选相控制器在鲁西换流站的应用
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中南电力设计院的研究人员曹俊龙、曹亮、邹荣盛，在2016年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，在电力系统中，投切电容器或者空载投入变压器时会产生涌流，将对设备产生不良影响或引起保护误动作，而选相控制器通过选择合适的投切角度能有效削减涌流、减小暂态冲击。
鲁西换流站安装有14台变压器及14组交流滤波器，全站共配置了28台选相控制器。本文介绍了选相控制器的基本原理，并结合鲁西换流站的实际接线分析了其输入、输出回路。针对在站系统调试中出现的问题提出了对应的解决思路，为后续工程中选相控制器的应用提供了参考方法。
在电力系统中，当操作开关设备时，特别是对无功设备，如电抗器、并联电容器组、空载线路进行投切时，可能产生危及电力设备的电磁现象，如过电压和剧烈的涌流等暂态冲击，其严重程度与合闸相角有关[1-3]。
此外，由于铁心磁滞曲线的非线性，变压器在空载合闸时会产生励磁涌流。励磁涌流可能会造成变压器差动保护等继电保护装置误动作。通过控制合闸时间，在铁心中的预感应磁通与剩磁相等时投入变压器，可以避免铁心饱和，可以有效地抑制励磁涌流幅值[4-5]。
为了解决上述问题，选相控制器应运而生。选相控制器是一种用于断路器合/分闸相位控制的智能型控制设备，它可以针对不同使用对象选择暂态冲击最小的相位完成开关的合闸操作，减小合闸过程所产生的涌流冲击或暂态过电压，近年来在换流站中应用较多[6]。
鲁西换流站位于云南省曲靖市罗平县罗雄镇，西北距曲靖市直线距离约94km。一期工程中建设1个常规直流背靠背换流单元，额定功率1000MW，同时建设1个柔性直流背靠背换流单元，额定功率1000MW。云南侧和广西侧交流场共有7回500kV出线，交流滤波场建设5大组共14小组交流滤波器，每小组容量为110Mvar。
鲁西背靠背换流站是目前世界上已建的柔性直流换流单元容量最大的项目，且站内既有常规直流又有柔性直流的协调控制模式也属第一次。
为减小投切滤波器、空载投入换流变压器、联接变压器时涌流的影响，鲁西换流站内共装设有28台选相控制器，从而减小涌流对主设备的冲击、保护主设备，为系统的安全稳定运行提供保障。
1 选相控制器基本原理
众所周知，断路器从接收到合闸命令到动静触头结合需要一定的时间，称之为固有合闸时间。当断路器在没有选相控制器时进行合闸，断路器会在交流电压的任一角度下合闸。图1中断路器在A点接收到合闸指令，经过固有合闸时间Tg后，在C点合闸成功，而在C时刻电压较高，存在过电压的风险。
图1 选相控制器基本原理
选相控制器基本原理是控制断路器在交流电压或电流的过零点合闸，从而减小冲击。
图1中，若选相控制器在A点接收到合闸命令，装置启动元件动作，进入涌流抑制程序。选相控制器暂保留此合闸命令并考虑断路器的固有操作时间，对各种因素所造成的延时(如温度、控制回路电压、静置时间等)进行补偿。装置参照最近的一个电压过零点（D点）经合理延时后，在B时刻将控制命令发送至断路器合闸线圈，保证设备合闸时暂态冲击最小[6]。
选相控制器的典型接线如图2所示[7]。
如图2所示，选相控制器接入电源侧PT电压，接入受控支路CT电流，此外断路器的辅助接点也接入装置。随着断路器使用次数的增加，操作电压，环境温度，SF6压力等外部条件的不同，其机械性能将发生变化，将对断路器的合闸时间产生影响。因此有条件的情况下可以接入环境温度、操作电压等外部参数，除此之外断路器的预击穿特性也会对合闸时间产生影响[9]。
图2 选相控制器典型接线
合/分闸时间若存在较大离散性将对选相装置预测断路器分/合角度产生影响，为了提高预测精度，选相控制器配有自适应补偿元件。
