泉城1000kV变电站并联电容器组断路器选相控制器配置及二次接线

二次接线

摘要：交流特高压变电站三次侧无功补偿专用断路器动作次数多、关合涌流高、开断电流大，若断路器投切时刻选择不当将产生较大的涌流冲击、重击穿现象破坏设备绝缘，导致事故发生。选相控制器是一种智能型控制设备，能够选择在暂态冲击最小时刻投切断路器。本文通过分析并联电容器组投切的暂态过程，得出断路器最佳合分闸时刻，再结合泉城1000kV变电站扩建工程，对其电容器组保护屏中采用的ABB公司Switchsync PWC600选相控制器控制策略、功能配置及二次接线进行分析，为后续工程起到示范性的作用。

关键词：选相控制器；交流特高压；并联电容器；合闸涌流；过电压 1. 引言

由于特高压线路的充电功率大，随着系统运行方式的改变，线路潮流在较大范围内发生改变，因而特高压输电系统中的无功盈亏有较大幅度的变化，需要足够的无功调节手段，当前通过特高压变电站三次侧自动投切的电容器和电抗器加以调节是无功调节中的一种常用手段。通常特高压变电站电容器组电压较高、容量较大且投切频繁，若电容器组专用断路器投切时刻选择不当将产生较大暂态涌流冲击及过电压，将危及电力设备安全，并且大大降低专用断路器的使用寿命。

大量研究表明，电容器组投切的暂态特性与断路器合分闸时系统的电压、电流初相角有关，通过控制断路器合分闸时参考电压或电流的初相角，不仅能够有效地削弱相关电磁效应，而且可以省掉合闸电阻等辅助设备，降低系统成本。针对这类情况，选相合闸控制器，一种用于断路器合分闸相位控制的智能型开关装置已逐渐走向实用化，在特高压变电站中得到了广泛的应用。

选相控制器是一种实现断路器在分、合闸操作时定相位控制的智能型控制设备。相较于传统断路器测控装置采用随机分合闸命令的不同，选相控制器在断路器合闸操作时，可以选择暂态冲击最小的相位，以抑制合闸过程中的涌流冲击和暂态过电压；在断路器分闸操作时，能减少分闸过程中断路器的重燃电弧、重击穿过电压次数，延长断路器设备的维护周期和使用寿命。

在最合适的相位进行合分闸操作，才能最大限度地抑制涌流与过电压，因此最佳投切相位的准确性将作为判断选相控制器可靠性的核心因素之一。本文首先对投切电容器组暂态过程进行分析，以明确初相角最佳的投切时间，再结合泉城1000kV变电站扩建工程，对其电容器组保护屏中采用的ABB公司Switchsync PWC600选相控制器控制策略、功能配置及二次接线进行分析，为后续工程起到示范性的作用。 2. 随机投切电容器组暂态过程分析

选择合适的时刻进行分合闸是选相分合闸装置能否发挥作用的关键。因此，首先应该通过分析随机投切电容器组暂态过程来确定选相分合闸装置的理想时刻。 2.1合闸暂态过程分析

假设合闸时母线电压为

通过公式（4）（5）分析：电容器暂态过电压略大于稳态相电压幅值，合闸涌流一般不超过2倍稳态相电流幅值。

由上述公式比较分析可知，在初相角过零点时合闸，暂态过电压与合闸涌流的幅值均小于初相角在90°时的幅值。所以，选用选相控制器使断路器在母线电压过零点时合闸可大大抑制电容器组投入时的暂态过电压与合闸涌流。 2.2 分闸暂态过程分析

电容器组执行分闸操作时，断路器分闸工频电流过零熄弧后，三相电路通过电缆对地电容形成相间振荡回路，在断路器容性负载侧产生自由振荡电压作用于断路器断口处，产生高频高幅的断口暂态恢复电压。若暂态恢复电压大于介质绝缘恢复强度，则断路器断口会发生重燃现象，断路器触头的介质绝缘恢复强度与触头间的开距成正相关关系，即在同样的恢复电压作用下，如果开距足够大，暂态恢复电压难以超过断路器的介质绝缘强度，就会大大降低分闸重燃概率。

通过电容器投切暂态过程可以分析出，电容器组选相合闸最佳投入时间应该选择在母线电压过零点处；选相分闸最佳投入时间应该选择在断路器工频电流过零之前，以保证断路器的介质绝缘强度大于暂态恢复电压。 3.选相控制器控制策略

泉城1000kV变电站本期新增6组110kV电容器组，均采用ABB公司Switchsync PWC600选相控制器，本章根据PWC600装置的说明书，结合相关文献，对选相控制器的原理、功能配置进行分析整理，供后续工程参考借鉴。 3.1 选相合闸控制原理

断路器合闸的整个过程为从断路器接受合闸命令开始到断路器动触头向静触头移动直至动静触头完全机械接触。使用选相控制器后，由上节可知，可以控制断路器在交流电压的过零点合闸，保证冲击最小。但是断路器的机械特性、断口绝缘特性等会影响断路器合闸时间，产生合闸相控误差。采用选相控制器后一次断路器的合闸时间见公式（6） 式中：T0为理想合闸时间

