断路器选相分合闸技术在扎鲁特换流站中应用实践研究

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换流站配置的交流滤波器组在合闸瞬间可能会产生数倍于正常工作电流的合闸涌流，其大小与合闸瞬间的电压相位有关。之前的解决方案之一是在断路器的触头并联一个合闸电阻以限制暂态冲击，但是在合闸之前先接入电阻再进行合闸，从设备制造成本及后期维护角度来讲，存在一定局限性。文献[1-3]均指出了加装合闸电阻的局限性以及取消合闸电阻的可能性。断路器选相分合闸技术(controlled switching，CS)通过一定手段使断路器动、静触头在系统电压波形的指定相角处分合，使电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投切入电力系统。目前该技术已广泛应用于110 kV及以上的滤波器组、电容器组、空载线路、空载变压器、电抗器等，换流站的小组交流滤波器投入时也普遍采用此技术。

下面论述了CS技术原理，分析±800 kV扎鲁特换流站换相合闸装置在实践中的应用，通过对比分析不同型号交流滤波器的三相合位产生时间的离散性，推论出不同型号的小组交流滤波器对选相合闸装置过零点的影响，最后通过录波图验证这种推论的正确性，为其他工程采用该装置提供应用参考。

1 CS技术原理

断路器选相分合闸装置通过实时采集断路器带电侧母线PT电压，随机接受来自控制系统的三相合分闸命令，并在合适的电压处，经过适当的延时发出分相的分合闸命令。选相分合闸装置根据外部环境参数对断路器机构的动作特性影响进行补偿，并考虑到现场实际开合过程的燃弧和预击穿特性，使断路器总能在预定的电气相位进行实际分合，有效避免随机分合所造成的暂态过电压、过电流，从而减少对系统、设备的冲击[4-7]。目前市场采用的成熟装置包括ABB 的CAT系列、Switchsync系列、西门子的PSD系列、国立智能SID-3YL、南瑞PCS-9830系列等产品。

图1 断路器选相合闸过程

图1是西门子断路器选相分合闸装置PSD工作过程示意图[8]。从图中可以看出：PSD装置收到控制系统下发的分合闸指令后(对应图中①)，通过采样测量断路器所连母线电压，在一定时间内(该时间定义为过零识别时间，大概在2个周波内)确定系统电压过零时刻(对应图中②)，再经过一定的时间延时(对应图中③，该延时时间长短取决于控制回路电压补偿、环境温度补偿及静止时间补偿，补偿后得出相对精确的开关合闸时间，误差控制在0.5 ms范围内)向断路器分合闸线圈下发分合指令(对应图中③)，而后实现电压在近似过零点时对应断路器电流流动开始时刻(也即预放电开始电压开始时刻)合闸，此时合闸过程对系统冲击最小。图2为直接接地系统单相电容器组的原理图，其中C为电容器组总电容，L为负载电感。

图2 电容器组选相合闸原理

在断路器动触头与静触头接触瞬间，系统中暂态过程的电路方程为

(1)

对式(1)计算微分运算可得：

(2)

求解式(2)，可得

+Asin(ωδ+α+φ)

(3)

式中：

同理，当Uc(0+)=0时，可得到合闸瞬间的电压。

(4)

式中：α为合闸时电源的初相角；Um为电源电压峰值。

由i3及Uc(t)计算可知，关合电容器组时，合闸涌流幅值与电压初相角有关，当在α=0附近进行预放电，将会减小其暂态过程，合闸涌流也会大幅度减小，能够有效降低合闸涌流对设备及电力系统的影响。

下面对其他两相合闸过程进行分析。图3是向直接接地的电容器组合闸充电过程示意图。

图3 直接接地电容器组选相合闸

从图中可以看出，电容器组直接接地系统合闸过零点选择相对简单：开关A相过零点后，C相过零点时刻与A相相差T/6(即3.33 ms)；B相过零点时刻与A相相差T/3(即6.66 ms)。而在实际应用过程中，B相、C相过零点的选择不仅仅与A相的相位有关，同时和负载性质、负载接线方式等也相关。容性负载合闸选择电压过零点，感性负载选择电流过零点，变压器合闸还需考虑剩磁的影响；当电容器组不接地时A相合闸后，C相合闸时需考虑到A相电压的影响，其零点选择理论上在A、C相电压叠加和为0处，B相零点选择在A、B、C相电压叠加和为0处，所需要的时间间隔相较而言会更长。图4是容性负载在不接地系统合闸示意图。

图4 不接地电容器组选相合闸

从图4中可以看出：B相过零点合闸后，C相合闸在B、C相电压叠加过零处，A相合闸在三相电压叠加过零处。

在换流站配置的交流滤波器组接线更为复杂，电容器组往往串联电抗器、电阻等负载来滤除谐波，合闸过零点的选择相对更为复杂。

2 PSD在实践中的应用

±800 kV特高压扎鲁特换流站配备了20组小组滤波器，共4种型号，包括SC、HP24/36、 HP3、BP11/13，合闸时均采用PSD合闸同期装置，其接线如图5至图8所示。

图5 SC主接线

图6 HP24/36主接线

图7 BP11/13主接线

查看断路器合闸时的故障录波，扎鲁特换流站交流滤波器场断路器合闸次序均按照A相→C相→B相的次序进行，对其中3种接线方式下断路器三相合位产生间隔时间进行统计，如表1所示。表中，以A相产生合位的时刻为0时刻，分别统计10次C相与A相时间间隔TC-A、B相与C相时间间隔TB-C。

图8 HP3主接线

次数HP3TC-ATB-CBP11/13TC-ATB-CHP24/36TC-ATB-C14.21.34.45.53.03.023.90.53.95.82.62.534.71.04.14.41.92.343.70.74.75.61.72.354.50.43.45.32.12.062.91.43.96.32.31.974.21.34.75.62.03.284.71.24.94.91.72.894.11.14.64.11.82.5104.11.34.46.22.22.6均值4.101.024.305.372.132.51

按照PSD装置说明书，在电容器组直接接地系统中：C相滞后于A相的合闸时间为3.33 ms(角度相差60°)，B相滞后于C相3.33 ms(角度相差60°)。排除断路器不同相合位产生时刻的干扰因素，从表1中10次统计数据的平均值可以看出：不同接线方式下PSD选相合闸装置计算电压过零点以及选相合闸时间有一定差异。为验证此结论，查看了全部调试期间PSD装置内开关合闸录波，截图如图9所示。

图9 选相合闸过程录波

从图9中可以分析出：断路器A相在PSD装置接收到合闸命令38 ms后，检测到交流母线A相电压过零点，而后再延时96 ms PSD装置向断路器合闸线圈开出高电平，经过157 ms发生预击穿。对带电调试期间PSD装置选相合闸录波中发生预击穿时与电压过零点角度偏差进行统计，数据取30次断路器合闸时角度偏移的平均值，如表2所示。

表2 断路器预击穿时刻与电压过零点角度

从表2中数据可以看出，不同类型的交流滤波器组合闸角度与母线电压过零点存在一定的偏差，偏差角度与交流滤波器的接线形式有一定的联系。

3 结 语

通过选相合闸装置PSD在扎鲁特换流站交流滤波器合闸中的应用分析，推论出不同型号交流滤波器在选相合闸过程中电压过零点的差异，并利用PSD装置内的录波图论证了推论的正确性。下一步将结合不同型号滤波器的参数及其接线形式，从原理上推导PSD选相合闸装置电压过零点的理论值。