CN104600722A

CN104600722A - 一种高压并联电容器智能过零投切装置

Info

Publication number: CN104600722A
Application number: CN201510064000.2A
Authority: CN
Inventors: 岳平; 杨成钢; 汤珂奇; 吕春美; 赵汉鷹; 朱利锋; 张周麟
Original assignee: Individual
Current assignee: Lishui Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2035-02-09
Also published as: CN104600722B

Abstract

一种高压并联电容器智能过零投切装置，由可控硅组、单极交流真空接触器、控制器、光电转换系统、深度滤波器和触发板组成，其中可控硅组包括A相串联的反并联可控硅和C相串联的反并联的可控硅，单极交流真空接触器包括A相单极交流真空接触器和C相单极交流真空接触器，光电转换系统包括光电转换器和传输光纤，其主要功能是实现控制器和可控硅组触发板之间的电信号进行光电信号的转换；触发板与每个可控硅的控制极相连，用以输出触发可控硅组所需的触发信号，A相与B相线电压信号以及C相与B相线电压信号经过深度滤波器后与控制器相连，控制器通过光电转换系统与触发板相连，该装置具有电压过零检测精度高、投切效果好的特点。

Description

一种高压并联电容器智能过零投切装置

技术领域

本发明涉及到涉及一种高压并联电容器智能过零投切装置，属于无功补偿领域。特别适用于10kV等高压的无功补偿设备的智能投切。

背景技术

目前10kV线路变电所内补偿电容器的投切均采用普通的开关，不能实现智能过零投切，因此电容器投切对系统、对电容器本体、对投切开关均产生较大的暂态冲击电压和电流。频繁的电容器非过零投切会导致：投切开关的故障率大幅度提高、补偿电容器的故障率大幅度提高、变频装置保护频繁跳闸，严重影响用户的安全生产、给用户带来极大的经济损失。ABB公司80年代在该领域作了相关的研究并开发了相应的产品。由于当时电力电子产品的价格和技术问题，他们采用了常规开关加合闸时间预测技术来实现过零合闸功能，但该类产品存在过零合闸时间不是很准确的问题，合闸时暂态冲击电压和电流仍然较大。

另外一种方法是采用TSC(可控硅投切的电容补偿)技术实现电容组的过零投切。该技术在欧美等国家的电网得到一定的应用。该技术采用可控硅组代替机械式开关投切电容器，能够实现准确过零分合闸功能，从而最大限度地降低了电容器投切所产生的暂态冲击电压和电流。但是由于可控硅组被作为机械式开关使用，在合闸状态下发热量较大，因此存在损耗高、体积大、造价高的问题。

专利200910250652.x提出了一种固态复合开关装置，其给出的复合开关装置为三极接触器结构，三极接触器仅可能完成单相过零，而且其电压过零投切方法没有具体说明，采用一般的电压过零检测方法，误差大，易导致干扰噪声的摄入。另外，现有的过零投切装置均采集A相、C相的相电压，由于中点或接地的问题，导致相电压过零采集不准确，而且各相电压均存在外界干扰或噪声导致的波形畸变问题，使得过零检测更加不准确。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种通过检测线电压过零的方法，通过引入深度滤波器进行高压并联电容器的智能过零投切，以实现10kV等高压设备的无功补偿设备的智能投切。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种高压并联电容器智能过零投切装置，由可控硅组、单极交流真空接触器、控制器、光电转换系统、深度滤波器和触发板组成，其中可控硅组包括A相串联的8组反并联可控硅和C相串联的8组反并联的可控硅，单极交流真空接触器包括A相单极交流真空接触器和C相单极交流真空接触器，光电转换系统包括光电转换器和传输光纤，其主要功能是实现控制器和可控硅组触发板之间的电信号进行光电信号的转换，并将光信号通过光纤传输，光纤不仅能进行信号传输，还能起到高压装置和低压控制系统之间的隔离作用；触发板与每个可控硅的控制极相连，8组反并联的可控硅共配16个触发板，触发板用以输出触发可控硅组所需的触发信号，A相与B相线电压信号以及C相与B相线电压信号经过深度滤波器后与控制器相连，其中深度滤波器包括低通滤波电路、电压比较电路和光耦隔离电路；A相可控硅组与A相单极交流真空接触器并联，组成A相复合开关，C相可控硅组与C相单极交流真空接触器并联，组成C相复合开关，A相复合开关和C相复合开关的一端连接常规断路器，另一端连接相应的电容和电感，控制器通过光电转换系统与触发板相连，通过执行电压无功控制装置发出的指令，发送触发信号给可控硅组的触发板，使得与其并联的接触器得以实现过零投切的效果；