自适应补偿元件是通过记录三相合位、跳位开入端子立即回采断路器分合位置或通过交流采样元件的电流端子立即回采电流波形，记录此次开关操作开关分合的时间，得出与预定目标分合闸时刻的偏离值并在下一次开关操作中补偿掉此时间差，提高下一次选相分合闸的精度。
由于系统的A/B/C相电压/电流间存在120°相位差，因此，为达到对设备冲击最小、产生的涌流最小的目的，选相控制器输出是分相的，从而控制每一相的冲击或涌流都最小。
2 选相控制器在鲁西换流站中的应用
鲁西换流站为每一个小组滤波器开关配置一台选相控制器，选相控制器安装在小组滤波器保护屏内；为每一台换流变/联接变的500kV边断路器和中断路器各配置一台选相控制器，其中边断路器的选相控制器安装在测控屏A内，中断路器的选相控制器安装在测控屏B内。
全站共配置28台选相控制器，采用深圳国立智能电力科技有限公司产品，装置型号为SID-3YL。
2.1 选相控制器在鲁西换流站的实际接线
以云南侧第一大组第二小组滤波器为例，结合选相控制器的实际接线分析其具体应用。
图3 选相控制器电流、电压回路（小组滤波器）
图4 选相控制器电流、电压回路（换流变压器）
图3中装置1X为小组滤波器保护装置，10X为选相控制器，两者共同安装在小组滤波器第一套保护屏内。由图3可以看出选相控制器需接入小组滤波器的支路电流，实际接线为其电流输入串接于小组滤波器保护装置之后；其参考电压（电源侧电压）从大组滤波器母线电压互感器箱引接。对于小组滤波器这类容性负载，支路电流（受控侧）作为分合闸时间测量基准，电源侧电压作为实现角度控制的计算基准。
图4中装置1X为测控装置，10X为选相控制器，两者共同安装在第二串测控屏A1内，第二串接有换流变压器。由图4可以看出选相控制器需接入受控侧的支路电流，实际接线为其电流输入串接于测控装置之后；其参考电压（电源侧电压）取自500kV 母线IM电压，实际接线是从第一串测控屏A1并接而来。
对于变压器这类感性负载，考虑断路器辅助接点参考时间的不稳定性，因此要接入受控侧电压作为分合闸时间测量基准[11]，受控侧电压实际接线从换流变进线PT端子箱引接。
鲁西换流站的控制系统采用双重化配置，若其中一套控制系统故障或退出时可以切换至另一套正常的控制系统。因此，本站选相控制器设计成可以接收来自测控屏A和测控屏B的分/合闸命令。
由图5可以看出，来自测控屏的手分、手合命令经过10KK切换把手选择后进入选相控制器。
图5 选相控制器控制回路接线
当切换把手在“投入”位置时，①-②,③-④,⑤-⑥接点接通，不带时间选择的手分/手合命令接入选相控制器（JIK5-4，JIK5-5）经过其内部逻辑判断，将三相联动的控制命令分解为A/B/C单相的出口分闸命令（JK3-8,JIK3-10,JIK3-12）或合闸命令（JK3-2,JIK3-4,JIK3-6）送至操作箱，从而独立地控制断路器每一相在理想时刻分闸或合闸，减少对设备、系统的冲击。
当切换把手在“退出”位置时，⑬-⑭，⑮-⑯，⑰-⑱接点接通，测控屏发出的手分/手合命令不经选相控制器直接进入操作箱的手动控制回路驱动断路器进行分闸/合闸操作，此时断路器三相一起动作，且动作时刻是随机的，因此操作可能产生过电压或涌流冲击。
2.2 选相控制器在鲁西换流站应用出现的问题
1）选相控制器与操作箱的配合问题
目前国内操作箱手动控制回路的开入都是三相一个分或合命令；分相跳闸命令是由外部保护装置开入的，分相合闸命令是由外部保护装置开入的重合闸命令。因此在实际接线中，选相控制器的输出分/合闸命令（分相）接入操作箱的保护跳闸/合闸出口处。
鲁西换流站调试期间，在做选相控制的分/合闸试验时（手动操作），其发出分闸命令后各相开关在不同时刻分开并达到预期目标，但是运行人员发现操作箱上的跳闸灯亮起，后台上报事故总SER信号。此试验为运行人员手动操作，操作箱不应点亮保护跳闸灯，不应上传SER报警信号。
