论文部分内容阅读
摘要：根据江门某变电站运行数据，在PSCAD中建立一种分相合闸策略并联电容器的仿真分析模型。通过仿真实验，得出普通断路器的合闸涌流为稳态运行电流的5倍左右；采用A-C-B三相依次合闸策略（分相合闸策略）的涌流为稳定。
关键词：并联；电容器；分相合闸
在我国，低压配电网中的无功功率的补偿主要是由并联电容器提供。1根据江门供电局提供的并联电容器运行数据，有时电容器一天需要投切數次来满足系统的无功和电压要求。由于现行投切策略大部分是三相同时合闸操作，因此每相的合闸时刻具有随机性。合闸涌流和过电压是影响电容器组可靠运行的两大主要危害因素[1-3]。针对上述现象，江门供电局已拥有GLS-200型智能相控断路器，拟采用分相合闸技术抑制断路器合闸过程对电容器造成的合闸涌流和过电压。
在10kV变电站系统中无功补偿电容器的损坏，爆炸等事故产生的原因在国内已有大量研究[4-6]。结合江门供电局实际运行情况，此类事故依然时有发生。近年来，随着控制成本的不断降低，分相投切合闸策略可大大降低电容器组的合闸涌流和过电压对电容器的影响。分相投切策略比串联电抗器电抗率的选择更加简单实用[7-9]。文献[10]理论分析了合闸暂态过程对电容器的影响，以及合闸相角选择的理论计算。文献[11]介绍了一种投切策略，并开发了一种分相投切的断路器。文献[12]通过直接在重庆市某110kV变电站10kV侧搭建分相投切实验装置验证投切策略的有效性。但是在合闸策略上采用其中两相相电压为0时同时合闸，然后经过5ms（工频系统90度）后第三相合闸。
鉴于我国无功补偿电容器几乎全是采用星形不接地的补偿方式，本文提出先合闸其中一相，然后当第二相与合闸相的相电压为零时第二相合闸，经过5ms后第三相合闸。采用文献[12]的分相控制策略，由于需要控制两相电压相等时刻同时合闸，控制精度的范围将扩大2倍，即精度减小一半。所以本文采用三相依次合闸分相控制策略，控制精度是采用两相同时合闸分相控制策略的两倍。本文先对合闸暂态过程进行理论分析，然后分析分相合闸策略的有效性和实用性。最后根据江门某变电站运行数据，在PSCAD中建立一种并联电容器的仿真分析模型，验证该合闸策略的有效性。
一、投切10kV并联电容器暂态过程分析和分相控制技术
（一）合闸暂态过程
为了简化合闸过程的分析，其单相等效电路如图1所示
合闸时刻设为时间0时刻，则可得电路微分方程：
（1）
式中，R，L，C分别为电源内阻，串联电抗器电感值和并联电容器组电容值。K为理想开关，Us为电源电压。设正弦电压为：
为了简化分析，忽略回路中电源内阻。当电源电压为峰值时刻合闸，即合闸相角 时，合闸涌流 和电压 的幅值分别为[12]
式中 为涌流震荡频率， 为工频。 为工频电流值， 为电容器初始状态电压幅值。由以上两式可得，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 时电容器两端过电流可以超过稳态运行电流幅值的10倍。
当电源电压过零点时合闸，即是合闸相角 时，此时合闸的电压幅值和涌流分别为
从（5）和（6）两式易得出，当合闸相角为零时，电容器两端合闸电压和电流的幅值均可降低。其中合闸涌流不会超过稳态运行的电流的2倍，合闸电压的幅值略高于稳态运行电压。
通过上述分析可以得出，采用过零合闸，即分相制合闸策略，将大大减少合闸涌流的幅值和暂态过电压。
（二）分相制投切电容器策略
根据江门某变电站的实际并联电容器的运行系统为：星型中性点不接地系统。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，此时对电容器将不存在过电压和过电流。断路器选相合闸示意图2所示：