T1为介质时间，对断路器合闸过程及介质强度的离散性进行补偿 T2为补偿修正时间，对温度、控制回路电压等因素造成的延时进行补偿

T3为预计穿时间，实际合闸时间（即从发出合闸命令到电流出现）短于发出合闸命令到触头刚合的时间

T1和T3可以根据断路器型号，查阅相关断路器技术文档获得，T2可以根据选相控制器内部算法进行整定。由于断路器机构合闸离散特性及预计穿特性可能导致的电压峰值附近合闸问题，T1将整定为晚于理想合闸时刻的某一时刻。

电容器组投入的控制策略为：泉城站电容器组以110kV母线上线电压UAB为参考电压，当UAB过零时这两相的相控断路器立即动作，将这两相的并联电容器组同时投入运行，此时并联电容器组中性点电压为投入运行的前两相电压的平均值，经过270°后，中性点和第三相同时过零，此时投入第三相电容器组，即实现了三相电容器组在电压初相角过零时的合闸策略，这将大大降低电容器组投入时的合闸涌流。 3.2 选相分闸控制原理

选相分闸最佳投入时间应该选择在断路器工频电流过零之前，以保证断路器的介质绝缘强度大于暂态恢复电压。 式中T0为理想分闸时间

T3为由于发生重燃重击穿现象的燃弧修正时间 T4为目标燃弧时间

选相控制器通过采集电压、电流模拟量来探测分闸过程中断路器的重燃和重击穿现象，如果发生会增加1~3ms的修正时间；采集T4时间根据选相控制器厂家提供，在50Hz的工作频率下，最小燃弧时间为4.5ms，最大燃弧时间为6.5ms。

电容器组切除的控制策略为：泉城站电容器组以110kV母线上线电压UAB为参考电压，三相电流IA、IB、IC取自单组电容器本体CT，假设以B相电流为参考，将B相开关触头分离时刻控制在某个工频电流过零点后2~3ms内，如图3中的t1时刻，经过燃弧时间（tarc）后在t2时刻被开关。t2时刻同时也是C、A两相断路器触头分离时刻，此后C、A两相电流大小相等、方向相反，经过1/4工频周波后在t3时刻同时过零开断。

图3 相控断路器选相分闸示意图 4. 选相控制器功能配置

由于断路器在实际的运行中常伴有系统及环境参数的变化从而导致最佳选项分合闸时间的不同，选相控制器配置了自适应补偿功能，包括基于位置回采的自适应功能、基于电流回采的自适应功能，即在完成一次断路器分合闸操作后，将实际分合闸时间与选项合闸时间进行对比，其结果有助于优化下一次分合闸时间。

同时，选相控制器具备实时补偿功能，主要用在只投入受控分合闸功能且不投入自适应补偿功能情况下，根据设置的定值来计算过零点至分合闸命令之间的等待时间，实时补偿主要包括控制回路电压、环境温度、断路器弹簧储能等，以上参数需由一次设备厂家提供或现场运行操作的积累。

选相控制器也有能力通过断路器分合闸次数、电弧接触的烧灼、喷嘴的侵蚀估计断路器的寿命。

5. 选相控制器二次接线

依托泉城1000kV变电站采用的PWC600选相分合闸装置对其设置及相关二次接线进行介绍。选相分合闸装置与电容器小组断路器操作箱共同组屏，其相关二次接线主要包括工作电源、电流电压信号、断路器位置信号、分合闸指令等基本二次接线。 5.1 选相控制器工作电源

图5 选相控制器电流电压信号二次接线

选相控制器的参考电压信号采用110kV母线上AB相间电压，电流信号采用单组电容器组本体电流互感器端子箱三相电流以作为分合闸完成判据，在接受到控制系统随机分合闸命令后，根据预期的断路器动作时间完成选相逻辑运算，在恰当的时刻输出受控分合闸指令至断路器分合闸线圈，实现断路器定相位投切。另外电流信号也需接至故障录波装置中。 5.3选相控制器分合闸指令

选相控制器设置了1QK切换开关，由它来实现同期/非同期功能选择。由图6、图7和图8可知，当1QK切至“同期”位置时，1-2和5-6接点导通，3-4和7-8接点断开，无功设备测控屏开出分合闸命令经选相控制器在整定相角发分相分合闸命令到断路器机构，不需经过断路器操作箱的操作回路，当1QK切至“非同期”时，1-2和5-6接点断开，3-4和7-8接点导通，测控发出的分、合闸命令未经选相控制器而直接发至断路器操作箱，经过操作回路后开出分相分、合闸信号至断路器机构。泉城1000kV变电站在每组并联电容器组中串联了一组电抗器，当1QK切至“非同期”时，串联电抗器可以有效地限制涌流。 图7 选相控制器分合闸出口二次接线图 图9 选相控制器告警信号二次接线图 6.结论

交流特高压变电站电容器组电压等级高、容量大、投切频繁，需要配置选相控制器以延长断路器设备的维护周期和使用寿命。本文通过对电容器组投切时的暂态分析总结出：电容器组选相合闸最佳投入时间应该选择在断路器在母线电压过零点处；选相分闸最佳投入时间应该选择在断路器工频电流过零之前，以保证断路器的介质绝缘强度大于暂态恢复电压。并依托于泉城1000kV变电站工程选用的选相控制器，简要介绍其分合闸控制策略、功能配置及二次接线，对于今后的工程设计起到了一定的指导作用。 参考文献：

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