智能無功補償裝置自適應控制技術研究

蔡超 殷建剛

摘 要：本文提出一種基于永磁真空斷路器的智能無功補償裝置方案，能夠實現斷路器的精確控制，根據實時電網信息實現無功設備在最佳相位投切。仿真及試驗結果表明：永磁真空斷路器具有很強的可控性，智能無功補償裝置能夠實現電壓或電流相位的精確捕捉，兩者結合的技術方案能夠完成無功設備最佳時機的投切任務，有效地抑制了無功設備投切過程中的涌流和過電壓暫態。

關鍵詞：永磁真空斷路器；智能無功補償裝置；涌流和過電壓

隨著電網規模的不斷擴大，為實現電壓控制和系統保護等功能，需要配備大量開關設備來投切電容器組、電抗器、變壓器及輸電線路等電氣設備，起到降低電網損耗、提高供電可靠性等目的。傳統的開關基本都采用三相聯動式，動作相位具有隨機性，動作時會產生很大的涌流和過電壓，易損壞設備絕緣性能，由此所 造成的運行事故時有發生，給設備及電網運行安全造成了嚴重的威脅。

為降低這一暫態過程所造成的影響，國內外專家學者開展了大量研究，主要包含兩個方面：一方面是通過提高開關設備滅弧性能或加裝過電壓抑制裝置，增加開關設備開斷能力及減少過電壓幅值。該方法不能從根本上解決問題，受設備自身質量影響較大，投切過程所產生的暫態過程依然明顯；另一方面通過分相投切技術調整開關動作時序，并配合相應控制策略，有效限制開關動作時斷口的電壓及電流變化趨勢，從理論上消除涌流及過電壓，提高設備運行可靠性。相比國外，我國對相控開關的研究起步較晚，已有的應用多集中在高壓領域，如66kV以上電容器、電抗器投切，500kV線路投切等，其使用設備多為國外進口產品。考慮到設備成本，在中壓無功補償領域應用較少，然而由操作過電壓及涌流所造成的中壓無功設備故障時有發生。為解決這一問題，本文提出一種基于永磁真空斷路器的智能無功補償裝置，該裝置尤其較為簡單的結構特性，動作時間分散性較低，同時配合有效的修正控制策略，控制精度在±0.5ms以內，實現了對無功負載投切時機進行精確的控制，抑制合閘涌流，減少分閘重燃的概率，有效提高設備運行可靠性。

1智能無功補償裝置原理

基于永磁真空斷路器的智能無功補償裝置原理，智能控制單元根據當前采集到的電網系統運行信息，根據控制要求，自動判斷無功補償設備投、切狀態需求，并以系統電壓、電流為參考信號，根據負荷類型精確控制開關觸頭在最佳相位關合或分離，實現無功補償設備在電壓或電流的最佳相位投入或切除，減小其投切過程中的暫態涌流和過電壓，改善設備運行環境，延長設備使用壽命，提高電網電能質量和安全穩定運行。

以智能無功補償裝置合閘操作為例，其控制操作時序圖如圖1所示，為外部合閘操作指令輸入時刻，為參考電壓零點，為開關合閘動作時間，為選擇的目標關合相位（三相可以具有不同的目標關合相位），為開關觸頭金屬接觸時刻，為開關各相延遲時間。通過控制的長短，能夠起到修正開關動作時間分散性的目的，使得開關在目標值處合閘。同理裝置分閘操作也一樣，而要實現對不同的負荷特性的靈活的控制，則需要三相斷路器均獨立可控，且在其他條件一定的情況下，斷路器分合閘離散性越小，我們的控制精度越高。

圖1 智能無功補償裝置原理示意圖

2永磁操動機構特性分析

操動機構是開關電器的執行機構，對操動機構的要求一般如下：關合短路電流時要有足夠的機械功輸出（克服由短路電流引起的導電回路電動力及觸頭推斥電動力）；具有保持合閘功能；能自動遙控分閘也能手動分閘；自由脫扣功能等。傳統的高壓開關操動機構主要有：氣動機構、液壓機構、彈簧機構和直流電磁機構。CIGRE曾對高壓開關及其操動機構可靠性進行了兩次世界范圍的調查研究。調查研究表明，開關大部分的故障為機械故障，常見的故障有：彈簧機構的鎖扣故障；液壓機構的漏油漏氮故障；氣動機構的壓縮機、干燥器的故障。彈簧機構分合閘操動啟動后難于進行運動過程中的控制調節。傳統機構由于其工作原理及結構的機械性決定了其不具有高可靠性且可控性低。