设在 时刻投切A相；在 时刻，C相与A相的相电压为零，此时投切C相，经过5ms（工频系统中为90度）后，即 时刻，B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B相。由于合闸时刻电容器端电压都为零，这将大大降低电容器合闸涌流和合闸过电压。假设断路器的控制精度是相同的，A-C-B三相依次合闸，整体的控制精度为单相断路器的控制精度。
二、10kV并联电容器模型的建立
在PSCAD仿真中根据江门某变电站运行的数据建立仿真模型如图3：
电力系统电源采用Three-Phase Voltage Source Model 2模型。两台变压器分别是110kV/10kV和10kV/0.4kV均采用3-Phase 2-Winding Transformer模型，变压器内部参数均按照江门某变电站铭牌数据进行设置。从电源到110kV/10kV变压器采用架空线路输电模型，传输距离设置为100km。两个变压器之间的传输线模型用P-Sections，传输距离设置为12km。10kV传输线上负载用一个阻性负载和一个感性负载等效，容量分别为8MW和6Mvar。10kV/0.4kV的负载也用一个阻性负载和一个感性负载等效，容量分别为4MW和3Mvar。并联电容器容量只用一组容量为4000kvar，电容器值为109.7uF。串联电抗器采用5%的串比，容量为200kvar，电感值为4.816mH。断路器采用理想开关进行等效。
三、仿真结果的分析
（一）断路器随机合闸过程
在普通断路器的实验中随机合闸了10次，测得了10组实验数据，因为电容器的过电压和过电流必然会受到合闸相角的影响，所以在不同时刻合闸得到数据不尽相同，过电流和过电压的大小都很相近。随机选取了1组样本数据，如图4所示随机合闸后的20ms内流过电容器的过电流为稳定运行电流的5倍左右。图4中a图分别为A，B，C三相的过电流。为了清楚显示b图是三相过电流在一个图中显示的结果。 合闸过电压选取和实验过程与获得过电流的方式相同，图5为与过电流相对应的一组过电压数据。由仿真结果在合闸后的20ms内电容器两端过电压为稳定运行电压的1.5倍左右。
随机合闸电容器两端的最大过电压为稳态过电压的1.5倍，过电流为稳态运行电流幅值的5倍左右。暂态过程总的持续时间约为125ms左右。
（二）分相合闸过程
在本次仿真实验中，采用分相投切策略。分相合闸策略下的過电流如图6所示：在合闸后的25ms之内过电流为稳态运行过电流2.2倍左右，暂态过程总的持续时间约为110ms。其中图6中a图分别为A，B，C三相的过电流。为了清楚显示b图是三相过电流在一个图中显示的结果。
分相合闸过电压的实验结果如图7所示，a图分别为A，B，C三相电容器两端的过电压。为了清楚显示b图是三相过电压在一个图中显示的结果。由图可知合闸后30ms内电容器两端的过电压约为稳态运行电压的1.2倍左右，暂态过程总的持续时间约为110ms。
分相合闸最大过电压为稳态运行电压的1.2倍，最大过电流为稳态运行电流幅值的2.2倍左右。暂态持续时间约为110ms左右。
随机合闸与分相合闸策略比较见表1。从表中可以看出分相合闸策略的过电压和过电流均比随机合闸的过电压和过电流小。两种投切方式的暂态持续时间几乎相等。
四、结语
分相合闸策略：断路器先随机合闸一相，当另外一相与合闸相相电压相等时合闸第二相，经过5ms（工频系统中 ）后，合闸第三相。在分相断路器合闸过程中，合闸涌流是稳态运行电流幅值的2.2倍左右，合闸电压是稳态运行电压的1.2倍左右。而采用断路器随机投切得到的合闸涌流为稳态运行电流幅值的5倍左右，随机合闸电容器两端的电压是稳态运行电压的1.5倍左右。
综上所述分相合闸策略可有效减少电容器过电流和过电压的大小，证明了分相合闸策略的有效性和实用性。
基金资助项目：《基于多维数据的电容器运行策略研究》研究项目（GDDW0520160301SG00003）。
Study on capacitor operation strategy based on multidimensional data（GDDW0520160301SG00003）.
