基于接触器控制的电容电抗器组投切方案

刘成学，黄棋悦，严 楠

（1.库柏（宁波）电气有限公司，浙江 宁波 315300；2.宁波职业技术学院，浙江 宁波 315800）

0 引言

随着经济的不断发展，电网容量也在逐渐扩大，其中无功负荷的需求在逐年扩大，波动也日益频繁。为了满足电力系统无功的需求，往往采用并联电容器组和电抗器组进行无功补偿，以保证电力系统的稳定运行[1]。

现代电网采用高度自动化的方式运行，其中无功补偿主要通过AVC（自动电压无功控制）系统进行控制，根据线路无功功率的波动自行投入和退出运行。电网的无功功率变化频繁，电容、电抗器组的投切频率很高，其投切主要通过真空断路器来实现[2]。真空断路器具有结构简单、开断能力强、可频繁操作等优点，但因其较强的开断能力，会在开断小电流时发生截流现象，从而导致投切过电压[3]。该过电压轻则导致保护装置误动作，重则使断路器烧毁，进而影响电网的安全稳定运行，造成较大的经济损失。电容、电抗器组的投切困境一直是电力系统急需解决的问题[4-6]，国内外专家针对这一困境，提出了安装相对地和相间避雷器、RC（电阻-电容）保护法和选相投切技术等方案。这些方案都在不同程度上能够减轻投切过电压、降低故障发生的可能性，提高系统的稳定性[7-8]，但由于无法从根本上消除投切过电压，因此仍存在一定的运行风险。

本文提出了一种基于接触器控制的电容电抗器组投切方案。分析了投切过电压产生的机理，并以此为理论基础，设计了基于接触器控制的投切方案。在电容电抗器组中性点短接回路加装真空接触器，通过控制接触器的分合，接通或断开中性点短接回路，实现对电容电抗器组的投入和退出操作。建立PSCAD 仿真模型，模拟投切时的暂态和稳态过程，获得无功补偿效率及暂态波形，验证了所提方案投切的可靠性和经济性。

1 过电压机理及治理

针对电容、电抗器组投切过电压的产生，国内外专家学者进行了大量的研究和仿真工作[9-10]，如今主流的过电压产生机理有截流过电压和复燃过电压2 种。

1.1 截流过电压

工程中采用断路器投切电容、电抗器组，而断路器一般被设计用来切断短路电流。电容、电抗器组的负荷电流远远小于短路电流，因此，在断路器投切时，由于其过强的开断能力，可能导致电弧在自然过零点之前就熄灭。这种电弧提前熄灭的现象称为截流。截流过电压与截流电流值、电抗器电抗值和杂散电容等诸多因素有关[11]。

1.2 复燃过电压

复燃现象是断路器开断过程中的常见现象。当断路器灭弧室的绝缘水平超过恢复电压时，断路器正常开断电流。而当灭弧室的绝缘水平低于恢复电压时，断路器发生复燃。这种复燃，会产生高频的振荡电流流经断路器，而断路器又将该振荡电流切断，该切断过程又将重新引发复燃现象。因此，多次重复的复燃现象会使得振荡电流的电压值不断攀升，进而产生很高的过电压。这样的复燃过电压幅值和频率都很高，威胁着电力系统的安全稳定运行[12]。

为治理普遍存在的电容电抗器组投切过电压问题，国内外学者进行了大量的研究和仿真工作，主要的对策有采用RC 阻容装置保护方案、采用电力电子开关投切方案和断路器选相投切方案等。

1.3 RC 阻容装置保护方案

将电阻和电容串联，构成RC 阻容装置，根据需求将该装置安装在母线侧或避雷器侧。理论上RC 阻尼装置接入回路后，改变了回路的电气参数，增加了系统对地电容，进而有效降低过电压的幅值，对断路器起保护作用。其还能够通过电阻阻尼作用降低高频震荡时的频率，保护系统安全稳定运行。