当需要投入电容器时，控制器持续检测触发板返回的可控硅电压信号，并将该可控硅电压信号通过深度滤波器进行滤波，当捕捉到一个周期的正向电压时，控制器对于反并联可控硅中的负相可控硅发出持续的触发脉冲，以保证当电压负过零时可控硅过零导通，之后延迟1/2周期对于反并联可控硅中的正相可控硅发出触发脉冲，同样保证当电压正过零时可控硅过零导通；切除电容器时，直接发送持续的触发脉冲同时控制并监测真空接触器的状态，保证触发脉冲迟于接触器分闸，使可控硅在电流过零点自然关断；

所述深度滤波器中的低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

\{\begin{matrix} | H (ω) | = \frac{{u_{BA}}^{,}}{u_{BA}} \frac{1}{\sqrt{{(R_{1} / R_{2} + 1)}^{2} + {(R_{1} Cω)}^{2}}} \\ ψ (ω) = - \arctan (\frac{R_{1} Cω}{R_{1} / R_{2} + 1}) \\ f_{Ao} = \frac{R_{1} + R_{2}}{2 π R_{1} R_{2} C} \end{matrix}

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_BA’代表滤波后的线电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_Ao分别代表滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

线电压信号u_BA’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_BAp-p代表线电压u_BA的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值取为1.72，对于C相和A相之间的线电压具有同样的表达式。

利用本发明提出的高压并联电容器智能过零投切装置，实现电容组过零投切的具体方法为：

当控制系统接收到电压无功控制装置合闸命令后，首先合上B相交流接触器，等B相交流接触器合闸完毕后，在B相与A相线电压过零点时，将A相可控硅组触发导通，然后再合上A相交流接触器；一旦A相交流接触器处于合闸位置，A相可控硅组两端的电压基本为0，A相可控硅组电流过零自然关断，A相电容器组正常投入；在B相与C相线电压过零点时，将C相可控硅组触发导通，然后再合上C相交流接触器；一旦C相交流接触器处于合闸位置，C相可控硅组两端的电压基本为0，C相可控硅组电流过零自然关断，C相电容器组正常投入

当控制系统接收到电压无功控制装置分闸命令后，首先给A、C相可控硅组发送触发脉冲信号然后打开A、C相交流接触器；一旦A、C相可控硅组两端有了电压，A、C相可控硅组立即导通；当A、C相交流接触器处于完全分闸状态后再停止A、C相可控硅组触发脉冲信号，当通过A、C相可控硅组的电流为零时，可控硅自然关断，等A、C相可控硅组断开后再分断B相交流接触器，电容器组正常切除。

在B相接触器的分/合闸过程中，由于A、C相可控硅组和交流接触器都为断开状态，所以分/合B相交流接触器不会产生电弧；而在A、C相交流接触器的分/合过程中，A、C相可控硅组都处在导通状态，接触器不需要灭弧功能。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本装置主要实现电压过零投入的功能，减少电容器投切时的涌流、提高电容器使用寿命、促进电网安全运行；接触器与可控硅并联的系统架构可一定程度改善可控硅组组发热问题。

(1)、采用线电压过零采集技术，由于线电压更易检测，而且线电压过零将使得相应回路没有电流，因此可使得过零检测投切更加准确。

(2)、采用深度滤波器的设计，可有效减小线电压检测的谐波成分，也会使得检测过零更加准确。

(3)、采用新型的拓扑结构。其中A、C两相为8层反并联结构的可控硅进行串联连接后再与交流接触器并联，形成一种复合式开关，余下B相单独使用交流接触器，通过分相投切的逻辑控制，实现过零投切的功能。

(4)、采用可靠的过零检测方法，在电容器投入和切除的过程中首先利用可控硅组来导通电流，再在电压过零点投入或切除电容器，可控硅组在电流过零点自然关断。利用可控硅给控制器的状态返回进行过零判断，准确可靠，使真空交流接触器不会拉弧，有效限制暂态过程，大幅减少暂态冲击电压和电流。

