選相控制器在魯西換流站的應用

曹俊龍 曹 亮 鄒榮盛

（中南電力設計院，武漢 430071）

選相控制器在魯西換流站的應用

曹俊龍 曹 亮 鄒榮盛

（中南電力設計院，武漢 430071）

在電力系統中，投切電容器或者空載投入變壓器時會產生涌流，將對設備產生不良影響或引起保護誤動作，而選相控制器通過選擇合適的投切角度能有效削減涌流、減小暫態沖擊。魯西換流站安裝有14臺變壓器及14組交流濾波器，全站共配置了28臺選相控制器。本文介紹了選相控制器的基本原理，并結合魯西換流站的實際接線分析了其輸入、輸出回路。針對在站系統調試中出現的問題提出了對應的解決思路，為后續工程中選相控制器的應用提供了參考方法。

選相控制器；涌流抑制；與操作箱配合；參考電壓

在電力系統中，當操作開關設備時，特別是對無功設備（如電抗器、并聯電容器組、空載線路）進行投切時，可能產生危及電力設備的電磁現象，如過電壓和劇烈的涌流等暫態沖擊，其嚴重程度與合閘相角有關[1-3]。

此外，鐵心磁滯曲線的非線性使變壓器在空載合閘時會產生勵磁涌流，勵磁涌流可能會造成變壓器差動保護等繼電保護裝置誤動作。通過控制合閘時間，在鐵心中的預感應磁通與剩磁相等時投入變壓器，可以避免鐵心飽和，有效地抑制勵磁涌流幅值[4-5]。

為了解決上述問題，選相控制器應運而生。選相控制器是一種用于斷路器合/分閘相位控制的智能型控制設備，它可以針對不同使用對象選擇暫態沖擊最小的相位完成開關的合閘操作，減小合閘過程所產生的涌流沖擊或暫態過電壓，近年來在換流站中應用較多[6]。

魯西換流站位于云南省曲靖市羅平縣羅雄鎮，西北距曲靖市直線距離約94km。一期工程中建設1個常規直流背靠背換流單元，額定功率為1000MW，同時建設1個柔性直流背靠背換流單元，額定功率為1000MW。云南側和廣西側交流場共有7回500kV出線，交流濾波場建設5大組共14小組交流濾波器，每小組容量為 110Mvar。魯西背靠背換流站是目前世界上已建的柔性直流換流單元容量最大的項目，且站內既有常規直流又有柔性直流的協調控制模式也屬第一次。

為減小投切濾波器、空載投入換流變壓器、聯接變壓器時涌流的影響，魯西換流站內共裝設有28臺選相控制器，從而減小涌流對主設備的沖擊、保護主設備，為系統的安全穩定運行提供保障。

1 選相控制器基本原理

眾所周知，斷路器從接收到合閘命令再到動靜觸頭結合需要一定的時間，稱之為固有合閘時間。當斷路器在沒有選相控制器時進行合閘，斷路器會在交流電壓的任一角度下合閘。圖1中斷路器在A點接收到合閘指令，經過固有合閘時間Tg后，在C點合閘成功，而在C時刻電壓較高，存在過電壓的風險。

圖1 選相控制器基本原理

選相控制器的基本原理是，控制斷路器在交流電壓或電流的過零點合閘，從而減小沖擊。

圖1中，若選相控制器在A點接收到合閘命令，則裝置啟動元件動作，進入涌流抑制程序。選相控制器暫保留此合閘命令并考慮斷路器的固有操作時間，對各種因素所造成的延時（如溫度、控制回路電壓、靜置時間等）進行補償。裝置參照最近的一個電壓過零點（D點）經合理延時后，在B時刻將控制命令發送至斷路器合閘線圈，以保證設備合閘時暫態沖擊最小[6]。

選相控制器的典型接線如圖 2所示[7]。選相控制器接入電源側PT電壓，接入受控支路CT電流，此外斷路器的輔助接點也被接入裝置。隨著斷路器使用次數的增加以及操作電壓、環境溫度、SF6壓力等外部條件的不同，其機械性能將發生變化，將對斷路器的合閘時間將產生影響。因此，在有條件的情況下，可以接入環境溫度、操作電壓等外部參數。除此之外。斷路器的預擊穿特性也會對合閘時間產生影響[9]。

圖2 選相控制器典型接線

合/分閘時間若存在較大離散性，則將對選相裝置預測斷路器分/合角度產生影響。為了提高預測精度，選相控制器配有自適應補償元件。

自適應補償元件是通過記錄三相合位、跳位開入端子立即回采斷路器分合位置，或通過交流采樣元件的電流端子立即回采電流波形，記錄此次開關操作開關分合的時間，得出與預定目標分合閘時刻的偏離值并在下一次開關操作中補償掉此時間差，提高下一次選相分合閘的精度。

