1．项目背景

近几年来，随着社会经济的不断发展，对电能质量也提出了更高的要求，大量的并联电容器组应用于10kV和35kV配电系统中，补偿系统无功功率，以提高电网电压和功率因数。而且随着电网容量的不断增加，并联电容器总装容量及单组容量亦越来越大。

然而，10kV并联电容器组是一种操作频繁的电气设备，需要按电网系统电压和无功功率的变化进行频繁投切。而目前10kV以上电网主要采用真空断路器投切电容器组，由于电容电流与电压的相角差和断路器开断性能的影响，投电容器组时可能会发生弹跳现象，切电容器组时易出现重燃过电压，从而可能给电容器造成危害，使其早期损坏，进而带来扩大性事故。频繁的过电压给电容器带来的危害有：使电容器绝缘介质老化加速，其老化速度与其施加的电压和温度有关，一般认为，电压升高10%，电容器的寿命减少一半；过电压会使电容器的自愈性提前失效；使电容器的局部放电加剧，促进绝缘老化和电容量的衰减；同时，电容器组投入时还会产生很大的冲击涌流，涌流的频率在几百赫到几千赫间，幅值比电容器正常工作电流大几倍甚至几十倍，持续时间数十毫秒。这些对电容器组安全运行和使用寿命都构成了严重威胁。因而，并联电容器组是电力系统中最频繁，事故率也最高的系统之一。

虽然电容器故障本身的影响并不大，但若其故障发展成扩大性事故则可能造成严重影响，如爆炸、起火等。此外在电容器组投切过程中所引起的暂态过程还会造成电网设备绝缘恶化、电能质量下降、干扰灵敏度高的电气设备正常工作等问题。因此，削弱电容器组投切引起的暂态过程的影响在供电质量要求越来越严格的背景下已经成为电力工作者迫切需要解决的问题。

对于电容器切除时中产生的操作过电压可以通过在电容器系统上安装氧化锌避雷器，利用其非线性伏安特性限制过电压幅值。而对于电容器投入时产生的过电流，常规的解决方法是在主回路中串联电抗器，利用其特性限制涌流的大小，达到保护电容器系统的目的。但是，这种方案并没有从根本上解决电容器投入过程中的涌流问题。因此，本项目拟基于新一代嵌入式计算机测控系统软硬件平台，研制具有自适应合闸角控制功能的电容器保护系统，该系统除具有常规电容器保护功能外，还能根据电网和电容器的实时状态实现电容器合闸时的最优合闸角控制，从根本上消除了电容器投入时的冲击涌流。

重庆电网是国家电网的重要枢纽和门户，电网中使用了大量并联电容器设备。通过本项目的实施，从根本上解决了电容器投入时的过电流问题，从而大大提高了电容器的运行安全性和使用寿命，具有巨大的社会经济效益。该项目成果首先在重庆电网实施，成功后可向全网推广应用。

2. 研究现状

2.1 传统技术

传统上一般采用预插电阻、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(MOA)等方法来削弱这些暂态过程。

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，主要用于抑制投切电容器组所引起的瞬态冲击。该法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7-12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阻容吸收系统

R-C阻容吸收系统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，与电容器联的电阻R则起着释放部分能量的作用。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。

4）氧化锌避雷器(MOA)

MOA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MOA之后，可使相对地的操作过压限制到1.6-1.8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MOA损坏或爆炸，进而引发大面积停电事故。

2.2 同步投切技术

电容器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、高可靠供电的需求，目前所采用的传统措施不能从根本上解决问题，于是人们提出了同步（选相控制）投切技术。选相投切技术的概念最早出现于1970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相位完成合闸或分闸，实现无冲击的平滑过渡，能有效地削弱开关瞬态电磁效应。

采用同步技术投切电容器组，不仅能够有效地抑制投切电容器组所带来的暂态冲击，而且可以省掉合闸电阻、合闸电感或避雷器等辅助设备，降低成本。选相投切技术自1990年代实用化以来，在欧美市场的使用数量与范围迅速扩大。1998年，国际大电网会议(CIGRE)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。选相系统的费用相对低廉，只需在电力系统现有设备的基础上做简单修改，辅以少量的硬件设备，更新相应软件算法，就能用于选相投切。同步快速开关在高压和超高压领域被广泛使用并取得了令人满意的效果，但在10kV系统很少有应用报道。在中压领域，传统的弹簧机构和电磁机构动作时间分散性大，难以满足操作时间一致性高的要求。直到1990年代末，新型永磁机构和电子操动的出现为中压领域同步快速开关的实现提供了硬件基础，其具有单相操作机构、机械部件少、分闸速度快、动作时间分散性小、电子操动便于实现各种控制等优点，特别适用于电容器组同步关合的相控开关。

近年来国内针对同步开关技术实现电容器组的投切问题在理论和可行性方面作了一些探讨和研究，但目前在中压领域还没有具体的实际应用以及相关的成熟产品。且现有的研究主要采用检测电网电压状态进行合闸角控制，尚无综合考虑电容器自身状态的自适应合闸角控制方面的研究。

3．项目所完成的主要工作

为此，本项目在利用德国进口的单相快速开关基础上，针对具有自适应合闸角控制功能的电容器保护开展理论研究和系统开发，所完成主要工作如下：

1）研究集先进多核片上系统技术、并行处理技术、各种大容量存储技术和各种接口技术的工业控制级并行处理计算机硬件系统的实现技术与测试技术；

2）研究支持从硬件层到应用层的嵌入式实时多任务调度的嵌入式计算机操作系统的实现技术和测试技术；

3）分析电力电容器投入时过电流的产生机理，研究基于电网和电容器自身状态的电容器最优合闸角控制方案；

4）基于单相快速开关和新一代嵌入式计算机测控系统软硬件平台，研制具有自适应合闸角控制功能的电力电容器保护系统.

4. 技术关键和重点解决的技术问题及对电网运行的意义

并联电容器组是一种操作频繁的电气设备，需要按电网系统电压和无功功率的变化进行频繁投切。由于电容器电压与电流间相位差的影响，在电容器组投切瞬间可能产生幅值很大的冲击涌流和很高的过电压，对电容器组安全运行和使用寿命造成严重影响。本项目拟通过对电容器投入时合闸角的优化控制，从根本上解决冲击涌流问题。通过对电力电容器投入时的过电流产生机理的分析，研究基于电网和电容器自身状态的电容器最优合闸角控制方案和保护系统(相控系统)。通过本项目的实施，能从根本上解决电容器投入时的过电流问题，大大提高电容器和投切开关的运行安全性和使用寿命，提高功率因数，降低网络损耗，稳定母线电压，减少维护费用，提高系统的安全稳定运行。

相控系统技术的应用对电网安全运行的意义：

1、          消除了由于合闸涌流，操作过电压对系统及电容器设备造成的危害；

2、          提高功率因数，降低网络损耗，稳定母线电压；

3、          提高电容器和投切开关的使用寿命，减少维护费用；

4、          可频繁投切，实现了变电站无功自动补偿功能，满足了变电站综合自动化要求；

5、          改善电网的电压质量，提高电力系统输、变电设备的传输能力，对电力系统具有重大意义及产生巨大经济效益。

5．项目进度

1、2012年3月～2012年4月，理论研究、仿真建模、自适应合闸角控制策略、保护系统(相控系统)研发；

2、2012年4月～2012年5月，保护系统(相控系统)的安装、调试和投入运行；

3、2012年5月～2012年7月，项目结题验收并推广应用。

6.此科技产品在其它地区的应用情况