（机械电子工程专业论文）真空开关的选相控制及其应用研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 选相控制开关又称同步开关或相控开关，其实质就是根据不同的负载特性，控制开 关在电压或电流最有利的相位( 电角度) 完成合闸或分闸，以主动消除开关过程所产生 的涌流和过电压等电磁暂态效应，或提高开关的开断能力，是当前国内外开关智能化的 前沿课题之一。本论文以真空开关选相投切电容器组为重点，以消除开关过程所产生的 涌流和过电压等电磁暂态效应为出发点和目的，从选相投切技术的相关理论、基于d s p 的永磁机构真空开关选相投切系统的设计与实现、基于相控真空开关豹智能无功补偿装 置、样机功能系统试验、选相投切空载变压器等几个方面展开论述，为相控真空开关在 国内的进一步研究与推广提供了参考与支持。 无功补偿电容器组的选相投切是当前选相控制真空开关的主要应用领域，本文根据 投切电容器组的暂态过程分析，首先提出了不同连接方式下电容器组的选相投切策略。 相控真空开关对揉动机构机械特性、灭弧室电气特性及测控系统有特殊要求，而高压领 域的预击穿现象和动作时间偏差会导致实际投切相位偏离预设相位，从而降低选相投切 的功效，为此本文进一步推导出不同关合系数与机械分散性条件下的最佳关合相位与最 大关合电压计算公式。此外，文中还从开关暂态过程、选相控制策略和使用效果等方面 阿述了选相投切技术在空载输电线路、并联电抗器、空载变压器等不同领域的应用状况。 双稳态永磁机构结构简单、动作稳定可靠，其出力特性能与真空开关良好匹配，在 中压领域得到越来越广泛的应用。相控真空开关采用分相独立操动的双稳态永磁机构， 其操作电源为由大功率电力电子器件控制的储能电容器，操动精度可达微秒量级。采用 双次线性插值法与多元线性回归法从软件上动态补偿操作电源的电压、环境温度等对永 磁机构动作时间的影响，可提高开关的控制精度与稳定性。测试结果表明补偿后的永磁 机构合分闸相位的控制偏差平均值小于0 4 m s ，很好地满足了相控开关的基本要求。 近年发展起来的数字信号处理器( d s p ) 是实现选相控制系统的理想核心器件。本 研究的选相控帝口系统设计包括：基于n 鸺3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 的软硬件结构；采用6 4 阶f i r 数字滤波器提取参考零点，通过软件自适应同步采样技术与f f t 变换计算电网参 数，针对不同的选相控制策略编写了相应的延时予程序以供调用等。电网频率波动会对 参考零点提取带来一定的同步误差，文中采用i z c 算法实时跟踪电网频率，选用1 4 位 商精度a d 转换芯片m a x l 2 5 ，可把控制精度提高到0 i m s 以上。 1 0 k v 变电站常安装并联电容器组作为无功补偿设各，以降低有功损耗并改善电能 质量。本文针对当前无功补偿装置的不足，设计了基于相控真空开关的新型智能无功补 偿装置。该装置综合考虑电网功率因数和母线电压的变化，分组选相投切无功补偿电容 真空开关的选相控制及其应用研究 器组，既能抑制暂态冲击、解决轻载振荡问题，又能使系统功率因数维持在o 0 5 以上， 从而达到最佳的无功补偿效果。如果投切前后的电压信号频谱变化显著则迅速执行反向 操作，避免谐振与谐波放大。 以上述选相控制理论为基础，将所开发选相控制系统配用于永磁机构真空开关，研 制出选相投切装置样机，并在浙江绍兴系统试验站进行了选相投切电容器组试验以检验 其工作效能。试验结果表明：整套装置运行稳定可靠，合分闸相位误差在l m s 以内能很 明显地削弱涌流与避免重燃，试验前后开关动作时间一致。 最后，本文对选相投切空载变压器进行了初步探讨。分析了变压器铁芯的动态磁化 特性与数学建模过程，讨论了选相开断空载交压器时的相位与剩磁的关系及其对选相关 合的意义，并利用m _ a t l a b 软件建立了系统仿真模型，分析验证了空载变压器的选相 关合策略，为进一步实现空载变压器的选相投切打下基础。 关键词：选相投切；永磁机构；真空开关；无功补偿；空载变压器 本论文得到国家自然科学基金项目的资助( 项目号5 0 5 3 7 0 1 0 ) 大连理工大学博士学位论文 r e s e a r c ho nc o n t r o l l e dv a c u u ms w i t c h e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n s a b s t r a c t c o n t r o l l e ds w i t c h i n g , a l s oc a l l e ds y n c h r o n o u ss w i t c h i n go rp h a s i n g - c o n t r o ls w i t c h i n g , i s at e r m i n o l o g ya p p l i e dt ot h ep r i n c i p l eo fc o o r d i n a t i n gt h ei n s t a n to fo p e n i n go rc l o s i n go fa c i r c u i tw