由于系統的A/B/C相電壓/電流間存在120°相位差，因此，為達到對設備沖擊最小、產生的涌流最小的目的，選相控制器輸出是分相的，從而控制每一相的沖擊或涌流都最小。

2 選相控制器在魯西換流站中的應用

魯西換流站為每一個小組濾波器開關配置一臺選相控制器，選相控制器安裝在小組濾波器保護屏內；為每一臺換流變/聯接變的500kV邊斷路器和中斷路器各配置一臺選相控制器，其中邊斷路器的選相控制器安裝在測控屏A內，中斷路器的選相控制器安裝在測控屏B內。

全站共配置28臺選相控制器，采用深圳國立智能電力科技有限公司產品，裝置型號為SID-3YL。

2.1 選相控制器在魯西換流站的實際接線

以云南側第一大組第二小組濾波器為例，結合選相控制器的實際接線分析其具體應用。

圖 3中裝置 1X為小組濾波器保護裝置，10X為選相控制器，兩者共同安裝在小組濾波器第一套保護屏內。由圖3可以看出，選相控制器需接入小組濾波器的支路電流，實際接線為其電流輸入串接于小組濾波器保護裝置之后；其參考電壓（電源側電壓）從大組濾波器母線電壓互感器箱引接。對于小組濾波器這類容性負載，支路電流（受控側）作為分合閘時間測量基準，電源側電壓作為實現角度控制的計算基準。

圖4中裝置1X為測控裝置，10X為選相控制器，將兩者共同安裝在第二串測控屏 A1內，第二串接有換流變壓器。由圖4可以看出，選相控制器需接入受控側的支路電流，實際接線為其電流輸入串接于測控裝置之后；其參考電壓（電源側電壓）取自500kV母線IM電壓，實際接線是從第一串測控屏 A1并接而來。對于變壓器這類感性負載，考慮斷路器輔助接點參考時間的不穩定性，因此要接入受控側電壓作為分合閘時間測量基準[11]，受控側電壓實際接線從換流變進線PT端子箱引接。

圖3 選相控制器電流、電壓回路（小組濾波器）

圖4 選相控制器電流、電壓回路（換流變壓器）

魯西換流站的控制系統采用雙重化配置，若其中一套控制系統故障或退出時可以切換至另一套正常的控制系統。因此，將本站選相控制器設計成可以接收來自測控屏A和測控屏B的分/合閘命令。

由圖5可以看出，來自測控屏的手分、手合命令經過10KK切換把手選擇后進入選相控制器。

當切換把手在“投入”位置時，①-②，③-④，⑤-⑥接點接通，不帶時間選擇的手分/手合命令接入選相控制器（JIK5-4，JIK5-5），經過其內部邏輯判斷，將三相聯動的控制命令分解為A/B/C單相的出口分閘命令（JK3-8，JIK3-10，JIK3-12）或合閘命令（JK3-2，JIK3-4，JIK3-6）送至操作箱，從而獨立地控制斷路器每一相在理想時刻分閘或合閘，減少對設備、系統的沖擊。

當切換把手在“退出”位置時，①-②，③-④，⑤-⑥，接點被接通，測控屏發出的手分/手合命令不經選相控制器直接進入操作箱的手動控制回路驅動斷路器進行分閘/合閘操作，此時斷路器三相一起動作，且動作時刻是隨機的，因此，操作可能產生過電壓或涌流沖擊。

圖5 選相控制器控制回路接線

2.2 選相控制器在魯西換流站應用出現的問題

1）選相控制器與操作箱的配合問題

目前國內操作箱手動控制回路的開入都是三相一個分或合命令；分相跳閘命令是由外部保護裝置開入的，分相合閘命令是由外部保護裝置開入的重合閘命令。因此在實際接線中，選相控制器的輸出分/合閘命令（分相）接入操作箱的保護跳閘/合閘出口處。

魯西換流站調試期間，在做選相控制的分/合閘試驗時（手動操作），其發出分閘命令后各相開關在不同時刻分開并達到預期目標，但是運行人員發現操作箱上的跳閘燈亮起，后臺上報事故總SER信號。此試驗為運行人員手動操作，操作箱不應點亮保護跳閘燈，不應上傳SER報警信號。

2）選相控制器的參考電壓選擇問題

魯西換流站的廣西側交流場采用 3/2接線，其中第一串接入 500/35kV降壓變和換流單元一的換流變壓器，如圖6所示。

圖6 廣西側交流場第一串接線示意圖

由圖6可以看出，選相控制器取了一路外部電壓（IM電壓）作為參考電壓，通過內部邏輯判斷從而控制斷路器各相在理想相位分/合，選相控制器還取了一路電壓（換流變進線電壓）作為受控電壓，通過其波形作為分合閘時間測量基準。