1.4 电力电子开关投切方案

随着电力电子技术的不断发展和完善，通过在常规开关上并联晶闸管阀体开关来实现电容、电抗器组的无扰动投入与退出，能够精确地控制电抗器在过零点投切，避免过电压的出现。该方案一方面能够延长电抗器组与开关的寿命，并且能够实现频繁投切；另一方面还具有运行损耗小、节能效果明显，可模组化设计和工程改动量小等特征。

1.5 选相投切方案

选相技术由选相分合闸装置控制断路器在理想的分、合闸角度下对负载实现投切。通过实时采集电源侧PT（电压互感器）信号作为选相基准信号，并同时将接入受控侧的回采电流和电压信号作为分合闸完成判据，进而实现断路器在设定相位的投切操作。该技术还可用于控制电容器、电抗器、变压器和长线路等各种负载的投切。

2 投切方案介绍

第1 节研究了过电压的产生机理，并举例说明了传统的过电压解决方案。然而，这些方法在不同程度上存在着不足，如RC 阻尼保护装置存在回路负载、设计繁琐和只能被动吸收过电压的缺陷；电力电子开关投切方案造价高昂、高电压等级的投切技术并不成熟；选相投切技术的长期可靠性、运行后分合闸时间的离散性变化需要更进一步的研究。

为了解决投切过电压对电力系统的威胁，降低可能的经济损失，本文提出了在电容器电抗器中性点短接回路加装接触器，通过控制接触器的分合，接通或断开中性点三相短接线，从而控制电容器电抗器的投切方案。该方案能够较好地解决投切过电压对电力系统的威胁，并极大地降低了可能造成的经济损失。方案原理如图1 所示（以电抗器为例）。

图1 接触器投切方案原理

图1 中，QFA，QFB，QFC分别为断路器，将电抗器组与电网相并联；LA，LB，LC分别为电抗器；QKA，QKB，QKC分别为投切接触器。

传统方案投切电容、电抗器组时，采用断路器QF 直接投切的方式。投切过电压的产生会威胁电力安全稳定运行，而基于接触器控制的投切方案采用控制接触器的分合，接通或断开中性点三相短接线，从而控制电容器电抗器的投切方式。当系统正常运行时，断路器QF 闭合，接触器QK 断开，此时电抗器组L 回路不接地，处于断开状态，电力系统没有无功补偿；当电力系统产生无功不平衡时，接触器QK 闭合，电抗器组L回路导通，无功补偿回路接入电力系统中调节系统无功平衡；当电抗器组L 或者接触器发生故障时，断路器QF 断开，切除故障，以保证电力系统安全稳定运行。

传统投切方案采取断路器投切电容、电抗器组。由于负荷不断变化，断路器动作十分频繁，反复的投切过程极大地影响了断路器的工况及使用寿命，进而威胁电力系统稳定。基于接触器控制的投切方案采用接触器投切电容、电抗器组，投切过程断路器保持闭合状态。当接触器发生短路故障时，为保证电力系统稳定运行，断路器动作，断开无功补偿回路，其动作频率相比传统方案大大降低。反复的投切工作只会影响接触器的工况及使用寿命，基本不会对断路器产生不良影响。而接触器本身价格低廉、可高频率操作、使用寿命长和方便频繁更换，具有较高的经济效益。

3 仿真验证

本文采用PSCAD 仿真软件搭建简单的电力系统模型，验证接触器投切方案在电力系统无功补偿中运行的可行性[13]。电力系统仿真模型设计如图2 所示。

图2 投切方案分析仿真模型

图2 中，三相交流电源为仿真模型提供电能；三相感性负载用于模拟无功波形；电压电流信号检测模块用来测量系统三相电压、电流值；电能计算和波形显示用来观察系统有功、无功波形；断路器投切方案为采用传统断路器投切电容电抗器组实现无功补偿；接触器投切方案为基于接触器控制的投切电容电抗器组实现无功补偿。

