董辉波，王明君

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211111）

0 引言

近年来，光伏电站、风电站大量并网，直流换流站大规模建设，柔性输电技术大量应用，这些厂站对于系统中高次谐波异常敏感，换流变、变压器、交流滤波器组、高压电抗器在投切瞬间，会产生较高幅值的励磁涌流和过电压，产生大量高次谐波，会对系统造成较大冲击，严重威胁安全运行［1-3］，高次谐波还容易导致交流滤波器电阻元件的损毁，引起高压直流换相失败［4-5］或柔性输电厂站、光伏并网厂站谐波保护误跳闸。为了抑制断路器过电压、励磁涌流、高次谐波，普遍采用选相控制技术进行合闸操作，该技术可从原理上抑制合闸涌流及过电压［6-14］。合闸时间通常随着环境温度、操作间歇时间、控制电压、气体密度和储能水平等变量改变而发生变化［15-17］，这些量可以单一发生改变影响合闸时间，也可以多个发生改变而影响合闸时间。为了准确获取这些参数对合闸时间的影响，通常在安装调试选相控制器时，需要预先搭建负载的测试平台，接入各类传感器并对开关做大量的试验以求获取准确的参量值与合闸时间的关系，并预先输入选相控制器作为补偿量。但这种操作有两个重要的缺陷，一是每个断路器机械特性是不同的，如果要获取精确的补偿曲线，势必对大量断路器进行测试，导致工作量巨大；二是，在运行一段时间后，断路器的机械特性逐渐发生改变，导致合闸时间发生变化，原测试数据失效，为避免合闸时产生过大的涌流，需要定期进行试验，对参数进行修正［18］。本文针对上述情况提出了一个解决问题的思路，即通过调整一次设计和改进选相控制装置的方式，有效减少测试工作量，同时有效减小合闸时间变化导致的励磁涌流。

1 选相合闸原理

通常情况下，电力系统中的断路器为随机分合闸，并伴随涌流和电压波动。断路器选相分合闸技术（Controlled Switching）是指通过一定的手段使断路器动、静触头在系统电压波形的指定相角处分合，使电力设备在对自身和系统冲击最小的情况下投切入电力系统的技术。选相合闸技术能够大大降低分合闸操作暂态过程中的过电流和过电压，从而延长电力设备的寿命和提高整个电力系统的稳定性。选相控制装置取基准电压为参考，在收到控制系统给出的合闸命令后，根据目标合闸角度、预击穿时间Tpre、断路器机构合闸时间Tcls、合闸回路延时Tclslag，计算出合适的时间发出合闸指令，图1 给出了选相合闸过程的时序原理图［19-20］。

图1 选相控制流程Fig.1 Phase selection control process

合闸回路延时Tclslag，目前常用的选相控制器多采用IGBT出口，精度高、速度快，从控制CPU发出信号到IGBT 闭合可以控制在ns 级别，该延时对最终的合闸目标角度的影响极小。

断路器合闸时间Tcls，预击穿时间Tpre，具有一定分散性，很难保证断路器在预设的角度关合，因此在实践中，需要考虑分散性对选相合闸效果的影响，很多测试也是针对分散性展开的。

2 断路器合闸时间补偿方式的缺陷分析

通常，断路器合闸时间随着环境温度、控制电压、机构油压、SF6气压、机构间歇时间等参量的改变而产生变化。在掌握上述各参量对断路器固有动作时间的影响量后，装置可以通过增配外部参量传感器监视外部参量实时值，并通过预置补偿曲线插值计算，得出断路器动作时间在当前实时条件下因诸多参量变化产生的偏差，以实现对固有动作时间的预期修正。

表1 是某站断路器一段时间内的合闸时间变化，可见一段时间后，断路器的合闸时间发生明显的变化，变化值超过3 ms，这对控制励磁涌流和过电压十分不利。

表1 某变电站某相断路器合闸时间表Table 1 Closing schedule of a phase circuit breaker in a substation

外接环境变化导致合闸时间变化，可以通过接入各类传感器，在一定程度上使得选相控制器可以获取较为精确的补偿参数，能提高控制精度，但具有一定的弊端：

1）在投入运行前，需要针对每种补偿参数预先做大量的测试，以保证获取精确的补偿曲线。由于各供应商断路器参数的不一致性，且即使同一供应商，断路器参数也存在较大的不一致性，这种测试需要搭建复杂的测试环境，不仅工作量大，通用性也差。

