ABB串补耦合电容器平台供电可靠性研究

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　　0引言
　　由于串补平台需要对地绝缘，如何提高平台上设备供电可靠性成为影响串补可靠工作的重要条件。由ABB公司制造的带有新型快速开关（开普托CapThor由极快动作的高功率等离子体开关和一个并联的快速机械开关组成，代替常规火花间隙）的串补装置，采用了新型的取能方式，通过耦合电容器分压原理从线路直接取能，该技术在网内领先，该系统有效规避了线路电流对平台供电的影响，具有双重化冗余配置并具备完善的监控和保护系统。本文通过对该供电方式的阐述以及与其他平台供电方式的对比，提出该供电方式存在的优缺点，对此类取能系统在运行中出现的故障和问题进行分析，提出了提高该串补系统运行可靠性的建议和方法。
　　1 现阶段串补平台设备供电模式对比
　　1.1 通过线路CT直接取能
　　通过CT电磁感应直接从串联电容器两端的母线上取能，为平台设备及储能设备供电。CT取能技术相对其他两种功能方式更加成熟，供电可靠，成本低且无需考虑对地绝缘问题。适用于各种运行方式下线路电流相对稳定或变化不大的场合，但是当线路电流小于要求值时取能回路将不能正常工作。
　　1.2 平台下方激光供能
　　能量通过光纤以光的形式从平台下方传送到平台上方，不仅容易满足平台对地和平台间电气绝缘的要求。而且光纤的两端没有电气上的直接连接，也不受电磁干扰的影响，稳定可靠。但激光的波长和输出功率会受到温度的影响，如果对输出能量精度有要求就需要对光纤及设备的温度进行控制。而且激光供能受输出功率的限制，每路光纤所能传送功率有限，为了达到平台设备的要求往往需要多路光纤。光电接口设备由于长期工作容易损坏。
　　1.3 耦合电容器分压取能
　　在线路和地面之间加入耦合电容器，用线路经过耦合电容器流向地面的工频电流作为电源。通过电容器的参数选择可以控制电源电流的有效值，再通过变压器将电源送到各个部件。电路对地电压相对于母线电流更加稳定，不受线路电流的影响。但这种供电方式需要在电气隔离、过电压防护和电磁兼容方面具有更完善的设计。
　　1.4 多种供能方式综合使用
　　各个厂家在设计串补平台取能回路时往往不局限于一种方式，并在取能回路中增加储能元件以增加运行可靠性。例如采用充电电池或储能电容器作为辅助手段避免因主电源丢失带来的一次设备拒动。现阶段大部分串补厂家采用CT取能加激光供能：正常时使用CT取能作为供电手段，当线路电流低于设计要求时自动切换为激光供能。这种方式有效解决了CT取能的小电流死区问题，在实际运行中较为稳定。

　　2 耦合电容器方式平台供电模式存在的问题及解决思路
　　2.1 耦合电容器方式平台供电回路介绍
　　为了使CapThor能被可靠操作与监控，其相应的操作及监视单元（OSU）安装在串补平台。OSU模块的供电通过耦合电容器串联在线路和地之间，由分压原理从线路取能。其通讯系统通过光纤与平台下方保护室的控制装置相连接如图1所示。
　　选取耦合电容器的电容量配合线路电压可提供恒定有效值的电流，供电回路由两个串联的主变压器与耦图1取能简易原理图
　　合电容器形成冗余的电源。每个主变压器的二次侧又由多个变比不同的辅助变压器串联在一起。主副变压器、整流元件和其他电子元件一起，对CapThor的操作储能电容器进行充电和监视，如图2所示。
