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1、应用永磁真空同步开关的 低压无功补偿装置颜睿1 ，邵明章2 ，顾翼南3( 1 宝光真空开关有限公司；2 宁波伟隆电器戍套有限公司；3 西安伟隆智能电器有限公司)摘要本文论述了一种全新概念的低压无功补偿装置。由于这种低压无功补偿装置应用了一种新型的电容器投切元件一一永磁真空同步开关，实现了对电容器的同步关合，有效地消除了美合电容器时的涌流，从而大大提高了无功补偿装置运行的可靠性和寿命，降低了能耗。这种低压无功补偿装置已经在全国东西南北各地经受了一年多的运行考验，是一种新型而又实用的节能产品美键词同步荚合永磁机构真空开关自动跟踪无功补偿0 前言电力系统的无功补偿与无功平衡，是保证系统供电质量、降低
2、线损的基本条件。由于中国经济的快速发展，电力供应和能源需求紧张的问题已经成为制约我国经济发展的一个突出问题，目前全国各地已不同程度地出现了缺电和拉闸限电的现象。解决电力供应紧张的问题，除了加快电厂建设以外，采用合理的无功补偿不失为一条有效的途径。无功补偿的重耍性及其解决问题的现实性，己得到了业内共识，许多不同形式的无功补偿装置在电力系统中得到了广泛的应用，但从其使用的效果来看却不尽如人意。特别是运行在0 4 k V 级的无功补偿装置，由于其补偿点多、分布面广、管理难度大的特点，因此，在补偿的准确性、运行的安全性、动作的可靠性、以及维护量的多少、使用寿命的长短等方面t 存在着优劣并存，蟊莠不齐的
3、现状。目前。市场上所使用的无功享 偿装置其投切器件不外乎空气接触器与可控硅两种，其投切的平稳度和使用寿命、能耗难以兼顾。因此提高无功补偿设备运行的可靠性和寿命，降低能耗话关键的问题是选用合适的投切器件。1电力系统对低压无功补偿装置的基本要求低涌流关合电容器、机械开关合闸无弹跳高可靠、免维修，适宜于长期、安全运行。开关元件应具有1 0 0 万次以上的电寿命与1 0 年咀上的工作寿命装置容量大、损耗低低内阻、低操作功具有电能质量检测、数据存储和传输功能摄大限度地满足国内各种不同的使用地点、使用场所的要求，包括户内型与户外型、各种不同大小的容量、高温地区与寒冷地区、简单的单台使用与各种形式的级联等。
4、体积小、重量轻、安装方便由于电容器在不利的电压相位角投入时将产生很大的涌流，这一暂态过程会对电容器组产生冲击从而缩短其使用寿命；同时随着大量电力电子装置的应用，用户对电能质量提出了更高的要求，电容器组投入系统时产生的暂态过程可能会导致一些装置的误动作，为了解决机械开关投切电容器的这一问题，常用的方法是使用合闸电阻或合闸电感，本文介绍了应用永磁真空同步开关在系统电压的指定相位角处投入电容器组，即同步关合技术。由于电容器组投入时的暂态过程与投入时系统电压的相位密切相关，因此同步关合技术可以大大减小电容器组投入时的暂态过电压和涌流。所谓同步关合，又称为选相关合，也就是在指定相位关合机械开关。当同步开
5、关工作时，不论何时接到发送来的控制信号，其动作均同步于电网电压或电流。当操作信号到来时，控制单元保证开关的触头8 精确地在正确位置上合上或断开。这样，理论上可以做到关合特殊负载时完全没有涌流或过电压的产生，从而可以提高电力设备的寿命和系统的稳定性。2 电容器组同步关合基本原理2 j电容器关合暂态过程分析为分析方便，现以单相电容器组为例。图1 ( a ) 所示为单相电容器的接线圈，G 为电源，T 为变压器，电容器组C 经开关C B l 接在母线上。图1 ( b ) 为计算电容器组关合暂态过程的等值电路图，L 为线路及变压器等值电感。( a ) 单相窀容器接线圈G图1根据图1 ( b ) 可列出C