i t hs p e c i f i ct a r g e tp o i n to na l la s s o c i a t e dv o l t a g eo rc u r r e n tw a v e f o r m c o n t r o l l e d s w i t c h i n gh a sb e c o m ea l le c o n o m i c a ls o l u t i o na n dc o m m o l l l yu s e dt or e d u c es w i t c h i n gs u r g e s i ti so n eo ft h ea d v a n c e ds u b j e c t so fi n t e l l i g e n ta p p a r a t u s t h i sp a p e rl a y sas t r o n ge m p h a s i s o nc o n t r o l l e dc a p a c i t o rs w i t c h i n g , a n dr e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f c o n t r o l l e ds w i t c i n g t h em a i nc o n t e n t sa i ec o m p o s e do fc o n t r o l l e ds w i t c h i n gp r i n c i p l e , d e s i g na n d r e a l i z a t i o no fc o n t r o l l e ds w i t c h i n gs y s t e m ( c s s ) b a s e do nd i g i t a ls i s a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n dv a c u l l ms w i t c hw i t hp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o rf p m a ) ，s y s t e mt e s t so fc c s ， i n t e l l i g e n tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nw i t hc o n t r o l l e ds w i t c h i n gt e c h n o l o g ya n de l i m i n a t i o n o fi n r u s hc u r r e n t sb yc o n t r o l l e ds w i t c h i n gu n l o a dt r a n s f o r m e r n 峙o b t a i n e dr e s u l t si nt h i s t h e i ss u p p l yr e f e r e n c o st of - i l t l 皿em s e a l c h c a p a c i t o rb a n k s s w i t c h i n gf o rr e a c 垃v ep o w e rc o m p e n s a t o ri s t h em o s tc o i l n l l o n a p p l i c a t i o no fc o n t r o l l e ds w i t c h i n g t h ep a p e ra n a l y s i z e st r a n s i e n tp h e n o m e n ao ft r a d i t i o n a l c a p a c i t o rs w i t c h i n ga n dp r e s e n t sc o n t r o l l e ds w i t c h i n gs t r a t e g i e so fc a p a c i t o rb a n k sw i t h d i f f e r e n tc o n n e c t i o nt y p e s i m p o r t a n tr e q u k e m e m sf o rc o n t r o l l e ds w i t c h , s u c ha sm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s , a r er e v i e w e d i nf a c lt h em a k i n gi n s t a n t sd on o t c o i n c i d ew i t ht h ep r e d e f i n e dt a r g e ti n s t a n t sb e c a u s eo f p r e s t r i k ea n dm e c h a n i c a ls c a t t e r t h u s am a t hm o d e li se s t a b l i s h