参考文献：
[1]魏旭，周志成，谢天喜，等.真空断路器投入并联电容器的过电压分析及防护[J].高电压技术，2014，40（10），3193-3198.
WEI Xu，ZHOU Zhicheng，XIE Tianxi，et al.Analysis and protection against overvoltages caused by vacuum circuit breakers switching on shunt capacitors[J].HighVoltage Engineering，2014，40（10）：3193-3198.
[2]席世友.真空断路器电容器回路故障原因分析[J].高压电器，2010，46（5）：65-69.
XI Shiyou.Cause analysis of capacitor circuit of vacuum circuit breaker fault[J].High Voltage Apparatus，2010，46（5）：65-69.
[3] 杨庆，欧阳沙，司马文霞，等. 真空断路器快速合–分闸操作 10 k V 并联电容器的过电压机理[J]. 高电压技术，014，40（10）：3135-3140.
YANG Qing，OUYANG Sha，SIMA Wenxia，et al.Analysis about overvoltage mechanism of fast switching on-off 10kV shunt capaci-tors for vacuum circuit breakers[J].High Voltage Engineering，2014，40（10）：3135-3140.
[4]赵荣普.并联电容器的运行维护及故障分析[J].云南水利发电，2009，25（1）：90-94.
ZHAO Rongpu.Operation，maintenance and fault analysis of shunt capacitor[J].YUNNAN WATER POWER，2009，25（1）：90-94.
[5]张丹，阿布来提·麦麦提，霍大勇.并联电容器使用不当引发的故障[J].电力电容器与无功补偿，2016，36（1）：11-13.
ZHANG Dan，Ablet·Manat，HUO Dayong.Fault Caused by the Improper Use of Shunt Capacitors[J]Power Capacitor&Reactive Power Compensation，2016，36（1）：11-13.
[6]张越.一例10 k V 并联电容器装置故障的分析与建议[J].中国设备工程，2016，7：69-70，72.
ZHANG Yue.Analysis and suggestion of a 10KV shunt capacitor fault[J].China plant Engineering，2016，7：69-70，72.
[7]周胜军，林海雪.并联电容器装置参数的工程选择计算[J].供用电，2009，26（4）：9–14.
ZHOU Shengjun，LIN Haixue.Engineering Choose and Calculation Parameters for Installation of Shunt Capacitor[J].Contracts on Supply and Consumption，2009，26（4）：9–14. [8]陈世青，赵新尚，李福祥.防止并联电容器运行中产生谐波放大[J].高压电技术，2004，30（12）：19–22.
CHEN Shiqing，ZHAO Xinshang，LI Fuxiang.Prevention of Harmonic Amplification in Operation of Parallel Capacitor[J].High Voltage Engineering，2004，30（12）：19–22.
[9]陈伯胜.串联电抗器抑制谐波的作用及电抗率的选择[J].电网技术，2003，27（12）：92–95.
CHEN Bosheng.HARMONICS RESTRAINING FUNCTION OF SERIAL REACTOR AND SELECTION OF REACTANCE RATE[J].Power System Technology，2003，27（12）：92–95.
[10]欧阳沙.投切10kV并联电容器的暂态过程研究[D].重庆：重庆大学，2014.
OUYANG Sha.Study on the Transition Process of Switching 10kV Shunt Capacitor Banks[D].Chongqing：
Chongqing University，2014.
[11]段雄英，廖敏夫，丁富华，等. 基于真空断路器的并联电容器组相控投切装置[J]. 电工技术学报，2007，22（10）：78-84.
DUAN Xiongying，LIAO Minfu，DING Fuhua，et al.Controlled va-cuum circuit breaker for shunt capacitor banks[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2007，22（10）：78-84.
[12]]楊庆，张照辉，席世友等.相控断路器投切10 k V并联电容器的应用[J].高电压技术，2016，42（6）：1739-1745.