附图说明

图1为本发明所述投切电容组装置系统拓扑图。

图2为本发明所述深度滤波器组成图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种高压并联电容器智能过零投切装置，由可控硅组、单极交流真空接触器、控制器、光电转换系统、深度滤波器和触发板组成，其中可控硅组包括A相串联的8组反并联可控硅和C相串联的8组反并联的可控硅，单极交流真空接触器包括A相单极交流真空接触器和C相单极交流真空接触器，光电转换系统包括光电转换器和传输光纤，其主要功能是实现控制器和可控硅组触发板之间的电信号进行光电信号的转换，并将光信号通过光纤传输，光纤不仅能进行信号传输，还能起到高压装置和低压控制系统之间的隔离作用；触发板与每个可控硅的控制极相连，8组反并联的可控硅共配16个触发板，触发板用以输出触发可控硅组所需的触发信号，A相与B相线电压信号以及C相与B相线电压信号经过深度滤波器后与控制器相连，其中深度滤波器包括低通滤波电路、电压比较电路和光耦隔离电路，如图2所示；A相可控硅组与A相单极交流真空接触器并联，组成A相复合开关，C相可控硅组与C相单极交流真空接触器并联，组成C相复合开关，A相复合开关和C相复合开关的一端连接常规断路器，另一端连接相应的电容和电感，控制器通过光电转换系统与触发板相连，通过执行电压无功控制装置发出的指令，发送触发信号给可控硅组的触发板，使得与其并联的接触器得以实现过零投切的效果；

所述深度滤波器中的A相低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

\{\begin{matrix} | H (ω) | = \frac{{u_{BA}}^{,}}{u_{BA}} \frac{1}{\sqrt{{(R_{1} / R_{2} + 1)}^{2} + {(R_{1} Cω)}^{2}}} \\ ψ (ω) = - \arctan (\frac{R_{1} Cω}{R_{1} / R_{2} + 1}) \\ f_{Ao} = \frac{R_{1} + R_{2}}{2 π R_{1} R_{2} C} \end{matrix}

其中，R₁和R₂代表分压电阻；C代表滤波电容；u_BA’代表滤波后的线电压信号，|H(ω)|、ψ(ω)和f_Ao分别代表A相滤波器的幅频特性，相频特性和截止频率，ω为频域特性中的频率坐标。

本实施例中，最优的滤波器相关参数选择为R₁＝480kΩ，R₂＝240kΩ，C＝0.2μf，f_Ao＝5H_z。

同理，C相低通滤波电路的幅频特性、相频特性和截止频率为：

\{\begin{matrix} | H (ω) | = \frac{{u_{CA}}^{,}}{u_{CA}} \frac{1}{\sqrt{{(R_{1} / R_{2} + 1)}^{2} + {(R_{1} Cω)}^{2}}} \\ ψ (ω) = - \arctan (\frac{R_{1} Cω}{R_{1} / R_{2} + 1}) \\ f_{Co} = \frac{R_{1} + R_{2}}{2 π R_{1} R_{2} C} \end{matrix}

式中u_CA’代表滤波后的C相和A相之间的线电压信号，f_Co为C相低通滤波电路的截止频率。本实施例中，最优的滤波器相关参数选择为R₁＝480kΩ，R₂＝240kΩ，C＝0.2μf，d_Co＝5H_z。

其中，V_C代表电压比较器的电源电压，一般取为12V；u_BAp-p代表线电压u_BA的峰峰值，一般为380V；u_d(0)代表初始相电压，一般取为220V；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率，根据电网电压的波形，下限频率f_L一般取为45Hz，上限频率f_H一般取为60Hz；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.72。

对于线电压u_CA’经过电压比较器，要满足以下输入电压条件：

式中u_CAp-p代表线电压u_CA的峰峰值，f_Co为C相低通滤波电路的截止频率。

根据上述过零投切装置，实现电容组过零投切的方法为：当控制系统接收到电压无功控制装置合闸命令后，首先合上B相交流接触器，等B相交流接触器合闸完毕后，在B相与A相线电压过零点时，将A相可控硅组触发导通，然后再合上A相交流接触器；一旦A相交流接触器处于合闸位置，A相可控硅组两端的电压基本为0，A相可控硅组电流过零自然关断，A相电容器组正常投入；在B相与C相线电压过零点时，将C相可控硅组触发导通，然后再合上C相交流接触器；一旦C相交流接触器处于合闸位置，C相可控硅组两端的电压基本为0，C相可控硅组电流过零自然关断，C相电容器组正常投入。