本文介紹一種直驅型永磁機構真空斷路器永磁機構的主要零件包括：線圈、鐵芯、永磁體、驅動連接桿、分閘簧，機構中唯一運動的部件是其鐵芯，結構簡單，無其他傳動環節，從而減少了由于中間環節帶來的損耗和不確定性。永磁機構使用永磁體實現合閘保持，當需要進行機構操動時（由合閘位置運動到分閘位置或者由分閘位置運動到合閘位置），線圈通以大小和方向可控的電流，線圈電流產生的磁場與永磁體產生的磁場疊加合成。鐵芯在合成磁場的作用下運動到另一個極限位置，驅動開關完成分合閘操作，之后撤去線圈電流，依靠永磁體將鐵芯保持在新的極限位置。

圖2 電容器選相合閘操作時序

考慮到其他外界環境可能會影響永磁機構的磁路參數和磁化特性，從而影響斷路器動作特性，采用數值分析方法對電容放電勵磁情況下永磁機構動態特性進行建模，得到式（1）微分方程組：

（1）

式中，為永磁機構儲能電容操作電壓；為儲能電容容量；、分別是勵磁線圈電流和線圈電阻；為永磁機構全電磁系統磁鏈；為永磁機構動作時間；為系統運動部件歸算到鐵芯處的質量；為鐵芯位移；為是電磁吸力與電磁系統磁能有關；是運動反力，包括彈簧負載反力和空氣阻力，分別于位移和速度有關；為電磁系統磁能，是和的函數；和分別是線圈工作溫度和環境溫度；為永磁機構功耗；和分別代表線圈的外徑和高度。

永磁機構動態過程歷時時間較短，且電磁系統具有熱慣性，，所以動作過程中的熱變化量（）可忽略不計。永磁機構的動態過程一般分為兩個階段，觸動階段和運動階段。

第一階段：激磁電流從0逐漸增大，由于產生的電磁力沒有足夠大，鐵芯未開始移動，位移和速度=均為零的起磁階段，該階段的永磁機構動態方程為：

（2）

第二階段：從激磁電流增加到某一數值而使得動鐵芯開始運動的時刻開始（設為時刻），直至動鐵芯到達另一極限位置（動作過程結束）為運動階段，該階段的永磁機構動態方程為：

（3）

通過對永磁機構動態過程進行建模分析，可以獲得影響永磁機構動態特性的主要因素有：儲能電容各參量、線圈參數、機械參數等。

電容電壓是影響動態特性的重要因素，電容電壓大小直接影響著線圈電流大小。在相同放電條件下，不同電容初始電壓的機構動態特性不同。

機械參數直接影響著機構的反力特性和運動過程，機械參數除了受溫度等環境參數的影響外，跟閑置時間也有關系。

3 操動機構動作過程自適應修正

永磁機構雖然動作可靠性高、動作時間離散性小，但外界條件仍會影響其動作過程的穩定性，我們需要對永磁機構的操動過程進行自適應修正，以補償環境的影響，優化開關關合及分斷性能，滿足真空開關的理想操動曲線。

圖3永磁機構鐵芯位移自動修正反饋控制系統示意圖

如圖3所示，已IGBT驅動回路的PWM驅動信號作為控制量，傳感器采集永磁機構鐵芯位移作為反饋量，建立基于永磁機構機械系統的反饋控制，用于修正永磁機構的鐵芯運動軌跡與理想的位移控制曲線的差異。

如圖4所示，以IGBT驅動回路的PWM驅動信號作為控制量，傳感器采集線圈勵磁電流作為反饋量，建立基于永磁機構電磁系統的反饋控制，用于修正永磁機構的線圈電流大小與理想的勵磁電流控制曲線的差異。

圖4 永磁機構勵磁電流自動修正反饋控制系統示意圖

文中提到了智能無功補償裝置采用“鐵芯位移自動修正反饋控制”為主，“勵磁電流自動修正反饋控制”為輔自適應修正算法，所研制的永磁真空斷路器動作時間離散性在±0.5mS以內，滿足精確相位控制技術的需求。

