CN104218593B - 一种用于配电网的串联电容器补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于配电网的串联电容器补偿装置，所述装置包括通过串联隔离开关与旁路断路器两端连接的串联电容器组，所述串联隔离开关与所述串联电容器组之间连接接地开关，所述串联电容器组与串联的晶闸管和阻尼装置并联。该串联电容器补偿装置适合于配电网，主电路结构更为简化，可靠性更高，且该主电路结构保证串联电容器补偿装置本身故障维修和更换时不造成所在线路的停电。
Description
技术领域
本发明涉及一种串联电容器补偿技术领域的装置，具体讲涉及一种用于配电网的串联电容器补偿装置。
背景技术
串联电容器补偿装置是将电容器组串联于交流输电线路中，用于补偿交流输电线路的部分感性阻抗，从而达到增加线路的输送容量、提高***的稳定性、节约投资等目的。在远距离、大容量输电***中，随着输电距离的增加，输电线路的输送能力受到越来越多的限制。串联电容器补偿装置是解决这个问题，提高输电线路输送能力的重要手段之一，具有非常巨大的经济价值，已经在世界各国电力***中获得广泛的应用。
20世纪80年代以前，大部分固定串联电容器补偿装置没有金属氧化物限压器，只用火花间隙来限制串联电容器组的过电压。区外故障时，只用火花间隙的主电路结构会影响串联电容器组的快速重投，这对提高***的暂态稳定性是非常不利的。
20世纪80年代以来，引入了金属氧化物限压器，解决了区外故障时串联电容器组快速重投的问题。超高压、特高压输电***固定串联电容器补偿装置的典型主电路结构如图1所示，包括旁路隔离开关10、串联隔离开关2、接地开关3、串联电容器组4、金属氧化物限压器11、阻尼装置6、火花间隙12、旁路断路器1，其中，串联隔离开关2和接地开关3存在互锁关系。
在配电网中采用串联电容器补偿装置，主要用于补偿线路的感性压降，改善电压质量。如，10kV的供电半径通常在10公里以内，一般不超过15公里。变电站的典型设计应能确保大多数负载都能满足上述要求，但有时也会有个别10kV的供电线路会超过15公里。对于超过15公里的10kV配电线路普遍存在电压问题，可用串联电容器补偿装置来改善电压质量。
配电网对可靠性、灵活性等方面的要求不如超高压、特高压电网，但对设备的经济性和紧凑性要求更高，更加侧重于用经济、有效的方案解决配电网存在的问题。尽管如图1中所示的超高压、特高压输电***固定串联电容器补偿装置的典型主电路结构可以不做修改，直接应用到电压等级较低的配电网中，但是没有充分利用并适应配电网的特点。根据配电网对于低成本、占地面积小等方面的要求，研究并提出适合于配电网用的、较为简化的固定串补主电路结构，且该主电路结构应保证串补设备本身故障维修和更换时不应造成所在线路的停电是现在需解决的问题。
因此，需要提供一种新的用于配电网的串联电容器补偿装置。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于配电网的串联电容器补偿装置。
实现上述目的所采用的解决方案为：
一种用于配电网的串联电容器补偿装置，其改进之处在于：所述装置包括用串联隔离开关与旁路断路器两端连接的串联电容器组，所述串联隔离开关与所述串联电容器组之间连接接地开关，所述串联电容器组与串联的晶闸管和阻尼装置并联。
进一步的，所述晶闸管为反并联晶闸管或双向晶闸管；所述晶闸管采用自冷却方式。
进一步的，所述反并联晶闸管和所述双向晶闸管采用压接式晶闸管或焊接式晶闸管。