YANG Qing，ZHANG Zhaohui，XI Shiyou et al.Application of 10kV Switching Shunt Capacitor Banks with Controlled Vacuum Circuit Breakers[J].High Voltage Engineering，2016，42（6）：1739-1745.
关键词：并联；电容器；分相合闸
在我国，低压配电网中的无功功率的补偿主要是由并联电容器提供。1根据江门供电局提供的并联电容器运行数据，有时电容器一天需要投切數次来满足系统的无功和电压要求。由于现行投切策略大部分是三相同时合闸操作，因此每相的合闸时刻具有随机性。合闸涌流和过电压是影响电容器组可靠运行的两大主要危害因素[1-3]。针对上述现象，江门供电局已拥有GLS-200型智能相控断路器，拟采用分相合闸技术抑制断路器合闸过程对电容器造成的合闸涌流和过电压。
在10kV变电站系统中无功补偿电容器的损坏，爆炸等事故产生的原因在国内已有大量研究[4-6]。结合江门供电局实际运行情况，此类事故依然时有发生。近年来，随着控制成本的不断降低，分相投切合闸策略可大大降低电容器组的合闸涌流和过电压对电容器的影响。分相投切策略比串联电抗器电抗率的选择更加简单实用[7-9]。文献[10]理论分析了合闸暂态过程对电容器的影响，以及合闸相角选择的理论计算。文献[11]介绍了一种投切策略，并开发了一种分相投切的断路器。文献[12]通过直接在重庆市某110kV变电站10kV侧搭建分相投切实验装置验证投切策略的有效性。但是在合闸策略上采用其中两相相电压为0时同时合闸，然后经过5ms（工频系统90度）后第三相合闸。
鉴于我国无功补偿电容器几乎全是采用星形不接地的补偿方式，本文提出先合闸其中一相，然后当第二相与合闸相的相电压为零时第二相合闸，经过5ms后第三相合闸。采用文献[12]的分相控制策略，由于需要控制两相电压相等时刻同时合闸，控制精度的范围将扩大2倍，即精度减小一半。所以本文采用三相依次合闸分相控制策略，控制精度是采用两相同时合闸分相控制策略的两倍。本文先对合闸暂态过程进行理论分析，然后分析分相合闸策略的有效性和实用性。最后根据江门某变电站运行数据，在PSCAD中建立一种并联电容器的仿真分析模型，验证该合闸策略的有效性。
一、投切10kV并联电容器暂态过程分析和分相控制技术
（一）合闸暂态过程
为了简化合闸过程的分析，其单相等效电路如图1所示
合闸时刻设为时间0时刻，则可得电路微分方程：
（1）
式中，R，L，C分别为电源内阻，串联电抗器电感值和并联电容器组电容值。K为理想开关，Us为电源电压。设正弦电压为：
为了简化分析，忽略回路中电源内阻。当电源电压为峰值时刻合闸，即合闸相角 时，合闸涌流 和电压 的幅值分别为[12]
式中 为涌流震荡频率， 为工频。 为工频电流值， 为电容器初始状态电压幅值。由以上两式可得，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 时电容器两端过电流可以超过稳态运行电流幅值的10倍。
当电源电压过零点时合闸，即是合闸相角 时，此时合闸的电压幅值和涌流分别为
从（5）和（6）两式易得出，当合闸相角为零时，电容器两端合闸电压和电流的幅值均可降低。其中合闸涌流不会超过稳态运行的电流的2倍，合闸电压的幅值略高于稳态运行电压。
通过上述分析可以得出，采用过零合闸，即分相制合闸策略，将大大减少合闸涌流的幅值和暂态过电压。
（二）分相制投切电容器策略
根据江门某变电站的实际并联电容器的运行系统为：星型中性点不接地系统。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，此时对电容器将不存在过电压和过电流。断路器选相合闸示意图2所示：
设在 时刻投切A相；在 时刻，C相与A相的相电压为零，此时投切C相，经过5ms（工频系统中为90度）后，即 时刻，B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B相。由于合闸时刻电容器端电压都为零，这将大大降低电容器合闸涌流和合闸过电压。假设断路器的控制精度是相同的，A-C-B三相依次合闸，整体的控制精度为单相断路器的控制精度。
