斷路器選相分合閘技術在扎魯特換流站中應用實踐研究

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換流站配置的交流濾波器組在合閘瞬間可能會產生數倍于正常工作電流的合閘涌流，其大小與合閘瞬間的電壓相位有關。之前的解決方案之一是在斷路器的觸頭并聯一個合閘電阻以限制暫態沖擊，但是在合閘之前先接入電阻再進行合閘，從設備制造成本及后期維護角度來講，存在一定局限性。文獻[1-3]均指出了加裝合閘電阻的局限性以及取消合閘電阻的可能性。斷路器選相分合閘技術(controlled switching，CS)通過一定手段使斷路器動、靜觸頭在系統電壓波形的指定相角處分合，使電力設備在對自身和系統沖擊最小的情況下投切入電力系統。目前該技術已廣泛應用于110 kV及以上的濾波器組、電容器組、空載線路、空載變壓器、電抗器等，換流站的小組交流濾波器投入時也普遍采用此技術。

下面論述了CS技術原理，分析±800 kV扎魯特換流站換相合閘裝置在實踐中的應用，通過對比分析不同型號交流濾波器的三相合位產生時間的離散性，推論出不同型號的小組交流濾波器對選相合閘裝置過零點的影響，最后通過錄波圖驗證這種推論的正確性，為其他工程采用該裝置提供應用參考。

1 CS技術原理

斷路器選相分合閘裝置通過實時采集斷路器帶電側母線PT電壓，隨機接受來自控制系統的三相合分閘命令，并在合適的電壓處，經過適當的延時發出分相的分合閘命令。選相分合閘裝置根據外部環境參數對斷路器機構的動作特性影響進行補償，并考慮到現場實際開合過程的燃弧和預擊穿特性，使斷路器總能在預定的電氣相位進行實際分合，有效避免隨機分合所造成的暫態過電壓、過電流，從而減少對系統、設備的沖擊[4-7]。目前市場采用的成熟裝置包括ABB 的CAT系列、Switchsync系列、西門子的PSD系列、國立智能SID-3YL、南瑞PCS-9830系列等產品。

圖1 斷路器選相合閘過程

圖1是西門子斷路器選相分合閘裝置PSD工作過程示意圖[8]。從圖中可以看出：PSD裝置收到控制系統下發的分合閘指令后(對應圖中①)，通過采樣測量斷路器所連母線電壓，在一定時間內(該時間定義為過零識別時間，大概在2個周波內)確定系統電壓過零時刻(對應圖中②)，再經過一定的時間延時(對應圖中③，該延時時間長短取決于控制回路電壓補償、環境溫度補償及靜止時間補償，補償后得出相對精確的開關合閘時間，誤差控制在0.5 ms范圍內)向斷路器分合閘線圈下發分合指令(對應圖中③)，而后實現電壓在近似過零點時對應斷路器電流流動開始時刻(也即預放電開始電壓開始時刻)合閘，此時合閘過程對系統沖擊最小。圖2為直接接地系統單相電容器組的原理圖，其中C為電容器組總電容，L為負載電感。

圖2 電容器組選相合閘原理

在斷路器動觸頭與靜觸頭接觸瞬間，系統中暫態過程的電路方程為

(1)

對式(1)計算微分運算可得：

(2)

求解式(2)，可得

+Asin(ωδ+α+φ)

(3)

式中：

同理，當Uc(0+)=0時，可得到合閘瞬間的電壓。

(4)

式中：α為合閘時電源的初相角；Um為電源電壓峰值。

由i3及Uc(t)計算可知，關合電容器組時，合閘涌流幅值與電壓初相角有關，當在α=0附近進行預放電，將會減小其暫態過程，合閘涌流也會大幅度減小，能夠有效降低合閘涌流對設備及電力系統的影響。