进一步的，所述串联电容器组一侧连接所述接地开关或两侧分别连接所述接地开关。
进一步的，所述串联隔离开关和所述接地开关存在机械互锁关系；
当所述接地开关合闸时，所述串联隔离开关不能合闸；
当所述接地开关分闸时，才可操作所述串联隔离开关；
只有在所述串联隔离开关分闸的情况下，所述接地开关才能合闸。
进一步的，先操作与所述接地开关存在机械互锁关系的串联隔离开关，后操作另一串联隔离开关。
进一步的，所述串联电容器补偿装置的进线侧安装电流互感器，所述串联电容器组并联电容电压测量回路。
进一步的，所述电容电压测量回路为电压互感器或电阻分压器。
进一步的，所述串联电容器补偿装置配置避雷器。
进一步的，所述避雷器的设置方案包括以下情况：
A、所述避雷器安装在进线侧和出线侧；
B、在进线侧或出线侧配置避雷器及串联电容器组并联避雷器；
C、若进线侧输电线已配置避雷器，且该避雷器满足所述串联电容器补偿装置限制雷电过电压的要求，则省略进线侧避雷器；
D、若出线侧输电线已配置避雷器，且该避雷器满足所述串联电容器补偿装置限制雷电过电压的要求，则省略出线侧避雷器。
进一步的，当所述旁路断路器分闸，所述晶闸管闭锁，所述串联隔离开关合闸时，所述串联电容器补偿装置为投入状态；
当所述旁路断路器合闸，所述晶闸管闭锁，所述串联隔离开关分闸时，所述串联电容器补偿装置为退出状态。
进一步的，所述投入状态和所述退出状态进行部分配合的状态转换或全配合的状态转换。
进一步的，所述部分配合的状态转换的方式中由所述退出状态转换到所述投入状态的方法为：闭合所述串联隔离开关，断开所述旁路断路器；
所述部分配合的状态转换的方式中由所述投入状态转换到所述退出状态的方法为：依次完成导通所述晶闸管，闭合所述旁路断路器，闭锁所述晶闸管，断开所述串联隔离开关。
进一步的，所述全配合的状态转换中由所述退出状态转换到所述投入状态的方法为：闭合串联隔离开关并确保处于合位，发送所述晶闸管的触发信号；断开所述旁路断路器并延迟预定时间确保线路电流从所述旁路断路器换流到所述晶闸管；闭锁所述晶闸管的触发信号；
所述全配合的状态转换中由所述投入状态转换到所述退出状态的方法为：导通所述晶闸管，闭合所述旁路断路器，闭锁所述晶闸管，断开所述串联隔离开关。
进一步的，所述阻尼装置为品质因数小于30的阻尼电抗器或阻尼电阻器与阻尼电抗器并联的电路。
进一步的，通过进线侧的所述电流互感器测量值判断出配电网发生短路故障，使晶闸管导通和旁路断路器合闸，所述晶闸管导通保护串联电容器，所述旁路断路器的随后合闸保护晶闸管。
进一步的，通过进线侧所述电流互感器的测量值和所述电容电压测量回路的测量值确定所述串联电容器组的容值，并通过所述串联电容器组容值的变化判断所述串联电容器组中电容器单元的损坏程度。
进一步的，当所述串联电容器补偿装置为投入状态时，所述串联电容器组电压测量值与线路电流测量值所对应电容电压值的比值小于等于90％时，则判断晶闸管发生短路损坏。
进一步的，所述串联电容器补偿装置由所述投入状态转换到所述退出状态的过程中，有20-100ms时间内，若线路电流测量值所对应的电容电压值与所述串联电容器组的电压测量值不相等，则认为晶闸管导通起作用，即晶闸管没有发生开路损坏；
若线路电流测量值所对应的电容电压值与所述串联电容器组的电压测量值相等，则判断晶闸管未导通，即晶闸管发生开路损坏。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的装置中采用晶闸管，相比现有技术中体积相对较大的金属氧化物限压器来说，采用自冷却的晶闸管更加小巧，有利于装置的合理布局，减少占地面积。