2）选相控制器的参考电压选择问题
鲁西换流站的广西侧交流场采用3/2接线，其中第一串接入500/35kV降压变和换流单元一的换流变压器，示意图如图6所示。
图6 广西侧交流场第一串接线示意图
由图6可以看出，选相控制器取了一路外部电压（IM电压）作为参考电压，通过内部逻辑判断从而控制断路器各相在理想相位分/合，选相控制器还取了一路电压（换流变进线电压）作为受控电压，通过其波形作为分合闸时间测量基准。
对于Q11断路器的选项控制器，其参考电压取自1M的电压互感器；对于Q13断路器的选相控制器，其参考电压取自2M的电压互感器。
对于中断路器Q12同时连接有降压变和换流变，因此，存在以下工况：
（1）Q11断路器检修停运时，降压变由退出运行状态转为投入运行状态，此时需要投入Q12断路器，选相控制器需要接入电压互感器-TV2的电压作为参考电压；
（2）Q13断路器检修停运时，换流变由退出运行状态转为投入运行状态，此时需要投入Q12断路器，选相控制器需要接入电压互感器-TV1的电压作为参考电压；
由于现行选相控制器输入的参考电压均只能接入一路，因此，对于第一串的主接线形式就要为中断路器要配置2台选相控制器，分别用于投入降压变和换流变时的涌流抑制。
在实际运行中，为同一台断路器配置2台选相控制器既增加了运行维护工作量、设备采购成本，且在监控后台发出的控制命令需要明确操作对象是降压变还是换流变，增加了控制系统的额外逻辑判断。
3 解决思路
3.1 选相控制器与操作箱配合问题的解决思路
通过图5及3.1.1节的分析可以看到，选相控制器的分相出口命令接到操作箱的保护跳闸和合闸回路处。因此，手动操作的分/合闸命令经过选相控制器后并没有接入操作箱的手动操作回路，KKJ继电器没有励磁，操作箱无法判断是保护动作还是经选相控制器的手动命令。因此出现了操作箱点亮跳闸等及上报事故总的信号。
针对上述问题，主要解决思路是选相控制器除发出分相的分/合控制命令外还应提供一副信号接点接入操作箱的手动操作回路，以区别选相控制器出口命令与保护出口跳闸命令，从而解决操作箱点灯和上报告警信号的问题。为避免后续工程中出现类似问题，应要求选相控制器输出该信号接点。
本工程中，由于设备已经采购并安装完成，选相控制器的硬件回路不能改动。遵循上述思路，让控制系统发出操作命令时提供了2付接点，其中1付接点接入选相控制器作为其命令输入，另1付接点接入操作箱的手动回路驱动KKJ继电器，用以区别保护装置的出口。
3.2 选相控制器参考电压问题的解决思路
对于500kV配电装置采用3/2接线方式，某一串接入的2个电气元件可能都需要采取抑制涌流的措施，因此，中断路器需要配置2台选相控制器。
针对上述问题，提出如下解决思路：中断路器的选相控制器接入2路电压，根据运行方式能自行选择其中1路作为参考电压，剩下1路作为受控电压。
设图6中TV1的电压值为U1，TV2的电压值为U2。建议后续的选相控制器内部增加电压判断逻辑：1）若U1>0，U2=0，此时选择U1作为参考电压；2）若U1=0，U2>0，此时选择U2作为参考电压；3）若U1>0, U2>0，表明主接线中的2个元件均已带电，此时操作中断路器不存在涌流，装置功能不投入。
对于鲁西换流站第一串的主接线，若增加上述参考电压选择逻辑后，中断路器只需要配置1台选相控制器，后台无需判断是操作降压变还是换流变从而发出2组控制命令，并且降低了设备配置成本、减少了运行维护工作量。
4 结论
1）介绍了选相控制器的基本原理，通过选择分/合闸时间点，降低合/分闸时的涌流冲击。
2）介绍了选相控制器在鲁西换流站的应用情况并结合实际接线分析了选相控制器的电流、电压及控制回路。
3）针对鲁西换流站在设计、调试过程中出现的问题，提出了解决思路，为后续选相控制器的设计使用提供参考意见。