容性设备合闸电阻投入和退出控制方法与流程

本发明涉及容性设备合闸涌流抑制领域，具体涉及一种容性设备合闸电阻投入和退出控制方法。

背景技术：

在高压直流输电工程中，大容量的容性设备例如电容器和交流滤波器等被用于无功补偿，达到提高功率因数和改善电能质量的目的。大容量容性设备在接入电网瞬间会产生幅值大、频率高的合闸涌流，经常引发被接入的容性设备故障，断路器炸裂及保护误动作等问题，严重危害电力系统的安全稳定运行。

为限制关合电容器和交流滤波器等容性设备的合闸涌流，给断路器装配选相合闸装置或合闸电阻成为近年来常用的两种方法。选相合闸技术是通过控制断路器的关合时刻，抑制合闸涌流对交流系统和设备本身的冲击。但是选相合闸技术对于控制合闸的时间精度要求很高，当选相合闸装置的参数设置不当时，合闸涌流的抑制作用被大幅度削减，严重情况下甚至会引发交流电压扰动和换相失败。

合闸电阻技术则通过在容性设备投入的瞬间同时也投入合闸电阻，通过合闸电阻限制合闸涌流的幅值，降低对系统和设备的冲击，合闸电阻在投入一定时间后退出。然而研究表明受机械装置及合闸电阻本身质量的影响，已经发生多起合闸电阻未能有效抑制涌流的事故。同时，当选取的合闸电阻的阻值较大时，合闸电阻退出也会引起涌流，其幅值甚至超过不加装合闸电阻条件下可能出现的最大涌流。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种容性设备合闸电阻投入和退出控制方法，能够有效对投入容性设备产生的合闸涌流进行有效抑制。

一种容性设备合闸电阻投入和退出控制方法包括以下步骤：

步骤s001，确定合闸电阻的阻值r，根据容性设备本身的参数以及容性设备所应用的电力系统的电压等级，合闸电阻的阻值控制在400ω～1500ω；

步骤s002，确定合闸电阻投入的时刻，当断路器收到随机合闸指令后，等待电源母线电压过零，电源母线电压过零的时刻即为合闸电阻投入的时刻；

步骤s003，确定控制器收到合闸指令到合闸电阻投入的时间；

步骤s004，确定合闸电阻退出的时刻，通过控制选相合闸装置的电流过零的时刻为合闸电阻退出的时刻；

步骤s005，确定合闸电阻投入的时刻至合闸电阻退出的时刻的时间。

优选的，在步骤s003中，所述控制器收到合闸指令到合闸电阻投入的时间为断路器动作行程时间和电弧预击穿时间之和。

优选的，在步骤s005中，合闸电阻投入的时刻至合闸电阻退出的时刻的时间通过计算获得，具体步骤为：

步骤s101，计算合闸电阻投入后的电源电压us，us＝umcos(ωt+θ)，其中，um为母线的峰值电压，为合闸相角，；

步骤s102，计算合闸电阻投入后的电容电压，

其中，c为包括合闸电阻在内的容性设备支路的等效电容，r为包括合闸电阻在内的容性设备支路的等效电阻，为包含合闸电阻在内的容性设备支路的阻抗角；

步骤s103，计算电源和电容的电压差δu，电容电压的后一项忽略不计，则电压差，

其中，c为包括合闸电阻在内的容性设备支路的等效电容，r为包括合闸电阻在内的容性设备支路的等效电阻，为包含合闸电阻在内的容性设备支路的阻抗角，则压力差δu又可以表示为，

δu＝us-uc＝umsin(ωt+θ+γ)

其中，

步骤s104，计算合闸电阻投入的时刻至合闸电阻退出的时刻的时间t，当合闸电阻退出时，通过控制选相合闸装置的电流为零，即δu＝0，则，因此，在合闸电阻投入秒后，合闸电阻退出。

有益效果：本发明提供了一种容性设备合闸电阻投入和退出控制方法。本发明通过选相合闸装置对合闸电阻的投入和退出时刻都进行精准控制，对合闸电阻投入和退出引起的合闸涌流都进行有效抑制，从而使得整个合闸过程不出现大的合闸涌流。与现有选相合闸技术相比，本发明对选相合闸控制时间离散性的抗干扰能力更好。与现有的合闸电阻投退方法相比，本发明解决了合闸电阻阻值选择的矛盾，同时满足限制合闸电阻投入和退出合闸涌流的需求，而且能够缩短合闸电阻投入的时间，有利于延长合闸电阻的使用寿命和电力系统的安全稳定运行。