對于Q11斷路器的選項控制器，其參考電壓取自1M的電壓互感器；對于Q13斷路器的選相控制器，其參考電壓取自2M的電壓互感器。

對于中斷路器 Q12同時連接有降壓變和換流變，因此，存在以下工況：

（1）Q11斷路器檢修停運時，降壓變由退出運行狀態轉為投入運行狀態，此時需要投入Q12斷路器，選相控制器需要接入電壓互感器-TV2的電壓作為參考電壓。

（2）Q13斷路器檢修停運時，換流變由退出運行狀態轉為投入運行狀態，此時需要投入Q12斷路器，選相控制器需要接入電壓互感器-TV1的電壓作為參考電壓。

由于現行選相控制器輸入的參考電壓均只能接入一路，因此，對于第一串的主接線形式就要為中斷路器要配置2臺選相控制器，分別用于投入降壓變和換流變時的涌流抑制。

在實際運行中，為同一臺斷路器配置2臺選相控制器既增加了運行維護工作量、設備采購成本，且在監控后臺發出的控制命令需要明確操作對象是降壓變還是換流變，增加了控制系統的額外邏輯判斷。

3 解決思路

3.1 選相控制器與操作箱配合問題的解決思路

通過圖5及前文的分析可以看到，選相控制器的分相出口命令接到操作箱的保護跳閘和合閘回路處。因此，手動操作的分/合閘命令經過選相控制器后并沒有接入操作箱的手動操作回路，KKJ繼電器沒有勵磁，操作箱無法判斷是保護動作還是經選相控制器的手動命令。因此，出現了操作箱點亮跳閘等及上報事故總的信號。

針對上述問題，主要解決思路是，選相控制器除發出分相的分/合控制命令外，還應提供一副信號接點接入操作箱的手動操作回路，以區別選相控制器出口命令與保護出口跳閘命令，從而解決操作箱點燈和上報告警信號的問題。為避免后續工程中出現類似問題，應要求選相控制器輸出該信號接點。

本工程中，設備已經采購并安裝完成，選相控制器的硬件回路不能改動。遵循上述思路，讓控制系統發出操作命令時提供了2付接點，其中1付接點接入選相控制器作為其命令輸入，另1付接點接入操作箱的手動回路驅動KKJ繼電器，用以區別保護裝置的出口。

3.2 選相控制器參考電壓問題的解決思路

對于500kV配電裝置采用3/2接線方式，某一串接入的2個電氣元件可能都需要采取抑制涌流的措施，因此，中斷路器需要配置2臺選相控制器。針對上述問題，提出如下解決思路：中斷路器的選相控制器接入2路電壓，根據運行方式能自行選擇其中1路作為參考電壓，剩下1路作為受控電壓。設圖6中TV1的電壓值為U1，TV2的電壓值為U2。建議后續的選相控制器內部增加電壓判斷邏輯：

1）若 U1＞0，U2=0，則此時選擇 U1作為參考電壓。

2）若 U1=0，U2＞0，則此時選擇 U2作為參考電壓。

3）若 U1＞0，U2＞0，則表明主接線中的兩個元件均已帶電，此時操作中斷路器不存在涌流，裝置功能不投入。

對于魯西換流站第一串的主接線，在增加上述參考電壓選擇邏輯后，中斷路器只需要配置1臺選相控制器，后臺無需判斷是操作降壓變還是換流變從而發出2組控制命令，并且降低了設備配置成本、減少了運行維護工作量。

4 結論

1）介紹了選相控制器的基本原理，通過選擇分/合閘時間點，降低了合/分閘時的涌流沖擊。

2）介紹了選相控制器在魯西換流站的應用情況，并結合實際接線分析了選相控制器的電流、電壓及控制回路。

3）針對魯西換流站在設計、調試過程中出現的問題，提出了解決思路，為后續選相控制器的設計使用提供參考意見。

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Application and Improved Ideas of Controlled Switching Devices in Luxi Converter Station

Cao Junlong Cao Liang Zou Rongsheng
(Central Southern China Electric Power Design Institute,Wuhan 430071)

In the power system,inrush current will appear while closing/opening breakers of capacitor or closing a no-load transformer.The inrush current may cause protection device a incorrect action or harmful effections to primary equipment.By closing/opening breakers at a appropriate phase angle,the controlled switching device can reduce the inrush current effectively.14 transformers and 14 AC filters are installed in LuXi converter station,and for the purpose of reducing inrush current 28 controlled switching devices are installed.In this paper,the basic principle of controlled switching device is introduced,and the application and input/output circuit of the device based on detailed design diagrams is also analysed.For the problems occured in the station system commissioning,ideas of solution are presented in the paper.The improved ideas will provide reference methods for the application of controlled switching devices in the future engineering.

controlled switching device; inrush current impression; coordination with operating box; reference voltage

曹俊龍（1988-），男，碩士，工程師，主要從事變電站、換流站工程設計工作。