4 仿真

為了分析在電源初始相角不同時，開關關合無功電容器在電網系統引起的暫態現象，采用ATP/EMTP電磁暫態仿真軟件對圖6所示的系統進行仿真分析。

圖5為電源初始相角=0和時，開關關合10kV母線上無功電容C1時系統暫態過電壓和涌流波形。從圖中可知，當電壓過零關合電容器時，10kV母線和用戶端400V母線上的過電壓僅為穩態電壓的1.02p.u.，系統關合涌流為穩態電流的1.7p.u.，系統開關操作暫態持續時間短；當開關在電壓峰值關合電容C1時，10kV母線上出現1.75p.u.的暫態過電壓和8.6p.u.的涌流，同時引起用戶端400V母線上出現放大了的2.18p.u.過電壓。因而，開關在電壓過零關合電容器組可以有效地減少涌流和過電壓，同時能抑制過電壓在低壓用戶端的過電壓放大現象。

圖5 仿真系統示意圖

圖6給出上述仿真模型不同角度關合電容器時的電流和電壓仿真波形。

（a）時關合電容C1的過電壓 （b）時隨機關合電容C1的涌流

（c）關合時10KV母線過電壓 （d） 關合時10KV母線涌流

（e）關合時400V母線過電壓 （f）關合時400V母線涌流

圖6關合電容器電壓與電流仿真波形

在關合電容器組時，開關在目標相位關合的準確度決定能否取得預期關合效果。表1為關合系統中10kV母線上補償電容器組時，開關關合相位誤差導致的過電壓和涌流。從表中可知，關合相位誤差越大，對應的相位控制關合抑制涌流和過電壓暫態效果越差。

表1 開關關合相位誤差與系統電磁暫態

5 試驗

為驗證基于永磁真空斷路器的智能無功補償裝置在現場的應用效果，在湖北東津220kV變電站搭建如圖7所示的的電容器組投切平臺進行試驗。

試驗斷路器是由東44（普通真空斷路器）和東試44（相控斷路器）兩個斷路器串聯組成，在試驗過程中先讓東試44斷路器在電容器投切過程中始終處于合位，用東44斷路器投切電容器10次，再讓東44斷路器在電容器投切過程中始終處于合位，用東試44斷路器投切電容器10次，完成電容器投切效果對比試驗。東44開關關合，合閘過程中產生較大的涌流和過電壓；東試44開關相控關合電容器，合閘過程電流、電壓波形平滑，涌流和過電壓得到較好的抑制；該電容器20次投切試驗數據測量結果顯示采用普通斷路器（東44）關合電容器時產生涌流最大可達到6.07 p.u.，過電壓最大可達1.70 p.u.；采用相控斷路器（東試44） 關合電容器時的涌流抑制在1.18 p.u.以內，過電壓抑制在1.17 p.u.以內，涌流和過電壓抑制效果明顯。

圖7 投切電容器組效果檢測試驗方案示意圖

6 結語

本文提出一種基于永磁真空斷路器方案的智能無功補償裝置，并從原理、仿真和現場試驗三個角度驗證方案的可行性。該智能無功補償裝置方案應用于中壓無功補償回路中無功設備的投切，對抑制投切涌流和過電壓暫態，改善無功設備投切環境，提高設備及系統安全穩定運行產生積極的作用。

參考文獻：

[1] 楊慶，歐陽沙，司馬文霞，等.真空斷路器快速合-分閘操作10kV并聯電容器的過電壓機理[J].高電壓技術.2014（10）：3135-3140.

[2] 杜寧，關永剛，張景升，等.40.5kV真空斷路器開斷并聯電抗器的過電壓防護[J].高電壓技術.2010（02）：345-349.

[3] 張科，陳守聚，盧明，等.限制投切高壓電動機產生過電壓的試驗研究[J].高電壓技術.2001（06）：63-64.

[4] 安韻竹，文習山，張婷婷，等.SF_6斷路器預擊穿引起并聯電抗器合閘過電壓的原因及防護措施[J].高電壓技術.2013（01）：75-80.

[5] 郭麗娟，梁小冰.10kV電容器組切換在用戶側產生的電壓放大現象[J].電網技術.2003（02）：21-24.

[6] 丁富華，鄒積巖，段雄英.相控開關的最佳投切相位研究[J].高壓電器.2005（06）：408-411.

[7] 林功平.配電自動化與10kV智能化開關[J].電力系統自動化.2002（11）：70-72.

[8] 錢家驪.相位控制高壓斷路器的動向[J].高壓電器.2001（01）：38-40.

[9] 段雄英，廖敏夫，丁富華，等.相控開關在電網中的應用及關鍵技術分析[J].高壓電器.2007（02）：113-117.