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G-TSC-H节能型高压可投切式无功补偿装置(详情请点击图片进入)

    交流电网中的大量感性负载(如异步交流电动机等)造成输配电设备容量增加、线路损耗增加。并联电容器作为电网无功补偿领域的一种主要手段能够有效地解决上述两个问题,因此在电网中得到广泛应用。目前此类补偿电容器的投切开关基本上均使用机械式开关,如真空断路器、六氟化硫断路器等。

  机械式电容器投切开关存在的问题

    由于机械式开关无法做到准确过零投切电容器,此类传统机械式开关在电容器投入或切除瞬间,会产生暂态冲击的物理现象,包括:1) 涌浪冲击电流,2) 母线电压暂态过电压。图一为电容器投入瞬间的电流及10kV母线电压的仿真波形。


 

图 一、电容器投入时的浪涌电流(上图)和母线电压(下图)

    这一类暂态现象会对电容器及其投切开关和电网中的设备产生一系列不利影响,降低其安全运行水平:

    1. 在涌流与暂态过电压的作用下,电容器与投切开关本身的寿命将降低,其故障率将大幅上升。
    2. 母线暂态过电压使得接入母线上的各类用电设备的寿命降低、故障率增加。
    3. 系统中的一些对供电电压质量较敏感的设备和装置(如变频调速装置),会受母线过电压的影响产生过电压保护,从而降低用电设备的可靠性。
    解决这一类问题的关键即在于投切瞬间的精确控制,实现电压过零投入、电流过零切除,最大限度地消除暂态冲击的影响。高压TSC装置(晶闸管投切电容器Thyristor Switched Capacitor,图二) 依靠高压晶闸管微秒级的精确控制,利用晶闸管阀作为无触点开关来实现过零投切从而有效抑制暂态冲击,避免上述不利因素。

 图 二、高压TSC电路拓扑

 

    高压TSC虽然可做到过零投切电容器,抑制暂态冲击,但也存在下述问题:

  普通高压TSC的问题

    普通高压TSC存在的问题主要由于阀组损耗引起。

    1.         10KV TSC晶闸管阀一般由8至10只晶闸管串联组成,导通状态下晶闸管阀压降在10--15V左右。 一套额定电流为400A的10KV TSC装置,其晶闸管阀的损耗为12KW 到18kW左右。
    2.         上述分析表明10KV TSC晶闸管阀存在大量功耗,这些功耗必须以热能的形式散发出来。因此为了保证晶闸管阀的正常工作,必须加装一套相应的冷却系统,因而降低了TSC装置整体的可靠性。
    3.         冷却系统的引入势必增加10KV高压TSC装置的体积与占地面积。

 

  节能型10kV高压TSC技术方案

    针对上述机械式电容器投切开关和普通高压TSC存在的问题,提出一个解决方案,可以有效地抑制暂态冲击的同时,又能确保装置的节能性、可靠性、紧凑性。系统拓扑如图三所示,采用A,C两相使用交流接触器和晶闸管阀并联的技术方案,其中晶闸管阀由8个反并联的晶闸管串联构成。

图 三、10KV 高压节能型TSC电路拓扑

图 四、10KV TSC智能投切开关电路拓扑

    投切电容器的合闸进程中,在电压过零点给晶闸管阀发送触发脉冲信号,将晶闸管阀触发导通,然后再合上交流接触器。因此能够达到准确过零合闸的要求。一旦接触器处于合闸位置,晶闸管阀自动关断。分闸时,首先给晶闸管阀发送触发脉冲信号然后打开接触器。当接触器处于完全分闸状态时,再停止晶闸管阀触发脉冲信号,当通过晶闸管阀的电流为零时,晶闸管自然关断(电流过零关断)。
    不管装置是处在合闸状态还是在分闸状态,晶闸管阀均没有通过电流。只有在合闸和分闸的过程中,晶闸管阀导通而通过电容器电流。由于合闸和分闸的过程很短(低于1秒),晶闸管阀的功耗很小,因此装置不需要冷却设备,既降低了装置的体积和成本,又提高了可靠性。
    由于晶闸管只在投切瞬间工作,因此相比普通10KV TSC,该节能型高压TSC既增加了设备的可靠性、延长了装置的工作寿命,又节约了可观的电能。 图四为采用该方案投入电容器时刻的三相电流和10KV母线电压实测波形,可见涌流冲击倍数很小,母线电压暂态过电压趋于零,达到了理想的暂态冲击抑制效果。

图 五、电容器投入时刻的三相浪涌电流(上图)和母线电压(下图)

 

  10kV容器组智能投切装置额定参数

    节能型10KV高压TSC的关键部件是10KV电容器组智能投切装置。该装置具有可靠、准确的过零投切功能。其额定参数如下:

     

  10kV节能型高压TSC控制系统

    控制器采用TI公司的32位定点低功耗DSP及Philip公司ARM的双CPU架构控制器,功能强大、性能稳定可靠,具有强大的处理核心和丰富的片上外设,可快速响应中断,扩展方便,最大可扩展32路。控制系统对于多种投切步长可灵活选择,可显示实时波形和故障波形,也可显示主要谐波情况。

  节能效果比较

    根据文献记载和实测数据:MCR型SVC的自身损耗为1.5—2.5%;TCR型SVC的自身损耗为1.0—1.5%;高压SVG的自身损耗为1.0—1.5%。按年最大容量运行时间4000小时,针对容量为6000 KVar的不同类型补偿装置进行损耗分析对比(表一)。由于交流接触器和交流电容器的损耗非常小,因此节能型高压TSC的损耗基本可以忽略。普通型高压TSC的损耗主要为可控硅阀的损耗。按三角型接线,可控硅阀的电流为200A,按可控硅阀的压降为15V左右,则三相可控硅阀的损耗为9KW。

    表一、损耗对比表

 

  现场运行照片和用户使用报告

    2012年上半年两套该装置在国家电网浙江丽水某110KV变电站投运以来一直运行良好,受到用户的好评。

 

 

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