e dt od e t e r m i n et h eo p t i m u mc l o s i n gt a r g e ta n dm a x i m u mp r e s t i k e v o l t a g eu s i n gt h ec l o s i n gc h a l a e t e r i s t i ca n dt h es t a t i s t i c a ld e v i a t i o no ft h ec l o s i n gt i m e i n a d d i t i o n , t h ea p p l i c a t i o n sf o rt r a n s m i s s i o nl i n e , r e a c t o rb a n k ，u n l o a dt r a n s f o r m e ra n df a u l t c u r r e n ta l ei n t r o d u c e dw i t ht h r e es i d e so fs w i t c h i n gt r a n s i e n t s ，c o n t r o l l e ds w i t c h i n gs t r a t e g y a n da p p l i e de f f e c t s p m ah a ss m a l lm e c h a n i c a ls c a t t e rd u et oi t sf e w e rm o v i n gp a r t s ，a n di t so u t p u t c h a r a c t e r i s t i c sc a l lp e r f e c t l ym a t c hv a c u u ms w i t c h p m ah a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r e w i d e l y c o n t r o l l e dv a c u u ms w i t c hi ss u p p l i e dw i t hi n d e p e n d e n t - p o l eo p e r a t e dp m a , a n d c a p a c i t o rd i s c h a r g es u p p l yc a nb ec h o s o ni nt h ep m ae x c i t i n gc i r c u i t t h u st h eo p e r a t i o ni s c o n t r o l l e db yh i g h - e u r r e n tp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s , a n dt h ec o n t r o lp r e c i s i o nc a l lb ee a s i l y i m p r o v e dt os o m em i c r o s e c o n d s 1 1 地e f f e c t so no p e r a t i n gt i m e sb ym e c h a n i c a lf a c t o r s i n c l u d i n gt h ec o n t a c tw e a l o ft h es w i t c ha n de n v i r o n m e n t a lc h a n g e sl i k et e m p e r a t u r es h o u l d b ec o n s i d e r e d a na l g o r i t h mi sg i v e nb yu s eo fp r i n c i p l eo fb i l i n e a li n t e r p o l a t i o na n d i l i 真空开关的选相控制及其应用研究 m a l d = e l e m e n tl i n e a rr e g r e s s i o n t e s tr e s u l t sw i t hc o m p e n s a t e da l g o r i t h md e m o n s t r a t et h a tt h e o p e r a t i n gi n s t a n td e v i a t i o ni sl e s st h a n0 4 m s d i g i t a ls i 即_ a ip r o c e s s o r0 3 s p ) i sag o o dc h o i c et or e a l i z et h ec o n t r o l l e ds w i t c h i n g s y s t e m n 璩d e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rc s s i nw h i c hd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai s u s e da st h ek