基于优化选相投切的中低压配电网并补装置过电压抑制方法研究

何 龙，朱咏明，刘 荣，刘 俊

（1.国网新疆电力有限公司 昌吉供电公司，新疆 昌吉 831100；2.安徽正广电电力技术有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

目前，国内中、低压配电网在线路中普遍使用并补装置进行无功补偿，以维持系统的电压稳定[1]。频繁投切并补装置带来的过电压问题会影响到电力设备和电网的安全性，为此有必要对过电压问题进行抑制，研究并联补偿装置的投切过电压具有重要的工程实际意义。

针对并联并补装置投切暂态过程产生的暂态涌流和过电压现象，工程上一般都采用在断路器上预插电阻、安装氧化锌避雷器、使用无重燃真空断路器等方法来抑制并联产生的暂态过电压问题[2]。预插式电阻通过阻尼效应降低振荡，可以抑制投切并补装置时引起的暂态过程，但会使得断路器开关更加复杂，成本更高，提高了前期系统和后期维修的成本。加装氧化锌避雷器抑制过电压法是利用氧化锌非线性伏安特性进行能量泄放，降低过电压幅度，达到对并补设备保护的目的，能够有效减少断路器操作过程中产生的暂态过程，降低过电压、涌流对电网的影响，但不能从根本上解决开关操作过程中的过电压问题。利用无重燃真空断路器也能有效够降低过电压，但是由于断路器的特性，在技术上很难保证断路器不会再重燃。IEC 国际标准要求不重燃断路器的重燃率不超过2%，但在2%的重燃率下，仍然会对断路器和电容器等电气设备造成绝缘损坏。从经济发展的角度来看，选择合适的时机投切并补装置进行过电压抑制是最好的解决方法[3]。

为此，文章提出一种选相投切的方法，在考虑真空断路器重燃、截流以及机械分散性等条件下，研究能够避免过电压的最佳时机，为真空断路器制定最优投切策略，丰富并联并补装置投切过电压抑制方法，为提高电力系统电能质量提供有用的参考。

1 并联补偿装置投切过电压机理

1.1 电容器投切过电压

当并补装置为电容器组时，投切等值电路如图1所示。

图1 并联电容器组的等值电路

图1 中，U(t)为电源电压，L 为系统等效电感，DL 为投切电容器的断路器，C 为并联电容器组。假定在断路器开关合上前，电容器上的初始电压为0 V。根据基尔霍夫电压定律（Kirchhoff's Voltage Law，KVL）和初始条件，等效电路投切过程的动态方程为

投切过程中引起的电流和过电压幅度与电源的初始相位角度相关，均处于范围内。实际工程中，三相断路器在三相同步合闸时不可能完全同步合上。在三相断路器合闸的一瞬间，电容器组无法形成一个回路，而在第二相断路器合闸的一瞬间则会产生一个回路，此时情况又分为2 种。

电网中，电容器组在使用三角形（△）接线的情况下不会发生暂态过电压现象。若电容器组为Y 型接线，则此时第一相、第二相构成了回路，系统回路的等效电动势为，第一相和第二相之间的过电压为，因此单相电容器的过压大小为。将第三相的断路器合闸后，已经有残压留存在第一相和第二相的电容器上，如果其中某个电容器上有反向性的最大残压，此时星形接线方式的过压大小可达到。由此可知，电容器组采用Y接线方式比采用△接线方式造成的暂态过压幅值更大、影响更严重。

当电容器接入电网后，U(t)中含有的高频因子因为回路中电阻的消耗慢慢衰变至无，电容电流和电压的表达式为

电路中断路器的重燃会使切出电容器组时产生暂态过电压现象。当断路器在同时断开电容器组的情况下，投切产生的涌流由电容器残余电荷引起。断路器触点之间的重燃很可能导致断路器在开断电容器组时产生暂态过电压，如果采用三相同步开关的断路器，将补偿装置的剩余部分电荷排出，但是这些电荷在短时间内不能被清除，将在设备上产生直接的剩余电压[4]。同时，断路器触点上的电压恢复速率比断路器的电弧绝缘强度恢复快，开关间隙极易发生二次击穿，即重击穿暂态过电压现象。