二、10kV并联电容器模型的建立
在PSCAD仿真中根据江门某变电站运行的数据建立仿真模型如图3：
电力系统电源采用Three-Phase Voltage Source Model 2模型。两台变压器分别是110kV/10kV和10kV/0.4kV均采用3-Phase 2-Winding Transformer模型，变压器内部参数均按照江门某变电站铭牌数据进行设置。从电源到110kV/10kV变压器采用架空线路输电模型，传输距离设置为100km。两个变压器之间的传输线模型用P-Sections，传输距离设置为12km。10kV传输线上负载用一个阻性负载和一个感性负载等效，容量分别为8MW和6Mvar。10kV/0.4kV的负载也用一个阻性负载和一个感性负载等效，容量分别为4MW和3Mvar。并联电容器容量只用一组容量为4000kvar，电容器值为109.7uF。串联电抗器采用5%的串比，容量为200kvar，电感值为4.816mH。断路器采用理想开关进行等效。
三、仿真结果的分析
（一）断路器随机合闸过程
在普通断路器的实验中随机合闸了10次，测得了10组实验数据，因为电容器的过电压和过电流必然会受到合闸相角的影响，所以在不同时刻合闸得到数据不尽相同，过电流和过电压的大小都很相近。随机选取了1组样本数据，如图4所示随机合闸后的20ms内流过电容器的过电流为稳定运行电流的5倍左右。图4中a图分别为A，B，C三相的过电流。为了清楚显示b图是三相过电流在一个图中显示的结果。 合闸过电压选取和实验过程与获得过电流的方式相同，图5为与过电流相对应的一组过电压数据。由仿真结果在合闸后的20ms内电容器两端过电压为稳定运行电压的1.5倍左右。
随机合闸电容器两端的最大过电压为稳态过电压的1.5倍，过电流为稳态运行电流幅值的5倍左右。暂态过程总的持续时间约为125ms左右。
（二）分相合闸过程
在本次仿真实验中，采用分相投切策略。分相合闸策略下的過电流如图6所示：在合闸后的25ms之内过电流为稳态运行过电流2.2倍左右，暂态过程总的持续时间约为110ms。其中图6中a图分别为A，B，C三相的过电流。为了清楚显示b图是三相过电流在一个图中显示的结果。
分相合闸过电压的实验结果如图7所示，a图分别为A，B，C三相电容器两端的过电压。为了清楚显示b图是三相过电压在一个图中显示的结果。由图可知合闸后30ms内电容器两端的过电压约为稳态运行电压的1.2倍左右，暂态过程总的持续时间约为110ms。
分相合闸最大过电压为稳态运行电压的1.2倍，最大过电流为稳态运行电流幅值的2.2倍左右。暂态持续时间约为110ms左右。
随机合闸与分相合闸策略比较见表1。从表中可以看出分相合闸策略的过电压和过电流均比随机合闸的过电压和过电流小。两种投切方式的暂态持续时间几乎相等。
四、结语
分相合闸策略：断路器先随机合闸一相，当另外一相与合闸相相电压相等时合闸第二相，经过5ms（工频系统中 ）后，合闸第三相。在分相断路器合闸过程中，合闸涌流是稳态运行电流幅值的2.2倍左右，合闸电压是稳态运行电压的1.2倍左右。而采用断路器随机投切得到的合闸涌流为稳态运行电流幅值的5倍左右，随机合闸电容器两端的电压是稳态运行电压的1.5倍左右。
综上所述分相合闸策略可有效减少电容器过电流和过电压的大小，证明了分相合闸策略的有效性和实用性。
基金资助项目：《基于多维数据的电容器运行策略研究》研究项目（GDDW0520160301SG00003）。
Study on capacitor operation strategy based on multidimensional data（GDDW0520160301SG00003）.
参考文献：
[1]魏旭，周志成，谢天喜，等.真空断路器投入并联电容器的过电压分析及防护[J].高电压技术，2014，40（10），3193-3198.