e r n e l i sp r e s e n t e d t l l ed s pa n d1 4 - b i ts i m u l t a n e o u ss a m p l i n ga dc h i p m x 1 2 5r e a l i z e6 4o r d e rl i n ef 1 rf i l t e ra n dr e a l - t i m es o f t w a r ea d a p t i v es y n c h r o n o u s s a m p l i n g 1 1 i ei n t e g r a t i n gz e r oc r o s s i n g ( i z c ) a l g o r i t h ma n df a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) a r ea p p l i e dt ot r a c kt h ea c t l 1 a lp o w e rf r e q u e n c ya n dt oc o m p u t ep o w e rp a r a m e t e r sr e s p e c t i v e l y t h u st h ec o n t r o lp r e c i s i o ni si m p r o v e dw i t h i n0 1 m s s e v e r a ld e l a ys u b p r o g r a m sa r eo f f e r e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s an o v e lr e a 威v ep o w e rc o m p e n s a t o ri sd e v e l o p e df o r1 0 k vd i s t r i b u t i o ns y s t e mt o i m p r o v ep o w e rq u a l i t y i t i sc o m p o s e do f ac o n t r o l l e dv a c u l h ns w i t c ha n da ni n t e l l i g e n tp o w e r f a c t o rc o n t r o l l e r ( i p f c ) e n e r g i z i n gt r a n s i e n t sa n dd e - e n e r g i z i n gr e - s t r i k ea r ee v i d e n t l y r e d u c e db yc o n t r o l l e ds w i t c h i n g t h e p f ct a k e st h ep o w e rf a c t o r , t h er e q u i r e m e n to f r e a c t i v e p o w e ra n dt h eh a r m o n i cl _ e s o n a p _ c ep r o t e c t i o n 鹤s w i t c h i n gc r i t e r i a , t h u st h ep o w e rf a c t o ri s m a i n t a i n e do v e r0 9 5a n dt h ef r e q u e n to p e r a t i n gw i t hl i g h tl o a di sa v o i d e d n l ep r o b l e mo f h a r m o n i cr e s o n a n c eo fp o w e rn e t w o r ki sr e s o l v e du s i n gr e v e r s eo p e r a t i o n sb yc o m p a r i n gt h e p o w e rs 口e c t r u mb e f o r ea n da f i 所s w i t c h i n g b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o v e ，ap r o t o t y p ed e v i c eo fc s sh a sb e e nb u i l ta n d t e s t e di ns y s t e mt e s ts u b s t a t i o no fs h a o 虹n ge l e c t r i cp o w e rb u r e a uw i t ha na c t u a lc a p a c i t o r s w i t c h i n gs y s t e ma p p l i e d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p e r a t i o no fp r o t o t y p ed e v i c ei s s t a b l ea n dr e l i a b l e n ed e v i a t i