2、本发明提供的装置中采用晶闸管，该晶闸管可通过光纤与控制器进行相应的信息交换，更易于检测，而现有技术中采用金属氧化物限压器损坏，则需要较为复杂的仪器和方式进行检查。
3、当本装置中的晶闸管阀中的个别晶闸管损坏，只替换损坏的晶闸管即可，成本低，维护方便；而现有技术中采用的金属氧化物限压器中个别阀片损坏后，只更换个别阀片，很难获得一致的非线性伏安特性，因此，通常只能更换整个金属氧化物限压器，成本相对较高。
4、晶闸管保护动作时间从控制***检测到晶闸管导通基本不大于100us，响应速度非常快，接近于金属氧化物限压器的响应速度。
5、本发明提供的装置中采用晶闸管和旁路断路器可确保更换电容器、晶闸管等设备时所在线路不停电。
6、本发明提供的装置采用的分设备较少，在降低整套串补成本的前提下，接线也大为简化，因此提高了整个装置的可靠性。
7、本发明提供的装置中采用自冷式的晶闸管，其冷却时间只有几秒，可以快速重新投入串联电容器，而金属氧化物限压器的冷却时间需要三到四个小时，需要等待几小时后才能重新投入串联电容器，对***的影响较大。
8、本发明提供的装置中采用自冷却的晶闸管配合旁路断路器的投切，能够最大限度地减少旁路断路器的燃弧、缩短燃弧持续时间，从而减少旁路断路器的磨损，延长旁路断路器的维护间隔时间。
9、本发明提供的装置中采用串联电容器组的容值测量，实现对串联电容器组的在线监测功能，实时检测串联电容器组的容值变化，便于预判串联电容器组的各种故障，以及维修更换计划的提前安排。
10、本发明在装置状态转换过程中利用电容电压测量值和线路电流测量值的对应关系，判断晶闸管是否发生开路损坏或短路损坏。
附图说明
图1为固定串补的典型主电路结构示意图；
图2为本发明中用于配电网的串联电容器补偿装置的主电路结构示意图；
图3为本实施例中串联电容器补偿装置的应用主电路示意图；
附图标记：1-旁路断路器，2-串联隔离开关，3-接地开关，4-串联电容器组，5-晶闸管，6-阻尼装置，7-电压互感器兼电容器放电电路，8-避雷器，9-电流互感器，10-旁路隔离开关，11-金属氧化物限压器，12-火花间隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如图2所示，图2为本发明中用于配电网的串联电容器补偿装置的主电路结构示意图，本发明提供了一种串联电容器补偿装置，该装置包括：旁路断路器1，串联隔离开关2，接地开关3，串联电容器组4，晶闸管5，阻尼装置6。
串联电容器组4通过串联隔离开关2与旁路断路器1的两端连接，所述串联隔离开关2与所述串联电容器组4之间连接接地开关3，晶闸管5和阻尼装置6串联，串联的晶闸管5和阻尼装置6与所述串联电容器组4并联。
串联电容器组4一侧连接接地开关3或两侧分别连接所述接地开关3。
所述串联隔离开关2和所述接地开关3存在机械互锁关系，具体包括以下情况：
当所述接地开关3合闸时，所述串联隔离开关2不能合闸；
当所述接地开关3分闸时，才可操作所述串联隔离开关2；
只有在所述串联隔离开关2分闸的情况下，所述接地开关3才能合闸。
优先操作与所述接地开关存在机械互锁关系的串联隔离开关，后操作另一所述串联隔离开关。
旁路断路器1采用空气断路器或空气开关，需满足下述要求：
1、应能开断配电网所在线路相应的负荷电流；
2、应能承受配电网所在线路相应的短路电流；
3、应具有配电网所在线路相应的短路电流关合能力；
4、可不具有配电网所在线路相应短路电流的开断能力。