6、 B I 关合时的电路方程为三c 争帆= 酬叭列( 1 )由于c o l L ，则式( 2 ) 可以简化为“c 高U ，s i a ( o 时+ 口) + ( 【，o U 。s i n a )* C O S C O o t 一( 坐艘马s i n 哪t O o由于0 9 0 ，则电容器上出现的过电压值为【o 一2 U - U o ，若U o 与u 。极性相同则电容器上出现的过电压小于2 U 卅，反之若极性相反，则可能出现大于两倍的过电压。关合时的合闸涌流为a u ， f c 。c 吾2 踟c o s ( c o t + a ) 一C o c ) o ( a 1s i nC O o t 。a 2
7、 C O S ( 0 。fJ 2C f 铡c o s ( o 【】t + n ) - c o o A s i n ( c o o t 一8 ) 1式中4 = 厢，8 = 州培n ：口，。由上式可见，电容器的涌流a T 频部分和高频部分组成。工频部分就是电容器中流过的稳态电流，高频部分为暂态电流。由于电路中总有电阻存在，故暂态电流将会很快的衰减到零。一般情况F ，暂态电流频率 。，可能出现的涌流峰值，m 将达到，“= C c o U 。+ C c o o A( 5 )由式( 5 ) 可知，涌流峰值与电容器容量、系统固有参数、电容器上预充电电压c ，。及合闸时刻电源电压相位角a 有关。降低涌流峰值
8、，“，即降低式( 5 ) 中的A 值。A 2 = f 口1 ) 2 + 和2 ，2( 6 )由于( 【) 。 ，故上式r 口2J2 相对值比较小，因此第一项的值的大小是影响J “的主要因素。当U 。- U 。s i n a = 0 ，台闸涌流峰值最小。通过仿真计算得到不同合闸初相角下电容器涌流的波形。如下图所示 L一 I ，v1，rV I 、， V一一00 0 20 叫0 时闻( 5 )( a ) 合闸初相角为0 。 * I，、弋，。tn 1 f I1，一，悄I I f l ，ro I U “ u- Jnf IJJ | f l fl f、厂 fU，、，、1 、 1 fVYII I l U0O
9、0 20 0 40 0 时问( s )( b ) 合闸初相角为4 5 。( c ) 合闸初相角为9 0 。图2、， ，L，l，lfI，l，t04 59 01 3 51 8 02 2 52 7 03 1 53 6 0音搠柄相圈3 合闸初相角与合闸涌流的关系从上图可以看出：当口为0 0 时，涌流的幅值仅为稳态值的1 , 6 倍，且暂态过程较短。当a为4 5 “时，涌流的幅值升至稳态值的3 倍。当口为9 0 ”时，涌流的幅值达到稳态值的4 3 倍，且暂态过程较长，对电力设备的危害较大。当口在0 ”到9 0 ”范围内，涌流的幅值随着口的增大而增大。当a 在9 0 “到1 8 0 0 范围内，涌流的幅值
10、随着口的增大而减小。因此，如果能够控制断路器在口在O ”或1 8 0 “附近关合电容器将大大降低涌流的倍数。2 2 同步关合基本原理采用同步关合技术，即通过预先测量或控制电容器上预充电电压【，来选取电容器投入时刻电源的相位，使得舍闸瞬间电源电压群与电容器预充电电压U ，相等，从而可以有效地抑制甚至消除冲击电流。根据电容器预充电电压值，选相合闸最佳时刻分为以下几种情况：i )电容器预充电电压【厂，小于电源电压的峰值U ，应选取“等于U ，的时刻投入。通常电容器组都接有放电电阻或放电电感，在开关关合时，电容器上的残余电荷旱已放完，U ，= 0 。此时，选择电源电压过零时刻合闸。通过电容器的涌流值为
11、：i c C 玑( c o sc o t + c o s c o o O( 7 )涌流的峰值为2 倍过电流。2 ) 当U c U 。时，这时应在“达到峰值U 。与U c 同极性的时刻投入e 对于U c 【，。的情况，尽管在电源电压“达到峰值时投入仍然会产生涌流，但在这时投入涌流最小。3 ) 当在预充电电压U ，= U 。的情况下进行选相合闸时，a ，= 口，= 0 ，合闸过程中高频暂态电流为零，电容器直接进入稳态运行。因此希望电容器预先充电电压等于电源电压峰值，在峰值时投入电容器，这时将是最理想投入时刻。2 9 155d53525i。轳坻吼。3 永磁真空同步开关一直以来同步关台技术难以实现主要