o n so fa c t u a ls w i t c h i n gi n s t a n t sa r el e s st h a nl m sa n da n d 也e i n r u s hc u r r e n t sa n dr e s t r i k e sa r ee f f e c t i v e l ye l i m i n a t e d c o h e r e n c eb e t w e e no p e r a t i n gt i m e s b e f o r ea n da f t e rs w i t c h i n gd e m o n s t r a t e st h a tt h ev a c u u ms w i t c hw i t hp m ai ss t a b l e f i n a l l y ，t h ep a p e rm a k ea ne f f o r tt or e s e a r c ht h ee l i m i n a t i o no f i n r u s hc u r r e n t so f u n l o a d t r a n s f o r m e rw h e ne n e r g i z i n g d y n a i n i cm a g n e t i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n ds a t u r a b l et r a n s f o r m e r m o d e la l ea n a l y z e d 1 1 1 er e l a t i o u s h i pb e t w e e nd e - e n e r g i z i n ga n dr e s i d u a lf l u xi sd i s c u s s e d a n dt h es y s t e ms i m u l a t i n gm o d e li se s t a b l i s h e de i t h e ri nt h ed i s s e r t a t i o n c o n t r o l l e d e n e r g i z i n g t r a t e g i e st a k i n gr e s i d u a lf l u xi n t oa c c o u n ta r ei n t r o d u c e d a n dw h a th a v ed o n e m a k e sag o o db a s ef o rt h ef u t h e rr e s e a r c ho nc o n t r o l l e de n e r g i z i n go f u n l o a dt r 黜f o r m e r s k e yw o r d s ：c o n t r o l l e ds w i t c h i n g ；p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ；v a c u u ms w i t c h ； r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；u n l o a dt r a n s f o r m e r p r o j e e ts u p p o r t e db y n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 5 3 7 0 1 0 ) 一i v 作 论 工 对 独创性说明 作者签名： 研究工 方外， 大连理 的同志 口嘲州t ) 日期：堂：! ： 的地得作 行的获工氤斯| 蚕舳觚臆下致含一n 导和包我贰指注不与彰师标也。弗导以，料死在加果材瞅 人别成的晰个特究过蒯我中研用嘣是文的使了文了写所敛论除撰书咿 位，或证文学知表或沧士所发位在博我经学b本尽已的均 明果他单贡声成其他的 重究含其做郑研包者所者得不或究作取中学研 及文大本 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 开关选相投切技术的提出与意义 1 1 1 开关合分闸暂态过程与传统抑制方法 电力网是一个动态系统，供需变化与功率平衡问题要求电网各部分能够可靠、及时 地投入或切除。开关的操作性能对电网的安全、稳定及经济运行至关重要【。应用于投 切容性负载( 电容器组、空载输电线等) 或感性负载( 变压器、电抗器组、大容量电动 机等) 的开关，合分闸操作所带来的开关暂态过程会对配电系统产生各种干扰，引起过 电压和过电流，甚至会传播到远端影响其他用户。各类应用场合中伴随着开关的合分闸 操作所发生的暂态现象及其危害主要有： ( 1 ) 开关关合电容器或空载长线时所导致的暂态过程与电源初始相角、电力系统 短路容量、等效电感( 电容) 容量及是否存在残余电荷等因素有关。空载传输线的电路 特征阻抗较大，合闸时由于电路中有储能元件l 、c 同时存在，会出现较高的振荡过电 压：电容器组的电容远大于空载线的电容，电路特征阻抗较小，合闸时会出现幅值很大 的高频暂态涌流和过电压。