由于所在线路的线路断路器负责开断短路电流，旁路断路器1可不具备短路电流开断能力。
晶闸管5采用反并联晶闸管或双向晶闸管。反并联晶闸管采用压接式晶闸管或焊接式晶闸管；双向晶闸管采用压接式晶闸管或焊接式晶闸管。
晶闸管5损坏对策分析：晶闸管损坏通常可分为两种状态，一为短路情况，压接式晶闸管损坏时，通常是短路；二是开路情况，焊接式晶闸管损坏时，通常是开路。
本发明提供的串联电容器补偿装置包括两种状态：投入状态和退出状态。
当所述旁路断路器分闸，所述晶闸管闭锁，所述串联隔离开关合闸时，所述串联电容器补偿装置为投入状态。
当所述旁路断路器合闸，所述晶闸管闭锁，所述串联隔离开关分闸时，所述串联电容器补偿装置为退出状态。
本发明提供的串联电容器补偿装置的投入状态和退出状态进行转换的策略包括：部分配合的状态转换或全配合的状态转换。
部分配合的状态转换包括：
由退出状态转换到投入状态的方法为：合闸所述串联隔离开关，分闸所述旁路断路器；
由投入状态转换到退出状态的方法为：先导通所述晶闸管，合闸所述旁路断路器，再闭锁所述晶闸管，分闸所述串联隔离开关。
全配合的状态转换包括：
由退出状态转换到投入状态的方法为：串联隔离开关合闸并确保处于合位，发送所述晶闸管的触发信号，再分闸所述旁路断路器并延迟预定时间确保线路电流从所述旁路断路器换流到所述晶闸管，再闭锁所述晶闸管的触发信号；
由投入状态转换到退出状态的方法为：先导通所述晶闸管，合闸所述旁路断路器，再闭锁所述晶闸管，分闸所述串联隔离开关。
上述两种转换策略中，晶闸管5均只用于辅助串联电容器补偿装置的状态转换，晶闸管5持续导通的时间比较短，因此，晶闸管5可采用自冷却的散热方式，与水冷、风冷等方式相比采用自冷却相对简单可靠。
旁路断路器1分闸，线路电流流过串联电容器补偿装置，如此时串联电容器组4仍被短接，则可判断晶闸管5产生短路损坏。
当串联电容器补偿装置为投入状态时，串联电容器组的电压测量值明显小于线路电流测量值所对应的电压值，则判断可能晶闸管发生短路损坏。
需要说明的是：1、上述串联电容器组的电压测量值明显小于线路电流测量值所对应的电压值是指在误差范围以外；如：设定串联电容器组的电压测量值占线路电流测量值对应的电压值比值小于等于90％，则判断晶闸管发生短路损坏。具体的误差范围可根据实际情况而定。
例如，线路电流测量值所对应的电容电压值为100V，串联电容器组的电压测量值为98V，则2V的误差，认为晶闸管无故障；若串联电容器组的电压测量值为70V，明显小于线路电流测量值所对应的电容电压值，认为晶闸管发生短路损坏，在判断晶闸管发生短路损坏后需结合使用环境等对晶闸管做进一步检查。
2、晶闸管发生短路损坏为故障情况之一，也可能是其他故障，因此，在实际应用中，当判断晶闸管发生短路损坏后需结合使用环境等对晶闸管做进一步检查。
串联电容器补偿装置由投入状态转换到退出状态过程中，有一小段时间(如：1到3个工频周波之间，即20-60ms之间)内，相应的线路电流测量值若没有得到串联电容器组电容容值所对应的电容电压，而是比较小(如小于100V)的电容电压，则可判断出晶闸管5导通起作用，没有发生开路损坏；相应的线路电流测量值若得到串联电容器组电容容值所对应的电容电压，而不是比较小(如小于100V)的电容电压，则可判断出晶闸管5没有导通，而可能是发生开路损坏。
需要说明的是：1、上述相应的电容电压值在误差范围内；即，若线路电流测量值相应的电容电压占串联电容器组电容容值所对应的电容电压比值小于等于95％，则认为线路电流所对应的电容电压为比较小的电容电压。具体的误差范围可根据实际情况而定。