　　每套储能电容器并联在整流元件的直流侧，由两个供电系统同时供电。当保护需要动作时，控制系统对晶闸管控制单元发出命令，操作命令控制储能电容器回路中晶闸管的开闭，最终控制开普托的动作。每个供电系统同时对以下设备供电：通信接口板卡PS932以及为PS932供电的OSU24供电板卡；晶闸管控制回路及为晶闸管供电的OSU300板卡；为CapThor跳、合闸回路供电的OSU1200板卡；为CapThor等离子触发回路供电的OSU2400板卡。由于以上元件需要的工作电压不同，特别是用于触发的回路需要2400V直流电源，所以需要在耦合电容器分压后再用不同型号的变压器将电压调整到需要的电压等级。图2串补供电回路简图
　　
　　3现有问题及解决方法
　　在实际运行过程中发生了几次供电回路相关的故障，这些故障反应了串补装置供电系统中存在的问题，通过解决现有的问题优化了部分回路设计，优化后的回路更加稳定。
　　3.1OSU300板卡保护回路问题分析
　　OSU300板卡为CapThor合闸、分闸、触发的晶闸管控制单元提供电源，若OSU300板卡故障将失去所有这些电源，致使CapThor无法操作，所以取能系统中包括OSU300板卡在内的所有供电板卡都有相应的保护回路。保护回路由两对反向串联的二极管和一只双向可控硅组成，当充电电压过高时二极管反向导通，通过双向可控硅控制极导通晶闸管将辅助变压器的一次侧线圈短接，当充电电压降低时双向可控硅再次打开，辅助变压器恢复正常工作。如遇到暂态冲击会造成电压控制用二极管、双向可控硅栅极损坏，当这些电子元件性能破坏后双向可控硅会在较低的电压下提前导通，导致无法将回路中的储能电容充电到300V的正常电压值。为了提高双向可控硅栅极的抗涌流能力，在其栅极控制回路中增加（串入）了一个适当的限流电阻，在栅极和阴极间并接了一个电容；此外还适当降低了监控交流电压用的稳压二极管的导通电压值，以限制其耗散功率、提高抗冲击能力。
　　3.2主变压器绕组间及铁芯绝缘
　　目前该供电方式设计为每相平台只使用一个耦合电容器，双系统电源的主变压器同时串联在耦合电容器与平台500KV低压母线之间。若单个主变压器短路，可能引起另一个主变压器的过电压，而一旦某相平台的双系统主变压器均被烧毁或击穿，就会导致平台控制与监控CapThor的设备失去电源，导致保护系统无法正常工作，从而保护性旁路。
　　串补供电回路的主变压器安装于平台上OSU箱内，安装时直接用螺丝紧固在柜内金属板上，柜体通过CapThorCT接于500KV低压母线上，接线如图3所示。采用这种铁芯接地的方式产生的问题是：主变压器T12的铁芯和一次绕组之间的压差是主变压器T11的两倍，变压器T12将更容易损坏，而T12一次线圈和铁芯之间的绝缘损坏将使两个主变压器同时被短接。若将回路做以下变更，如图4所示，用绝缘子将T12铁芯与柜体之间做了绝缘，再用铜线将T12变压器的铁芯接于两个变压器之间。这样T12承受的电压降有效减小，一次线圈对铁芯放电时也只影响到单只变压器的供电回路，但因T11、T12二次绕组经二级变压器接柜体，改造后T12二次绕组与铁芯之间将存在电位差，可能导致T12二次线圈与铁芯的击穿而短接T11变压器。最终用容量更大、绝缘性能更高的变压器替换原有的T11、T12，并采取更有效的限压及抗干扰措施，以提高供电回路的可靠性。　　
　　图3取能变压器接地方式1 图4取能变压器接地方式2
　　4结论
　　在串补投运后的一段时间里，这种电源回路确实暴露出了一些问题。但随着运行经验的积累、故障的处理和回路的完善，曾经暴露出的问题正在逐步解决，而这种供电回路的可靠性、稳定性也将进一步提高。这种供电模式也将为串补和其他高压绝缘设备的供能提供新的选择方案，获得更好的经济效益和社会效益。
　　5参考文献
　　[1]P.M.安德森，P.G.法玛.电力系统得串联补偿.PBLSH有限公司，安西尼塔斯，CA，美国，1996.