电力系统容性负载的关合易引起瞬态过电压、高频涌流与用 户侧电压放大现象。会带来触头磨损增大、设备绝缘恶化及电能质量下降等问题。 ( 2 ) 开关切除容性负载时容易产生电弧的多次重燃或重击穿，进而产生严重的过 电压，在最严重情况下理论上可能出现3 、5 、7 倍的过电压。过电压容易破坏设备绝 缘、放大高次谐波及干扰灵敏度高的电气设备正常工作等。 ( 3 ) 感性负载属于储能元件，合闸过程中工作状态会发生变化，所产生涌流的幅 值取决于电抗器铁心的线性度。当外施电压加到原边绕组时，原边绕组产生的瞬变磁通 与合闸时刻有关。在最不利情况下会导致铁芯严重饱和，励磁电流可达到正常稳态励磁 电流的几十倍或额定电流的数倍，持续时间可达数秒钟之久。这将致使电流互感器饱和、 线圈绕组机械应力过大、继电傈护装置误触发及系统电压波动等。 ( 4 ) 开关开断感性小电流时可能在被开断电流的任意相位处发生截流现象，根据 能量守恒原理，此时滞留于感性负载中的能量向杂散电容充电而转变为电场能量，再加 上等效回路中的电感量较大且电容量较小，因此会产生高的截流过电压；开关分断大电 流时，触头的一侧为工频电源，另一侧为l c 充放电振荡回路，若触头开距不够大，两 个电压叠加后就会使弧隙击穿，触头间恢复电压逐级升高，负载端的电压也不断升高， 产生重燃过电压。试验统计结果表明重燃过电压比截流过电压严重得多，这些重燃电弧 和过电压对设备绝缘与开关触头构成了严重威胁，可能导致设备局部放电，引起母线和 真空开关的选相控制及其应用研究 线路上的绝缘薄弱部分出现事故。 开关合分闸所引起的暂态过程在电能质量要求越来越严格的背景下已经引起人们 的重视。传统上采用预插电阻、预插固定电抗器、安装r - c 阻容吸收设备、后备氧化锌 避雷器( m o a ) 等方法来削弱这些电磁暂态现象【2 - 9 】： ( 1 ) 预插电阻 预插电阻法利用电阻的阻尼作用加速振荡过程的衰减，主要用于抑制关合电容器组 所引起的瞬态冲击。该法借助于预插电阻和辅助触头，把合闸过程分成四步：合闸前电 容器组开路；预插电阻与电容器组串联投入；短路预插电阻；旁路预插电阻，把较严重 的暂态现象分割成两个或更多个较弱小的过程。预插电阻能把操作过电压与合闸涌流限 制在一定范围内，但有如下缺点：增加了开关的复杂性与成本；提高了系统投资与维修 费用；限压效果不稳定，分散性大；消耗电能而产生大量的热能。 ( 2 ) 预插电感 预插电感法的原理及应用场合与预插电阻法类似。预插电感并不消耗系统能量，因 此可以在开关触头闭合7 1 2 个工频周期后再将其旁路掉。采用预插电感可以增加电容 器组关合时的阻抗，从而有效减少合闸涌流，较之预插电阻成本更低、更可靠。其不足 之处在于：安装调试复杂；操作时会出现电火花；易形成振荡回路，增加系统噪声。 ( 3 ) r - c 阻容吸收装置 r - c 阻容吸收装景利用增大被保护设备上的并联电容器的办法来降低过电压的幅 值。同时并联电容器的另一个重要功能在于它可以平缓过电压波形的陡度，与电容器并 联的电阻r 则起着释放部分能量的作用。r - c 阻容吸收装置能够抑制开关操作的高频振 荡使操作过电压将至2 p 1 l 以下，将开关重燃过电压降至4 p u 以下。但其不足之处在于： 存在绝缘事故的隐患点；易成为谐波污染源；对r - c 质量要求较高。 ( 4 ) 氧化锌避雷器( m o a ) m o a 具有可靠性高、通流容量大、残压低、响应速度快、无工频续流、不用串联 间隙以及降低被保护设备的绝缘水平等优点。采用m o a 之后，可使相对地的操作过电 压限s u n l 6 1 8 倍相电压，各相间的过电压限制到1 7 1 8 倍线电压。其不足之处主要 有：阀片容易受潮劣化，温度上升产生有功损耗，形成热崩溃，严重时将导致m o a 损 坏或爆炸，进而引发大面积停电事故。 1 1 2 选相投切技术及其优点 。 选相投切技术是开关智能化的一个重要方向。如前所述，开关合分闸操作的暂态过 程会带来不可忽略的负面效应，为了满足电网发展和电力用户对高质量、高可靠供电的 一2 一 大连理工大学博士学位论文 需求，目前所采用的传统措施又存在这样或那样的不足，不能从根本上解决问题。近年 来随着开关制造工艺、现代电力电子和测控技术的不断提高，开关正朝着智能化方向发 展。同时，电力市场的竞争日趋激烈，要求进一步减少设备费用，延长维修周期，提高 供电质量，提高系统运行的经济性和可靠性。在此背景下，开关选相投切技术日益受到 制造部门与用户的关注，目前己成为智能化电器的研究热点之一【l o l 。 表1 1 相控开关的使用目的、优点及最佳投切相位( c i g r ew 0 1 3 0 7 ) t a b 1 1p u r p o s e s 。b e n e f i t sa n do p t i m u mi n s i s t so f c o n t r o l l e ds w i t c h e s 内容使用目的 优点最佳投切相位 空载变压器合闸 并联电抗器合闸 电容器组合闸 空载输电线合闸 并联电抗器开断 空载输电线与电 容器组开断 抑制励磁涌流提高电压稳定性 防止继电保护误动 抑制涌流 篓篇麓慧 抑制过电压 喜凳龛星裹军 防止重燃 嚣爹羞萎銮薹 。