附图说明

图1为sc电容器结构示意图。

图2为在母线电压过零时合闸的电流波形图。

图3为在稳态电流过零时退出合闸电阻的电流波形图。

图4为选相合闸装置控制时序示意图。

图5为采用本发明条件下的合闸涌流波形图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

请参看图1，一种容性设备合闸电阻投入和退出控制方法包括以下步骤：

步骤s001，确定合闸电阻的阻值r，根据容性设备本身的参数以及容性设备所应用的电力系统的电压等级，合闸电阻的阻值控制在400ω～1500ω；

步骤s002，确定合闸电阻投入的时刻，当断路器收到随机合闸指令后，等待电源母线电压过零，电源母线电压过零的时刻即为合闸电阻投入的时刻；

步骤s003，确定控制器收到合闸指令到合闸电阻投入的时间；

步骤s004，确定合闸电阻退出的时刻，通过控制选相合闸装置的电流过零的时刻为合闸电阻退出的时刻；

步骤s005，确定合闸电阻投入的时刻至合闸电阻退出的时刻的时间。

进一步的，在步骤s003中，所述控制器收到合闸指令到合闸电阻投入的时间为断路器动作行程时间和电弧预击穿时间之和。

进一步的，在步骤s005中，合闸电阻投入的时刻至合闸电阻退出的时刻的时间通过计算获得，具体步骤为：

步骤s101，计算合闸电阻投入后的电源电压us，us＝umcos(ωt+θ)，其中，um为母线的峰值电压，为合闸相角，；

步骤s102，计算合闸电阻投入后的电容电压，

其中，c为包括合闸电阻在内的容性设备支路的等效电容，r为包括合闸电阻在内的容性设备支路的等效电阻，为包含合闸电阻在内的容性设备支路的阻抗角；

步骤s103，计算电源和电容的电压差δu，电容电压的后一项忽略不计，则电压差，

其中，c为包括合闸电阻在内的容性设备支路的等效电容，r为包括合闸电阻在内的容性设备支路的等效电阻，为包含合闸电阻在内的容性设备支路的阻抗角，则压力差δu又可以表示为，

δu＝us-uc＝umsin(ωt+θ+γ)

其中，

步骤s104，计算合闸电阻投入的时刻至合闸电阻退出的时刻的时间t，当合闸电阻退出时，通过控制选相合闸装置的电流为零，即δu＝0，则，因此，在合闸电阻投入秒后，合闸电阻退出。

以下为具体实施例。

实例中断路器应用于750kv交流系统，断路器所投切的容性设备为sc电容器，sc电容器的电容值为1.605μf，电感值为2mh，其电路如图1所示。合闸电阻根据西北某换流站配置选择为1500ω。

利用pscad建立仿真模型，仿真计算结果表明当仅采用1500ω合闸电阻抑制投入sc电容器产生的涌流时，涌流在合闸电阻投入时及合闸电阻退出时都会出现。通常情况下合闸电阻投入和退出的时刻不受精确控制，涌流的大小与合闸电阻的投退时刻直接相关，因此合闸电阻的投入和退出操作有可能发生在导致涌流最大的时刻。当合闸电阻未投入时，容性设备的残余电荷一般已经完全释放，因此合闸断路器引发的暂态过程可视为零状态响应，当合闸发生在母线电压峰值时合闸涌流最大，对应得到的仿真电流如图2所示。合闸电阻投入后，电路很快进入稳态，当合闸电阻在稳态电流达到峰值时退出，所引起的涌流最大，对应得到的仿真电流如图3所示。对比图2和图3可知，选择1500ω的合闸电阻对投入sc电容器的合闸涌流进行抑制时，合闸电阻投入时的涌流被抑制到很小，但合闸涌流退出时的涌流非常大，其幅值最大可达8ka以上，将对sc电容器造成严重冲击甚至可能引起保护误动作。此外，合闸电阻的投入时间在10ms左右，较长的投入时间对合闸电阻的耐热能力要求较高，从长期考虑不利于断路器的安全稳定运行。

作为对现有容性设备合闸电阻投退方法的改进，在合闸指令下达以后，通过选相合闸装置对合闸电阻投入和退出时刻都进行精准控制，实现将合闸电阻的投退涌流都降至最低的目标，具体过程如下：确定主断口关合即合闸电阻的时刻，如图4所示，当断路器在t1时刻收到随机合闸指令后，等待电源母线电压过零，在过零点t2时刻根据断路器动作行程时间t3和电弧预击穿时间t4确定控制器延时时间t2使得燃弧发生在母线电压过零时刻，其中t2＝2tp-(t3-t4)，tp＝20ms为工频电流的周期时间，这样可以使投入sc电容器的涌流被抑制到最小值。

确定合闸电阻的退出时刻。

由于合闸电阻退出后容性设备支路的电阻非常小，因此合闸电阻退出后可以理解为电源对sc电容器的充电过程，sc电容器的容抗远远大于感抗ωl＝0.63ω，因此sc电容器可用电容等效。

电源对容性设备的充电在极短时间内完成，电流方程：

因此当合闸电阻退出前瞬间电源与电容的电压差越小则涌流越小。

其中，电源电压us，电容电压uc方程：

us＝umcos(ωt+θ)(2)

将公式(3)带入公式(1)得：

在合闸电阻准备退出时电路已经进入稳态，暂态分量衰减接近于零，因此电容电压和电流的后一项可忽略不计，则电源和电容的电压差可表达为：

上式中，um为母线的峰值电压；r为包括合闸电阻在内的容性设备支路的等效电阻；θ为合闸相角，由于本方法选择在母线电压零点合闸，因此为包含合闸电阻在内的容性设备支路的阻抗角。

进一步的，利用三角函数公式可将公式(5)化简为：

δu＝us-uc＝umsin(ωt+θ+γ)(7)

为使δu最小即δu＝0，合闸电阻投入的时刻至合闸电阻退出的时刻的时间t满足t可表达式为：

将公式(9)带入公式(4)得：

即合闸电阻退出时刻应为电流的过零点。

在本实例中选择方案1，即在合闸电阻投入秒后将合闸电阻退出，计算得到t＝7ms。在pscad仿真模型中设置合闸电阻在其投入7ms后退出，仿真得到合闸电流如图5所示。合闸电阻退出时刻恰好对应电流过零点，表明方案1与方案2具有同样的控制结果。

通过仿真结果对比，采取本发明的合闸电阻投退控制方法可将合闸电流限制在0.5ka以内，效果明显优于现有的合闸电阻投退方案，同时满足限制合闸电阻投入和退出合闸涌流的需求，同时将合闸电阻投入的时间缩短了3ms，有利于延长合闸电阻的使用寿命和电力系统的安全稳定运行。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。