在B相接触器的分/合闸过程中，由于A、C相可控硅组和交流接触器都为断开状态，所以分/合B相交流接触器不会产生电弧；而在A、C相交流接触器的分/合过程中，A、C相可控硅组都处在导通状态，接触器不需要灭弧功能。具体投入和切除电容组的控制逻辑分别设计为：在B相接触器的分/合闸过程中，由于A、C相可控硅组和交流接触器都为断开状态，所以分/合B相交流接触器不会产生电弧；而在A、C相交流接触器的分/合过程中，A、C相可控硅组都处在导通状态，接触器不需要灭弧功能。

本发明所述电容组过零投切装置的投切原理即为首先在线电压过零点触发导通相应的可控硅组，发挥电力电子开关无触点易控的优势，使电容器接入的瞬间暂态冲击大幅下降。随后将接触器合闸，可控硅两端被接触器短路后电流过零自然关断，通过接触器传输电能，避免可控硅长期工作产生较大功耗。

可控硅组由可控硅串联而成，每组设有阻容吸收回路、均压回路、换向过电压保护和击穿保护电路、故障自诊断系统。可控硅组采用冗余设计(7+1，在原来的基础上多加1层，增加了装置的可靠性)，任意一层可控硅损坏，整个系统仍能继续正常工作。可控硅组具体参数如下：

●额定电流： 600A；

●可控硅组额定电压： 10kV；

●可控硅额定电压： 6.5kV；

本实施例额定电压等级为10kV，额定电流为200A，额定频率为50HZ。本发明所述可控硅组控制系统主要包括控制器、光电转换器、传输光纤、触发板、高频电流源(给触发板供电)等。其中控制器的主要功能是接收电压无功控制装置发出的投切电容器组信号后，检测可控硅过零，确保可控硅组和交流接触器按正常顺序投入，同时检测可控硅两端电压，对可控硅组进行保护并将告警/保护信号返回给电压无功控制装置。

其中，可控硅导通实现采用光电触发方式，具有无干扰、一二次绝缘性好、体积与损耗小等优点。控制系统的主要功能是接收电压无功控制装置的电容器组投切信号，检测可控硅过零，确保可控硅组和交流接触器按正常顺序投入，同时检测可控硅两端电压，对可控硅组进行保护并将告警/保护信号返回给电压无功控制装置和后台监控中心。

A、C两相“复合开关”是系统构成中最关键的硬件部分，包括：A、C相可控硅组、触发板、高频电流源、单极交流真空接触器。可控硅组由两只反并联的可控硅组串联而成，每臂阀组设有阻容吸收回路、均压回路、换向过电压保护和击穿保护电路、故障自诊断系统，其中触发板由高频电流源供电。可控硅组采用冗余设计(7+1，在原来的基础上多加1层，增加了装置的可靠性)，任意一层可控硅损坏，整个阀体能继续正常工作。控制器通过执行指令发送触发信号给可控硅组的触发板，使得与其并联的接触器得以实现过零投切的效果。

控制器是系统构成中最核心的软件部分，包括：CPLD芯片或DSP芯片、电平转换器、光电隔离，其主要功能是接收电压无功控制装置的电容器组投切信号，检测可控硅过零，确保可控硅组和交流接触器按正常顺序投入，同时检测可控硅两端电压，对可控硅组进行保护并将告警/保护信号返回给电压无功控制装置。其中深度滤波器输出的信号通过电平转换器与CPLD芯片或DSP芯片相连，CPLD芯片或DSP芯片根据深度滤波器输出的信号发出触发信号，该信号经过电平转换芯片输出至光电转换系统进行隔离，再传输至触发板。本实施例中的CPLD芯片采用EPM1270T144C，如果是DSP芯片，则采用TMS320F28335。电平转换芯片采用具有可配置电压转换和3态输出的16位双电源总线收发器的SN74LVC16T245。

光电转换系统是系统构成中的软硬件交接通信部分，包括：光电转换器、传输光纤。其主要功能是实现控制器和可控硅组触发板之间的电信号进行光电信号的转换，并将光信号通过光纤传输，光纤不仅能进行信号传输，还能起到高压装置和低压控制系统之间的隔离作用。通过光纤传输的信号除了各个开关状态等数字量输入输出，还包括线电压的过零信号等状态信号。