12、原因是开关合闸时间存在分散性，对合闸时间缓慢漂移的自动修正( 自动跟踪) 、电压发生畸变时零点位置的确定等。而同步关合技术的关键正是动作时间精确，并且要求单极操动，这一点传统的操动机构难以胜任，只有依赖电子操动机构才有可能实现。永磁机构的出现使实现同步关合有了可能。永磁机构是2 0 1 J r 纪9 0 年代末出现的新型操动机构，它的控制技术也是最近几年正在发展中的种技术。永磁机构提供了在闭环控制中实现适应性算法的可能性。这样就能通过对来自温度，老化等干扰的影响进行补偿，实现运动控制，保证动作时间的稳定性。配永磁操动机构的真空开关具有机械部件少、动作时间分散性小、电子操动便于实现等各种控制等优
13、点。由于采用永磁机构，合闸时间精度非常高( 0 2 m s )合闸无弹跳，分闸无击穿机构无锁扣、合分闸均无需保持电流低内阻、低损耗，便于通导太电流运动过程中的速度控制，大大提高开关寿命2 一j i 、| 、一，n ：i，扁臼。j： ：”! “ !一、；-：， 。，一- j 。二。位穆：，：“一? t ” t一，r= 0 + ! 减： 1 。i 。r f 彳l 。￥，二n图4 永磁真空同步开关合闸曲线利用永磁真空开关合分闸的可 莹睦，控胄4 开关的触头在电压零点阕台，在电流零点分离。即首先检测出电流或电压的零点，然后根据此开关的机械特性以及稳定的合分闸时间，精确控制合分闸的动作时刻，让它关合或开
14、断在预定的相位。永磁真空同步开关的寿命远大于空气接触器，且通流能力及抗过压能力非常强，主回路结构相当简单。而且动作时闻快，能适用于负荷变化比较频繁的地方。4 永磁真空同步关合试验验证对于提出的永磁真空同步开关关合电容器控制策略，本文采用E M T P 仿真以及现场关合实验的方法进行了验证。4 1E M I P 仿真系统模型如图5 所示，变电站变压器变比为1 1 0 63 k V ，容量为2 5 M V A ，短路阻抗百分比为1 0 5 。变电站无功补偿电容器组接在低压侧，补偿容量为5 M v a r ，连接方式为星形不接地。用户2 9 2变压器变比6 3 0 4 k V ，容量6 0 0 k
15、V A ，短路阻抗舀分比为6 ，用户负荷3 0 0 k W ，用户无功补偿电容器组连接方式为星形接地，补偿容量为1 5 0 k v a r 。变电站无功补偿电容器组关合采用过零合闸策略控制，图6 为没有控制情况下在电压峰值时刻投入电容器组时暂态电压电流波形由图可知，被关合的电容器上冲击涌流的峰值可达1 2 1 。( 正常运行状态下电流峰值) ，电容器上的变电站用J 口无功午卜瑶 无功补偿电奢器电容器图5 仿真系统示意图过电压达1 鲫。，同时在已投入的用户侧无功补偿电容器中将产生近3 0 倍的涌流，这种由于远端电容器组的投入引起用户侧无功补偿电容器中产生过电流的现象，是由于远端电容器的投入激发了
16、用户侧无功补偿电容器与用户变压器组成的L C 回路，由此引起了振荡。如此大的冲击涌流将严重影响用户侧变压器及电容器的使用寿命。图7 为采用过零合闸策略投入电容器组时出现的最大涌流相的电流及电压波形，冲击涌流值为1 6 5 1 。+ ，电容器组上的电压没有暂态过电压产生，同时对用户侧补偿电容器的冲击也得到了有效的抑制。比较图6 、7 ，我们可以看出在采用同步过零合闸后，冲击涌流大大降低。图6 无控制关合电容器组电压电流波形图7过零控制关台电容器组电压电流波形4 ，2 现场关合电容器组试验验证乖用W L Z 2 型永磁真空开关作为电容器的合闸开关，通过现场关合电容器组对控制方案进行了验证。无功补偿电容器为三角形接法，单相补偿容量3 0 k v a r 。图8 为