例如：理想的相应的电容电压为10V，而测得的电容电压为9.8V，则同样认为9.8V的电压为正确的电容电压值。
2、上述发生开路损坏是故障情况的一种，也可能是其他故障，因此，在实际应用中，当判断晶闸管发生短路损坏后，需结合使用环境等对晶闸管做进一步检查。
阻尼装置采用品质因数小于30的阻尼电抗器或采用阻尼电阻器与阻尼电抗器并联的电路。
又一实施例中，串联电容器补偿装置配置避雷器；串联电容器补偿装置的进线侧安装电流互感器，所述串联电容器组并联电容电压测量回路。
电容电压测量回路采用电压互感器或电阻分压器。电压互感器和电阻分压器都可以兼做电容器组放电电路，从这个角度来讲，这两者是相同的。考虑到电压互感器还具有电气隔离作用，而电阻分压器却没有电气隔离作用，因此，正常情况下，应该优选电压互感器方案。
上述避雷针按下列方法安装；
1、在进线侧和出线侧各配置一个避雷器；
2、在接线侧或出线侧配置一个避雷器，增加一个和串联电容器组并联的避雷器；
3、如进线侧输电线附近已配置避雷器，且该避雷器能够满足串联电容器补偿装置限制雷电过电压的要求，则可省略进线侧避雷器。
4、如出线侧输电线附近已配置避雷器，且该避雷器能够满足串联电容器补偿装置限制雷电过电压的要求，则可省略出线侧避雷器。
如图3所示，图3为本实施例中串联电容器补偿装置的应用主电路结构示意图；本实施例中，选用电压互感器作为电容电压测量回路。串联电容器补偿装置配置避雷器，在进线侧和出线侧各配置一个避雷器。串联电容器补偿装置的进线侧安装电流互感器。
本实施例中，也可在进线侧或出线侧的一侧配置一个避雷器的前提下，再增加一个和串联电容器组4并联的避雷器。若进线侧的输电线附近已配置了避雷器，并经过计算校核后，该避雷器能够满足限制雷电过电压的要求，则图3中进线侧的避雷器8可省略。若出线侧的输电线附近已配置了避雷器，并经过计算校核后，该避雷器能够满足限制雷电过电压的要求，则图3中出线侧的避雷器8可省略。
电流互感器9用于测量流入串联电容器补偿装置的电流，为各种控制和保护策略的实现提供相应的输入量。
通过进线侧的电流互感器测量值判断出配电网发生短路故障，命令晶闸管导通和旁路断路器合闸，晶闸管的快速导通可以保护串联电容器，旁路断路器的随后合闸可以保护晶闸管。
利用电流互感器9和电压互感器7的测量结果，可估算出串联电容器组4的电容容值，并可根据串联电容器组4容值的变化去评估串联电容器组4的运行状态，即通过串联电容器组容值的变化判断所述串联电容器组中电容器单元的损坏程度。
在串联电容器组中包括若干串联或/和并联的电容器单元，电容器单元包括多个电容器元件，损坏程度表示电容器单元中损坏的电容器元件占所述串联电容器组总元件数的百分比。
例如，一个电容器单元包括一百个电容器元件，若损坏一个电容器元件，则认为损坏程度为百分之一，若损坏十个，则认为损坏程度为百分之十。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于配电网的串联电容器补偿装置，其特征在于；
一种用于配电网的串联电容器补偿装置，其特征在于：所述装置包括用串联隔离开关与旁路断路器两端连接的串联电容器组，所述串联隔离开关与所述串联电容器组之间连接接地开关，所述串联电容器组与串联的晶闸管和阻尼装置并联；
所述晶闸管为反并联晶闸管或双向晶闸管；所述晶闸管采用自冷却方式；
所述反并联晶闸管和所述双向晶闸管采用压接式晶闸管或焊接式晶闸管；
所述串联电容器组一侧连接所述接地开关或两侧分别连接所述接地开关；