下面對其他兩相合閘過程進行分析。圖3是向直接接地的電容器組合閘充電過程示意圖。

圖3 直接接地電容器組選相合閘

從圖中可以看出，電容器組直接接地系統合閘過零點選擇相對簡單：開關A相過零點后，C相過零點時刻與A相相差T/6(即3.33 ms)；B相過零點時刻與A相相差T/3(即6.66 ms)。而在實際應用過程中，B相、C相過零點的選擇不僅僅與A相的相位有關，同時和負載性質、負載接線方式等也相關。容性負載合閘選擇電壓過零點，感性負載選擇電流過零點，變壓器合閘還需考慮剩磁的影響；當電容器組不接地時A相合閘后，C相合閘時需考慮到A相電壓的影響，其零點選擇理論上在A、C相電壓疊加和為0處，B相零點選擇在A、B、C相電壓疊加和為0處，所需要的時間間隔相較而言會更長。圖4是容性負載在不接地系統合閘示意圖。

圖4 不接地電容器組選相合閘

從圖4中可以看出：B相過零點合閘后，C相合閘在B、C相電壓疊加過零處，A相合閘在三相電壓疊加過零處。

在換流站配置的交流濾波器組接線更為復雜，電容器組往往串聯電抗器、電阻等負載來濾除諧波，合閘過零點的選擇相對更為復雜。

2 PSD在實踐中的應用

±800 kV特高壓扎魯特換流站配備了20組小組濾波器，共4種型號，包括SC、HP24/36、 HP3、BP11/13，合閘時均采用PSD合閘同期裝置，其接線如圖5至圖8所示。

圖5 SC主接線

圖6 HP24/36主接線

圖7 BP11/13主接線

查看斷路器合閘時的故障錄波，扎魯特換流站交流濾波器場斷路器合閘次序均按照A相→C相→B相的次序進行，對其中3種接線方式下斷路器三相合位產生間隔時間進行統計，如表1所示。表中，以A相產生合位的時刻為0時刻，分別統計10次C相與A相時間間隔TC-A、B相與C相時間間隔TB-C。

圖8 HP3主接線

次數HP3TC-ATB-CBP11/13TC-ATB-CHP24/36TC-ATB-C14.21.34.45.53.03.023.90.53.95.82.62.534.71.04.14.41.92.343.70.74.75.61.72.354.50.43.45.32.12.062.91.43.96.32.31.974.21.34.75.62.03.284.71.24.94.91.72.894.11.14.64.11.82.5104.11.34.46.22.22.6均值4.101.024.305.372.132.51

按照PSD裝置說明書，在電容器組直接接地系統中：C相滯后于A相的合閘時間為3.33 ms(角度相差60°)，B相滯后于C相3.33 ms(角度相差60°)。排除斷路器不同相合位產生時刻的干擾因素，從表1中10次統計數據的平均值可以看出：不同接線方式下PSD選相合閘裝置計算電壓過零點以及選相合閘時間有一定差異。為驗證此結論，查看了全部調試期間PSD裝置內開關合閘錄波，截圖如圖9所示。

圖9 選相合閘過程錄波

從圖9中可以分析出：斷路器A相在PSD裝置接收到合閘命令38 ms后，檢測到交流母線A相電壓過零點，而后再延時96 ms PSD裝置向斷路器合閘線圈開出高電平，經過157 ms發生預擊穿。對帶電調試期間PSD裝置選相合閘錄波中發生預擊穿時與電壓過零點角度偏差進行統計，數據取30次斷路器合閘時角度偏移的平均值，如表2所示。

表2 斷路器預擊穿時刻與電壓過零點角度

從表2中數據可以看出，不同類型的交流濾波器組合閘角度與母線電壓過零點存在一定的偏差，偏差角度與交流濾波器的接線形式有一定的聯系。

3 結 語

通過選相合閘裝置PSD在扎魯特換流站交流濾波器合閘中的應用分析，推論出不同型號交流濾波器在選相合閘過程中電壓過零點的差異，并利用PSD裝置內的錄波圖論證了推論的正確性。下一步將結合不同型號濾波器的參數及其接線形式，從原理上推導PSD選相合閘裝置電壓過零點的理論值。