WEI Xu，ZHOU Zhicheng，XIE Tianxi，et al.Analysis and protection against overvoltages caused by vacuum circuit breakers switching on shunt capacitors[J].HighVoltage Engineering，2014，40（10）：3193-3198.
[2]席世友.真空断路器电容器回路故障原因分析[J].高压电器，2010，46（5）：65-69.
XI Shiyou.Cause analysis of capacitor circuit of vacuum circuit breaker fault[J].High Voltage Apparatus，2010，46（5）：65-69.
[3] 杨庆，欧阳沙，司马文霞，等. 真空断路器快速合–分闸操作 10 k V 并联电容器的过电压机理[J]. 高电压技术，014，40（10）：3135-3140.
YANG Qing，OUYANG Sha，SIMA Wenxia，et al.Analysis about overvoltage mechanism of fast switching on-off 10kV shunt capaci-tors for vacuum circuit breakers[J].High Voltage Engineering，2014，40（10）：3135-3140.
[4]赵荣普.并联电容器的运行维护及故障分析[J].云南水利发电，2009，25（1）：90-94.
ZHAO Rongpu.Operation，maintenance and fault analysis of shunt capacitor[J].YUNNAN WATER POWER，2009，25（1）：90-94.
[5]张丹，阿布来提·麦麦提，霍大勇.并联电容器使用不当引发的故障[J].电力电容器与无功补偿，2016，36（1）：11-13.
ZHANG Dan，Ablet·Manat，HUO Dayong.Fault Caused by the Improper Use of Shunt Capacitors[J]Power Capacitor&Reactive Power Compensation，2016，36（1）：11-13.
[6]张越.一例10 k V 并联电容器装置故障的分析与建议[J].中国设备工程，2016，7：69-70，72.
ZHANG Yue.Analysis and suggestion of a 10KV shunt capacitor fault[J].China plant Engineering，2016，7：69-70，72.
[7]周胜军，林海雪.并联电容器装置参数的工程选择计算[J].供用电，2009，26（4）：9–14.
ZHOU Shengjun，LIN Haixue.Engineering Choose and Calculation Parameters for Installation of Shunt Capacitor[J].Contracts on Supply and Consumption，2009，26（4）：9–14. [8]陈世青，赵新尚，李福祥.防止并联电容器运行中产生谐波放大[J].高压电技术，2004，30（12）：19–22.
CHEN Shiqing，ZHAO Xinshang，LI Fuxiang.Prevention of Harmonic Amplification in Operation of Parallel Capacitor[J].High Voltage Engineering，2004，30（12）：19–22.
[9]陈伯胜.串联电抗器抑制谐波的作用及电抗率的选择[J].电网技术，2003，27（12）：92–95.
CHEN Bosheng.HARMONICS RESTRAINING FUNCTION OF SERIAL REACTOR AND SELECTION OF REACTANCE RATE[J].Power System Technology，2003，27（12）：92–95.
[10]欧阳沙.投切10kV并联电容器的暂态过程研究[D].重庆：重庆大学，2014.
OUYANG Sha.Study on the Transition Process of Switching 10kV Shunt Capacitor Banks[D].Chongqing：
Chongqing University，2014.
[11]段雄英，廖敏夫，丁富华，等. 基于真空断路器的并联电容器组相控投切装置[J]. 电工技术学报，2007，22（10）：78-84.
DUAN Xiongying，LIAO Minfu，DING Fuhua，et al.Controlled va-cuum circuit breaker for shunt capacitor banks[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2007，22（10）：78-84.
[12]]楊庆，张照辉，席世友等.相控断路器投切10 k V并联电容器的应用[J].高电压技术，2016，42（6）：1739-1745.
YANG Qing，ZHANG Zhaohui，XI Shiyou et al.Application of 10kV Switching Shunt Capacitor Banks with Controlled Vacuum Circuit Breakers[J].High Voltage Engineering，2016，42（6）：1739-1745.