一 提高容性小电流开 防止重击穿 蔷主磊寄1 f “ 中性点接地：相电压峰值 中性点绝缘：首合相，电压峰值， 后两相线电压峰值 中性点接地：各相电压零点 中性点绝缘：第1 ，2 相为线电压零 点，第三相为相电压零点 各相电压零点 无重燃的燃弧时间 无重击穿的燃弧时间 选相投切技术是由选相控制开关( 又称同步开关或相控开关) 来实现的。相控的概 念最早出现于1 9 7 0 年代，其实质是根据不同负载( 如并联电容器组、架空输电线、空 载变压器等) 的特性，控制开关在电压或电流的最佳电角度完成合闸或分闸，实现无冲 击的平滑过渡，能有效地削弱开关瞬态电磁效应。表1 1 为相控开关的使用目的、优点 及最佳投切相位。 选相投切技术自1 9 9 0 年代实用化以来，在欧美市场的使用数量与范围迅速扩大， 从开始时只控制电容器( 组) 的投入发展到多种用途。该技术对于提高电能质量与开关 电寿命等有重要意义，是电器智能化的前沿课题。从原理上说该技术优于合闸电阻、串 联电抗器或避雷器等传统方法，但其实际动作的准确性与可靠性一直是争论的焦点，还 有待于试验与现场运行的进一步检验。1 9 9 8 年，国际大电网会议( c i g r e ) 对选相控制 高压开关的优缺点进行了讨论，根据分析计算结果和现场应用状况证明了其经济性、可 行性与必要性。 真空开关的选相控制及其应用研究 以加拿大n o t r e d a m e 变电站为例，表1 2 是合闸电阻与选相投切设备的经济性、操 作效果比较结果1 1 】。可以看出仅从成本上选相投切技术较常规方法就能节省3 0 以上， 并且更有效地抑制了重击穿现象。 表1 2n o t r e - d a m e 变电站经济效益比较分析 t a b 1 2c o s ta n a l y s i sf o r n o t r e d a m es u b s t a t i o n 在电力系统现有设备的基础上，并不需要大规模追加投资，现有开关有一部分只要 做某种程度的修改就能用于选相投切。高性能微处理器的价格越来越低，前期保护装置 已经提供了相关的控制、检测电路，只要再增加少量必需的硬件设备，对软件算法进行 相应更新即可。选相投切技术具有如下优点：首先，可以省掉合闸电阻、避雷器等辅助 设备，降低成本，操作简便，经济效益显著。其次，可以提高电能质量与电力系统稳定 性，减弱对用户设备的冲击，延缓变电设备的老化，简化继电保护装置。再次，能够改 善开关运行条件，降低灭弧室内部及周围的温度和电位梯度，减轻开关部件机械应力与 触头烧蚀，延长易损件的电寿命和维修周期。最后，可以提高开关额定关合开断能力， 防止复燃与重击穿，降低超高压系统的绝缘水平等。 1 1 3 实现选相投切的技术关键 选相投切技术难以实现的主要因素是开关的操动时间存在分散性，难以预测和控 制。在进行选相操作时，要充分考虑开关的断口绝缘特性、合分闸动作特性以及控制系 统精度等关键因素。 理论分析与现场数据均表明选相投切要想取得理想效果，开关合分闸时间的分散性 应限制在l m s 以内。因此，动作时间偏差限制在合理范围内是对相控开关的基本要求。 影响开关动作时间的因素主要有储能方式( 如弹簧、液压等) 、控制电压、环境温度、 操作次数、老化效应、闲置时间等。目前国外高压领域的相控开关普遍采用弹簧机构或 液压机构，表1 3 是c i g r et f l 3 0 0 1 调查的开关操动时间统计结果【1 2 j 。从表1 3 可看 出弹簧、液压机构在较宽范围的环境温度死与控制电压坼下动作较稳定，不过有效储 能胁与操作次数，特别是闲置时间对动作稳定性的影响较大，这些因素与动作稳定性 之间呈复杂的非线性关系，尚无法建立通用的数学模型，还有待进一步的研究。 大连理工大学博士学位论文 表1 3c i g r et f l 3 0 0 1 关于开关操动时间偏差的统计 t a b 1 3s u m m a r yo f s w i t c ho p e r a t i n gt i m ev a r i a b i l i t ya c c o r d i n gt oc i g r et f l 3 0 0 1 开关类型 s 6 f 开关 在高压领域，国外最新研制出一种数字控制的伺服电机驱动操动机构。此外，近期 出现的永磁机构更适合于相控开关的实珊1 3 - 1 5 1 ，并在逐步向高压领域拓展。 当然，既然是选相投切，开关最好能三相独立操动，如果三相共用一套操动机构， 则应增加适当的机械延时装置。还应权衡降低机械应力冲击与减小预击穿电压、减少触 头电磨损的矛盾，选择适当的合分闸速度。 开关合闸过程中，当触头间距小于某临界值而无法耐受外施电压时将发生预击穿现 象，从而无法在预期目标相位合闸。如果预击穿电压太高，预燃弧时间长，关合电弧泄 出的能量大，易造成熄弧介质劣化、触头烧蚀。绝缘强度下降率( r d d s ) 指的是开关 关合时的断口间耐压水平下降率，达到一定值之后方可在预定目标相位关合。开关的机 械分散性也会影响到r d d s ，因此选相关合应综合考虑开关的机械分散性与预击穿特 性，控制预击穿发生在外施电压的预设相位，提高操作质量。 大量试验表明缩短燃弧时间可以减小电弧能量、提高开断能力，且特定开断电流对 应一个最佳触头间隙区，即最佳燃弧时间。