投入和切除电容器时，合闸进程中，在电压过零点给可控硅组发送触发脉冲信号，将可控硅组触发导通，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，可控硅组自动关断。分闸进程中，首先给可控硅组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，再停止可控硅组触发脉冲信号，当通过可控硅组的电流为零时，可控硅自然关断(电流过零关断)。不管装置是处在合闸状态还是在分闸状态，可控硅组均没有通过电流。只有在合闸和分闸的过程中，可控硅组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)，可控硅组的发热很少，因此可控硅组不需要散热器，从而极大地降低了装置的体积和成本、提高了可靠性。

本发明所述装置的输出信号还可以包括：

1.告警信号(无源触点，常闭代表无告警)；

2.保护信号(无源触点，常闭代表无保护)；

3.电容组投入/切除信号(无源触点，常闭代表电容组投入)。

本发明所述装置的告警信号包括：

1.可控硅组告警(一层可控硅组损坏)；

2.可控硅状态返回告警(某一层中一个可控硅无返回状态信号)。

本发明所述装置的保护信号包括：

1.可控硅组保护(一层以上可控硅组损坏)；

2.电容器组投入失败保护(装置收到VQC投入电容器组命令后，无法按设计顺序投入电容器组)

3.电容器组切除失败保护(装置收到VQC切除电容器组命令后，无法按设计顺序切除电容器组)；

4.装置失电保护(装置控制器失去电源供应)；

5.急停保护(急停按钮按下)；

6.断路器和交流接触器位置错误保护；

7.电容器组异常切除保护；

8.电容器组异常投入保护。

本发明所述光电转换系统的主要功能是实现光电信号的转换，然后通过光纤传输，从而实现高低压的隔离，增加控制系统的可靠性和安全性。可控硅触发电子单元(高电位板)的电源采用电磁感应方式取能。借鉴世界知名SVC生产厂家(阿尔斯通、ABB等)的触发电路的优点，控制系统通过光纤来触发可控硅，实现强弱电之间的高压隔离。采用高可靠性、低成本的单极交流真空接触器。具备机械保持功能，配有8对辅助触点。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种高压并联电容器智能过零投切装置，其特征在于：由可控硅组、单极交流真空接触器、控制器、光电转换系统、深度滤波器和触发板组成，其中可控硅组包括A相串联的8组反并联可控硅和C相串联的8组反并联的可控硅，单极交流真空接触器包括A相单极交流真空接触器和C相单极交流真空接触器，光电转换系统包括光电转换器和传输光纤，其主要功能是实现控制器和可控硅组触发板之间的电信号进行光电信号的转换，并将光信号通过光纤传输，光纤不仅能进行信号传输，还能起到高压装置和低压控制系统之间的隔离作用；触发板与每个可控硅的控制极相连，8组反并联的可控硅共配16个触发板，触发板用以输出触发可控硅组所需的触发信号，A相与B相线电压信号以及C相与B相线电压信号经过深度滤波器后与控制器相连，其中深度滤波器包括低通滤波电路、电压比较电路和光耦隔离电路；A相可控硅组与A相单极交流真空接触器并联，组成A相复合开关，C相可控硅组与C相单极交流真空接触器并联，组成C相复合开关，A相复合开关和C相复合开关的一端连接常规断路器，另一端连接相应的电容器和电感，控制器通过光电转换系统与触发板相连，通过执行电压无功控制装置发出的指令，发送触发信号给可控硅组的触发板，使得与其并联的接触器得以实现过零投切的效果；

\{\begin{matrix} | H (ω) | = \frac{{u_{BA}}^{,}}{u_{BA}} \frac{1}{\sqrt{{(R_{1} / R_{2} + 1)}^{2} + {(R_{1} Cω)}^{2}}} \\ ψ (ω) = - \arctan (\frac{R_{1} Cω}{R_{1} / R_{2} + 1}) \\ f_{Ao} = \frac{R_{1} + R_{2}}{2 π R_{1} R_{2} C} \end{matrix}

其中，V_C代表电压比较器的电源电压；u_BAp-p代表线电压u_BA的峰峰值；u_d(0)代表初始相电压；f_L和f_H分别代表所设定的下限频率和上限频率；λ＝1.5～2代表安全系数，最优值为1.72，对于C相和A相之间的线电压来说具有同样的表达式。

2.根据权利要求1所述的高压并联电容器智能过零投切装置，其特征在于：实现电容器过零投切的方法为：