所述串联隔离开关和所述接地开关存在机械互锁关系；
当所述接地开关合闸时，所述串联隔离开关不能合闸；
当所述接地开关分闸时，才可操作所述串联隔离开关；
只有在所述串联隔离开关分闸的情况下，所述接地开关才能合闸；
先操作与所述接地开关存在机械互锁关系的串联隔离开关，后操作另一串联隔离开关；
所述旁路断路器分闸，所述晶闸管闭锁，所述串联隔离开关合闸时，所述串联电容器补偿装置为投入状态；
所述旁路断路器合闸，所述晶闸管闭锁，所述串联隔离开关分闸时，所述串联电容器补偿装置为退出状态；
所述投入状态和所述退出状态进行部分配合的状态转换或全配合的状态转换；
所述部分配合的状态转换的方式中由所述退出状态转换到所述投入状态的方法为：闭合所述串联隔离开关，断开所述旁路断路器，闭锁所述晶闸管，断开所述串联隔离开关；
所述串联电容器补偿装置的进线侧安装电流互感器，所述串联电容器组并联电容电压测量回路；
所述电容电压测量回路为电压互感器或电阻分压器；
所述串联电容器补偿装置配置避雷器；
所述避雷器的设置方案包括以下情况：
A、所述避雷器安装在进线侧和出线侧；
B、在进线侧或出线侧配置避雷器及串联电容器组并联避雷器；
C、若进线侧输电线已配置避雷器，且该避雷器满足所述串联电容器补偿装置限制雷电过电压的要求，则省略进线侧避雷器；
D、若出线侧输电线已配置避雷器，且该避雷器满足所述串联电容器补偿装置限制雷电过电压的要求，则省略出线侧避雷器。
2.如权利要求1所述的一种用于配电网的串联电容器补偿装置，其特征在于：所述全配合的状态转换中由所述退出状态转换到所述投入状态的方法为：闭合串联隔离开关并确保处于合位，发送所述晶闸管的触发信号；断开所述旁路断路器并延迟预定时间确保线路电流从所述旁路断路器换流到所述晶闸管；闭锁所述晶闸管的触发信号；
所述全配合的状态转换中由所述投入状态转换到所述退出状态的方法为：导通所述晶闸管，闭合所述旁路断路器，闭锁所述晶闸管，断开所述串联隔离开关。
3.如权利要求1所述的一种用于配电网的串联电容器补偿装置，其特征在于：所述阻尼装置为品质因数小于30的阻尼电抗器或阻尼电阻器与阻尼电抗器并联的电路。
4.如权利要求1所述的一种用于配电网的串联电容器补偿装置，其特征在于：通过进线侧的所述电流互感器测量值判断出配电网发生短路故障，使晶闸管导通和旁路断路器合闸，所述晶闸管导通保护串联电容器，所述旁路断路器的随后合闸保护晶闸管。
5.如权利要求1所述的一种用于配电网的串联电容器补偿装置，其特征在于：通过进线侧所述电流互感器的测量值和所述电容电压测量回路的测量值确定所述串联电容器组的容值，并通过所述串联电容器组容值的变化判断所述串联电容器组中电容器单元的损坏程度。
6.如权利要求1或2任一所述的一种用于配电网的串联电容器补偿装置，其特征在于：当所述串联电容器补偿装置为投入状态时，所述串联电容器组电压测量值与线路电流测量值所对应电容电压值的比值小于等于90％时，则判断晶闸管发生短路损坏。
7.如权利要求1或2任一所述的一种用于配电网的串联电容器补偿装置，其特征在于：所述串联电容器补偿装置由所述投入状态转换到所述退出状态的过程中，有20-100ms时间内，若线路电流测量值所对应的电容电压值与所述串联电容器组的电压测量值不相等，则认为晶闸管导通起作用，即晶闸管没有发生开路损坏；若线路电流测量值所对应的电容电压值与所述串联电容器组的电压测量值相等，则判断晶闸管未导通，即晶闸管发生开路损坏。
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