因此选相分闸的首要目标就是控制开关燃弧 时间，使其在交流电流过零、电弧自然熄灭时能承受恢复电压，防止燃弧时间过短导致 的重燃、重击穿与燃弧时间偏长造成的触头烧损。绝缘强度上升率( 褂s ) 指的是开 关开断时的断口间耐压水平上升率，其值决定了避免重燃与重击穿的最小燃弧时间。 高压大电流信号应能精确可靠地转换成1 5 v 或者4 2 0 m a 的弱电信号，这对电 压互感器( v t ) 、电流互感器( c t ) 的相位漂移、幅值偏差、铁心饱和等特性提出了 较高要求。此外还应考虑到传输电缆、辅助变压器等因素对进入a d 通道的模拟信号的 影响。相控开关的可靠性由开关与控制装置共同决定。虽然各类电子产品功能与精度都 有了大幅提高，运行速度也已不是问题，但现场运行表明控制器仍不如开关本体可靠， 是故障的主要原因。目前光缆、光电隔离器件、屏蔽技术、输入输出通道隔离技术的发 展，使得控制系统基本能够承受现场恶劣的电磁环境影响。 真空开关的选相控制及其应用研究 开关合闸相位的准确度是选相投切技术应用成败的关键，因此开关的操动精度要达 到微秒量级。控制系统应能实时检测参考零点，动态跟踪开关动作时间的变化，并采用 自适应控制补偿由于环境温度、控制电压、触头烧蚀、累积运行次数等引起的动作时间 的变化。自适应控制的目的就是能够检测误差并对下一次动作时间进行修正。此外还应 能自检、异常报警、故障保护，能够承受严格的电磁兼容( e m c ) 试验。软件方面采取 指令冗余、软件陷阱、看门狗等有效的抗干扰技术。尽量采用数字技术提高抗干扰性， 如f i r 数字滤波器提取参考零点等较传统模拟方法有更好的抗干扰性。 1 2 选相投切技术的研究现状与发展前景 c i g r e 对相控开关的发展给予极大关注，其下设专门的研究委员会w g a 3 0 7 ( 前 身是第1 3 工作组w g l 3 0 7 ) ，定期对相控开关的应用与进展情况进行调研审议，出版 了一系列文献：两篇应用调查；三篇应用指导；一篇经济效益分析；一篇未来应用预测 0 2 ，1 6 - 2 1 。b e r n e r y d ( 1 9 8 8 年) 、r e i d ( 1 9 9 8 年) 、j o n e s ( 2 0 0 0 年) 、n o r d i n ( 2 0 0 2 年) 与f e r n a n d e z ( 2 0 0 2 年) 等人先后向c i g r e 提交了相控开关在丹麦、瑞典、英国、澳大 利亚、巴西等国家应用情况的调查报告1 2 2 - 2 6 。2 0 0 5 年，c i g r e 在日本东京召开，其中 仍有相控开关的专题讨论1 2 7 。 表1 41 9 8 4 - 2 0 0 1 年相控开关的应用状况调查结果 t a b 1 4r e s u l t so f w o r l d w i d es u r v e yo f c o n t r o l l e ds w i t c h i n ga p p l i c a t i o n si n s t a l l e d1 9 8 4 2 0 0 1 应用场合( 2 6 4 8 0 0 k v )所占比例( 总数2 5 0 0 ) 电容器组投切 电抗器组投切 变压器的投入 空载架空线关合与自动重合闸 6 4 1 7 1 7 2 c i g r e 多次对相控开关的优缺点进行讨论，确认了其有效性。w ga 3 0 7 的调查报 告显示：1 9 8 4 - 2 0 0 1 年相控开关主要分布在2 6 4 8 0 0 k v 电压等级与日本、欧美等发达国 家，1 0 k v 配电网及1 0 0 0 k v 超高压领域鲜有用例。各应用类型所占比例如表1 4 【2 l 】。从 表中可以看出，相控开关以常规领域( 参考信号具有周期性) 应用为主，尤以选相投切 电容器组的应用最多，占总数2 5 0 0 台的6 4 ，这主要是由于电容器组在电网中应用最 广泛，操作最频繁，且相对更容易实现选相投切。架空线自动重合闸应用很少，短路电 流选相开断未见实用报道，这主要是由于相关的非周期、不对称暂态过程使得目标相位 难以有效地预测与控制。 文献【2 8 】把选相投切技术应用于功率因数控制系统：文献 2 9 开发了基于选相投切 一6 一 大连理工大学博士学位论文 技术的4 0 0 k v 变电站专家系统，这些都是很好的用例。其他最新报道有：2 0 0 3 年，匈 牙利与法国分别实现1 3 2 k v 1 5 k v 1 5 5 m v a 与3 2 0 k v 1 3 8 k v 3 1 5 m v a 空载变压器的选 相关合 3 0 , 3 1 】；2 0 0 3 年，加拿大蒙特利尔的n o t r e - d a m e 变电站成功地运行了1 2 0 k v 等级 的背靠背电容器组同步投切装置1 3 2 1 日本东京电力公司首次成功地选相切除5 0 0 k v 并 联电抗器1 3 3 1 。 目前在相控开关相关产品的研发方面领先的国外公司主要有：瑞士的a b b 公司( 适 用于不同工况的s w i t e h s y n c r u 系列产品) ，日本的m i t s u b i s h i 公司( 已经开发出1 2 1 k v 、 1 4 5 k v 、2 4 5 k v 、3 6 2 k v 与5 5 0 k v 电压等级的产品) ，美国的j o s l y n