采用图1合闸策略。

图5(a)所示合闸暂态过程。A相暂态过程电压 最大值为100.47V；A相稳态运行电压最大值约为81.92V，即A相电容器暂态电压最大值约为稳态运行电压最大值的1.2倍。B相暂态过程电压最大值为96.74V，B相稳态运行电压最大值约为82.99V，即B相电容器暂态电压最大值约为稳态运行电压最大值的1.16倍。C相暂态过程电压最大值为91.38V,C相稳态运行电压最大值约为82.76V，即A相电容器暂态电压最大值约为稳态运行电压最大值的1.1倍。

 

 图5  分相合闸暂态过程

A相暂态过程电流最大值为1.65A，A相稳态运行电流最大值为0.946A，即A相电容器暂态电流最大值约为稳态运行电流最大值的1.74倍。B相暂态过程电流最大值为1.69A；B相稳态运行电流最大值为0.946A，即B相电容器暂态电流最大值 约为稳态运行电流最大值的1.79倍。C相暂态过 程电流最大值为1.44 A;C相稳态运行电流最大值 为0.946 A，即C相电容器暂态电流最大值约为稳态运行电流最大值的1.52倍。

由于实际实验过程相控断路器无法保证完全过零合闸，故实验结果存在一定的合闸过电压和过电流，数据见表2。通过实验数据可得，分相合闸时三相之中最大操作过电压不会超过稳态运行的1.3倍，操作过电流不会超过稳态运行的2倍。暂态持续时间约为6.5个周期，即130 ms。

表2  分相合闸暂态电压和电流数据

4 结语

在江门供电局某变电站，采用分相合闸控制策略时，三相之中最大操作过电压不会超过稳态运行的1.3倍，操作过电流不会超过稳态运行的2倍。暂态持续时间约为6.5个周期，即130 ms。采用普通断路器合闸时，其中一相操作过电压将达到稳态运行的1.6倍，操作过电流达到稳态运行的3.7倍。暂态持续时间约为8.5个周期，即170 ms。可得对10kV相控断路器的推广有较高参考价值。

相控合闸时，以相电压为参考。首先合闸C相，当B相与C相相等时刻合闸B相。经过90°，即5ms之后合闸A相。此时A相电压刚好过零。即实现了每相电容器的0°合闸。