1.2 电抗器投切过电压

当并补装置为电抗器时，投切等值电路如图2所示。

图2 并联电抗器投切等效电抗电路

图2 中，QF为断路器，Ly为电源的电感，Cy为电源的电容，Lx为传输电缆线路上的电感，L1为电抗电感，C1为电感并联电容，R1为电感并联电阻。

并联电抗器等效回路以电容、电感为主，这种回路的电压电流不能突变，截流必然引起剧烈的电磁振荡。忽略阻尼作用，根据能量守恒定律可推导出单相电抗器截流过电压的估计值。

当截流为I0时，在发生截流现象的瞬间，储存在电抗中的电磁能量为

假设此时线路上产生的瞬时电压为U0，则在电容中储存的静电场能量为

电抗所在回路中的总能量为

在截流发生后，利用电路中的总能量对电容器进行充电，将其转换为静电场的能量。在CL上出现的最值电压（即线路的最高过电压）可以表示为

电磁振荡的频率可以表示为

上述算法没有考虑线路上产生的损耗，将线路参数看作电容和电感串联的等值回路，将负载2 侧产生的浪涌电压看作等幅度振荡，电磁能量在一瞬间全部被转化为静电场的能量。但是在实际线路中会有所损耗，过电压幅值比估算的数值小，回路中的各个元件参数和截流幅值的大小在一定程度上影响着截流过电压的大小[5]。

如果考虑阻尼的作用，其品质因数为

由此可以看出，真空断路器截流值越高、杂散电容越小，截流过电压越高。三相系统的截流过电压更加复杂，但其原理基本相同。

2 基于选相投切的过电压抑制方法

选相投切就是针对不同性质的负载，调整断路器在最佳电流相位或电压相位处实现分合闸操作，进而控制燃弧时间，增大触头开距，提高触头间隙的绝缘介质强度，可以有效消弱断路器在开断电容器组时引起的暂态电磁效应，进而减小电磁暂态冲击。

当投切电容器组时，影响过电压大小的因素主要有断路器投入和切出瞬间的相位、串联电抗器的大小以及补偿电容器本身的大小等。根据这些影响因素，采取必要的措施来达到抑制投切时暂态冲击现象的效果。此外，控制断路器投入切出电容器组的相位时，因为三相电压存在相位差，所以需要分相考虑。将相位转换为将断路器投入和切出的时间，则可以通过时间来控制投入和切出电容器组的相位角[6]。

假定系统电源电压为Um，投入时电容器2 侧A 相的电压为UA、B 相的电压为UB、C 相的电压为UC，电力系统频率为50 Hz，根据三相电源电压相差120°可以得到各相的电压为

取UAB=0，电容器A、B 两端的过电压为

若再保证UCN=0，电容器C 两端的过电压才最小，即

3 算例分析

搭建真空断路器分闸并联电抗器过电压仿真模型如图3 所示。

图3 真空断路器分闸并联电抗器重燃模型

投切后，不采取任何选相方案时所产生的过电压与过电流波形如图4 所示。

图4 投切产生信号波形波形

不选择相角投切电容器组时，系统中电容器侧的过电压最大可以达到50 kV，这和系统电压35 kV相比有很大的增长，这样的过电压对系统和电气设备的绝缘性能都有很严重的危害。系统在投入电容器组时产生的暂态电流高达1.67 kA，振荡过程持续的时间比较长，暂态过程对电力系统、电力设备也有着严重影响，因此要研究选相投切最优策略来抑制这种严重的过电压，以免影响电力系统的安全性和稳定性。

考虑三相联动和真空断路器重燃问题，配置A、B 相电压相等适合投入电容器，在不同时刻合闸，结果如图5 所示。

图5 选相方案下过电压和过电流幅值

先找到A、B 相电压相等的时刻，在这一时刻将A、B 两相同时投入，此时UAB=0。再经过1/4π 周期，UC=0，也就是0.005 s 后将C 相投入系统，这样投入电容器组产生的过电压和过电流是最小。类似地，在ABC 三相同时，在B 相电流过零点时切除电容器，发现此时的过电压最小。

4 结 论

针对普通真空断路器随机投切电容器带来的过电压问题，在分析选相投切基本原理的基础上，考虑断路器重燃及其机械分散性等影响，提出一种相控投切优化策略，搭建了三相并联电容器相控投切仿真模型，通过实验数据验证了提出的相控投切最优策略。任意在模型中输入断路器投切的时间，智能相控开关都可以在最优投切策略下进行电容器组的投切实现，验证了最优策略的可行性。