同步关合技术在无功补偿系统中的应用研究

黄敏 陈晶晶

摘 要：本文对无功补偿装置开关合闸时产生的过电压、涌流以及谐波进行了精确的定量分析，并在此分析的基础上推导出无功补偿装置同步关合的时序。对无功补偿电容器的同步关合进行了仿真，仿真结果表明同步关合技术能够有效抑制无功补偿装置合闸过程中的过电压、涌流和谐波，从而改善电能质量。

关键词：同步关合；无功补偿；电能质量；操作过电压；涌流

目前，我国的智能电网事业已进入全面建设阶段，加快配电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现突破和应用是这一阶段工作的目标。同步关合技术作为智能电网的关键技术理应在国内得到推广和普及。所谓同步关合技术是指断路器动、静触头在控制系统的控制下，在系统电压波形的指定相角处关合，使得空载变压器、电容器和空载线路等电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投入电力系统的智能控制技术。该技术大大降低了合闸操作暂态过程中的过电流和过电压，从而大大提高电力设备的寿命和电力系统的稳定性。

1 投入电容器暂态对电能质量的影响

在电力系统中，无功补偿电容器是通过高压开关投切的。然而，传统的高压开关动作时，电网电压相位是随机的，当投入无功补偿电容器时会在系统中产生的高的过电压和大的浪涌电流，向电网注入大量的低次谐波，降低了电力系统的供电质量，并可能对开关等用电设备造成损坏。电容器投入产生的过电压和涌流的大小，与合闸时电网电压的相位有关。下面，将通过理论计算来分析过电压和涌流与合闸时电网电压相位之间的关系。

断路器投入电容器的等效电路如图1所示。图中，u（t）为电网电压，QF为断路器，L为线路等效电感，R为线路等效电阻，C为电容器。

由（3）、（4）二式可绘制出系统在不同合闸相位时的过电压和涌流曲线，如图2、图3所示。

从图2、图3中可看出，系统过电压和涌流在合闸时电源电压相角（∈[0，π/2]内随（递增。若在电源电压相角为0时合闸，则系统过电压和涌流最小，分别为1.03p.u.和1.99p.u.；若在电源电压相角为π/2时合闸，则系统过电压和涌流最大，分别为2p.u.和8.96p.u.。由此可看出，电容器的投入对系统电能质量的影响程度与合闸时电源电压相角（有着密切的关系。若想尽量减小电容器投入对电网产生的冲击，就应当在电压过零点关合断路器。

2 无功补偿装置的同步关合

同步关合技术的主要思想是以电网电压或电流为参考信号，根据合闸命令时的电网信息和开关负类型，控制开关触头在最佳相位关合，以减小开关合闸操作时暂态过程对电网和设备的冲击，提高系统的可靠性。将同步关合技术应用到无功补偿裝置中，能大大降低合闸操作暂态过程中的过电流和过

电压，不仅改善了电能质量，而且大大提高了电力设备的寿命。下面将通过一组10kV无功补偿电容器的投入过程来加以分析。

在我国电力系统中，变电站主变10kV侧多为三角形连接，无功补偿电容器多采用中性点不接地的星形连接，接线图如图4所示。

按照电压过零时投入冲击最小的原则，在图3所示的系统中，应当在uAB=0时同时关合QFA和QFB。合上QFA和QFB后，相当于uA作用在A、C两相电容器串联而成的电容器上，此时，以B点为参考节点，中性点O点电压为：

考虑到三相断路器合闸的同期性，k值应尽量取小。

3 同步关合技术应用实例

2011年在湖北省电力公司荆州纪南220KV变电站智能化改造中，采用了6套基于同步关合技术的开关设备——“GLS-200系列智能相控断路器”。GLS-200系列智能相控开关设备适用于35kV及以下中压系统电力电容器、电抗器等特殊负荷支路的投切控制。该系统采用操作电容箱为断路器线圈提供直流电源，开关驱动单元实现永磁真空断路器的分合闸控制，并通过软件动态补偿（PID闭环控制）确保断路器分合闸动作精度控制在±0.5mS以内。主控单元和驱动单元采用高速光纤互连，通讯链路采用纯硬件控制，分合闸传输命令延时固定在0.025±0.015ms范围内，很好的解决了实时性和可靠性的矛盾。驱动单元将断路器的状态数据回采给主控单元，主控单元将其存储到SD卡中，通过工程维护软件提取录波文件可以分析断路器分合闸过程中的机械特性以及主回路电压电流变化情况，方便了解相控断路器的控制精度和控制效果，较少运维工作量。系统还设计了完善的控制回路自检功能，实时在线对主控单元与驱动单元连接的光纤通道，以及驱动单元与开关本体的驱动回路进行监控，回路断线等异常工况可以自动上传至监控系统，实现了断路器同步关合的智能化。

4 结语

将同步关合技术应用于无功补偿系统，能够实现降低暂态过程中的涌流、过电压和谐波，提高了电网安全运行水平和电能质量，同时也延长了设备使用寿命和检修周期。基于同步关合技术的智能相控断路器还能把开关状态实时传送到监控系统中，为开关的状态检修提供数据，将运行维护检修工作从“被动检修”变成“自动检测”，可以极大地提高运行效率。