2）每种补偿参数测试时，一般均假设其它参量是不变的。但实际运行时，对断路器合闸时间的影响却是几种参数变量的综合影响。

3）断路器长期放置后，断路器机械特性会发生一定的变化，造成补偿曲线失效。

4）液压机构要在断路器本体上安装液压传感器，需要加装采集口，逆止阀等设备，破坏了机构的完整性，一旦发生泄漏，将对安全运行带来极大风险。

5）环境温度传感器的选址要避免受到阳光照射、雨雪、冰冻等天气影响，对安装位置选址要求高。

6）机构间歇时间可以模拟测试，但使得整个测试周期非常长，通常静止测试的最长时间在1 000 h以上［21］。

3 现场应用的改进思路

3.1 一次设计的改进

在一次受控元件与断路器之间，增加一组隔离刀闸，同时改变反馈电压互感器TV的安装位置，见图2、图3（以一次受控元件为变压器为例），在合断路器时，不实际合闸于变压器，方便先获取断路器合闸时间，通过此合闸时间计算与预设合闸时间的误差，用此误差值决定投入何种程度的补偿。

图2 3/2接线改进后主接线方案图Fig.2 3/2 Diagram of main wiring scheme after wiring improvement

图3 双母线接线改进后主接线方案图Fig.3 Diagram of main wiring scheme after double bus wiring improvement

3.2 选相控制装置的改进

目前的选相控制装置需输入断路器关合时间定值，同时设置有自适应功能。当“自适应补偿”功能投入时，装置将根据断路器最近动作偏差不断修正目标点偏差，且修正幅度可通过修改系数定值“自适应修正系数”进行设置，自适应修正系数可设置为0%～100%修正。

实际运行中，断路器合闸时间偏差在声明的离散度±1 ms以内时，可不做自适应修正。当断路器合闸时间偏差超出±1 ms时，可认为断路器特性发生改变，此时可以采取如下措施：1）调整断路器合闸时间定值；2）采用自适应修正的方法实现跟踪。为灵活选择修正度，可对选相控制器做如下改进：1）每次合闸操作后，由选相控制装置自动计算出本次合闸时间与设置定值间的偏差值；2）选相控制装置增加10个开关量输入，输入后可实现在10%～100%之间以10%级差进行偏差修正。10 个开关量可在控制屏内设置压板或操作把手，方便运行人员的灵活操作。

3.3 控制流程的改进

一次设计和选相控制装置改进后的操作流程如图4：

图4 控制流程的改进Fig.4 Improvement of control process

1）选相合闸前，检查变压器侧隔离刀闸在分位，选相控制装置参考电压正常；

2）通过控制系统选相合闸，此时断路器仅合于反馈电压互感器TV 上，并未实际合闸于变压器，即使断路器机械特性发生了变化，也不会产生大的涌流；

3）读取选相控制装置计算的偏差值，根据需求投入偏差补偿压板；

4）合上主变侧隔离刀闸，通过控制系统再次选相合闸，此时选相控制装置按补偿后的合闸时间合闸，可避免因机械特性发生较大变化时合于非理想角度，产生涌流。

通过采用改进后的设计方案和控制流程，搭建测试环境进行测试，设置A、B、C 三相合闸角度分别为90°、540°、540°，即A 相先在基准电压90°位置合闸，B相、C 相25 ms 后在基准电压180°位置合闸，合闸时间根据前期测试的断路器合闸时间设置，A、B、C相合闸时间分别为52.3 ms、53 ms、53 ms。首次合闸后，由于环境变化导致断路器机械特性改变，断路器实际合闸时间与设置时间有偏差：A 相实际合闸时间56 ms，偏差3.1 ms，B、C 相实际合闸时间55.8 ms，偏差2.8 ms，合闸波形如图5。

图5 首次合闸波形Fig.5 Waveform of first closing

合闸时间与预设偏差较大，不更改预设的断路器合闸时间，投入100%补偿，进行第二次合闸，装置自动对偏差进行补偿，本次断路器实际合闸时间与设置时间偏差如下：A 相实际合闸时间53.8 ms，偏差0.5 ms，B、C 相实际合闸时间53.9 ms，偏差0.4 ms，合闸波形如图6，考虑断路器合闸时间本身具有一定离散性，实验结果符合预期，说明采用改进后的设计方案和控制流程，可以增加合闸于目标角度的准确性，不需要再对断路器特性进行单独测试，减少了现场工作量。

图6 补偿后合闸波形Fig.6 Closing waveform after compensation

4 结语

选相控制技术的应用，减小了换流变、变压器、电容器等设备的合闸涌流，有效减小了对系统的冲击，避免了元器件损坏和因谐波导致的误停电。但由于断路器机械特性受到温度、液压、气压、静置时间、控制电压的影响，会发生一定的变化，为避免这种变化影响涌流控制，需要试验获取各参数跟合闸时间的关系曲线，花费大量人力物力，同时还需要每年做试验修正，不可避免地带来重复试验和人力物力耗费。按照本文提出的改进后的一次设计方案和选相控制装置，只需要在每次合闸前先空合一次断路器，获取当时条件下断路器的合闸时间，再投入偏差压板，可以避免重复大量试验获取补偿曲线，由于合闸时间按当前运行条件获取，准确度较高，可以有效减小涌流，而且可以节省人力物力和重复试验工作。