3.1 正常投切时的无功

分别在同一仿真模型下，采用不同的投切方案观察无功补偿数据，进行试验仿真。仿真数据如表1、表2 所示。

表1 断路器投切时的仿真数据

表2 接触器投切时的仿真数据

由表1、表2 可知，在无功补偿前，负载的无功缺量大、无功波动频繁，系统功率因数低，需进行大功率的无功补偿。而基于接触器控制的投切方案和断路器投切方案效果基本相同，均能有效地实现系统无功的快速补偿。补偿后的系统无功缺量均降到3 kvar 以下，系统的功率因数达到0.99 以上，具有较高的精确性。仿真验证了所提投切方案无功补偿时的可行性。

3.2 正常投切时的电压电流

采用基于接触器控制的投切方案，观察正常投切时流经接触器的电流值和投切过电压。仿真结果如图3、图4 所示。

图3 切除时暂态电流波形

图4 切除时暂态电压波形

由图3 可知，采用接触器投切电容、电抗器组时，接触器暂态电流值迅速下降至0。由于复燃现象，由图4 观察到暂态电压短暂攀升，经0.1 s 后，复燃现象消失，电压迅速下降至0。经计算，接触器侧暂态电压倍数在1.5～2.5 倍，未发生过电压现象。

3.3 短路故障时的仿真

基于接触器控制的投切方案采用接触器投切电容电抗器组，而接触器熄弧能力弱，无法切除短路电流。当接触器K2或者电容电抗器组2 发生短路故障时，断路器QF2需及时动作，切除故障，以保证电力系统正常运行。进行试验仿真，观察基于接触器控制的投切方案在发生短路故障时的断路器投切过程和系统电流，短路点设置为电容器组2，短路类型为三相接地短路，短路时刻为1 s。仿真结果如图5、图6 所示。

图5 断路器动作状态

图6 输电线路电流

由图5、图6 可知，在发生短路故障时，断路器QF2迅速动作、切除短路故障，断开无功补偿回路；输电线路电流波形仅产生一个小的尖刺后迅速恢复，电力系统仍能安全稳定运行。仿真验证了所提投切方案在发生短路故障时，不会影响系统正常运行，具有较高的可靠性。

3.4 分相投切时的仿真

选相投切是根据负载的特性，控制断路器在电压和电流的最佳相位进行分、合闸操作，从而抑制操作过程中的涌流和复燃现象，以提高电力系统稳定性，减小对电力设备的危害[14-15]。传统断路器投切方案中分相控制策略也可应用于基于接触器控制的投切方案中。仿真验证如图7、图8所示。

图7 选相后暂态电压波形

图8 未选相时暂态电压波形

由图7、图8 可知，采用分相投切时，暂态电压较未采用分相投切时电压的波形更为平缓。仿真验证了分相投切技术在所提投切方案应用的可行性。

4 经济性分析

将真空式断路器与真空接触器从外形尺寸、操作寿命、额定电流、短路电流开断能力和销售价格等多方面进行对比，如表3 所示。

由表3 可知，真空断路器具有开断短路电流的能力，体积大、造价高、可操作寿命短。而真空接触器只需要过负荷的开断能力，体积小、造价低、可操作寿命长。从性价比角度分析，接触器的投切性价比是断路器的30 倍以上。相比于传统真空断路器投切方案，该方案降低了成本、提高了使用效率，具有较高的经济效益。

表3 断路器与接触器性能对比

5 结论

为实现系统频繁的无功补偿，避免断路器因投切而产生的过电压危害，本文提出基于接触器控制的电容电抗器组投切方案。现对所提投切方案总结如下：

（1）在电容器电抗器中性点短接回路加装接触器，通过控制接触器的分合，接通或断开中性点三相短接线，从而实现电容电抗器组的投切。通过接触器间接实现投切功能，避免断路器的过电压产生，保证了系统的稳定性。

（2）建立了PSCAD 仿真模型，对投切方案进行分析研究。稳态方面，无功补偿的精确性较高；暂态方面，暂态波形的迅速畸变不会导致保护误动作；仿真验证了该方案的实际可行性，并分析了投切接触器三相不同步的工作状态，验证了分相投切技术的可行性。

（3）进行经济性分析，计算投切性价比，验证了该方案的经济效益得到了较大的提升。