复合开关在低压无功补偿中的应用

摘要：该文总结了传统的电容器投切开关存在的主要问题，设计了基于单片机控制的复合开关，并对其硬件设计、软件实现进行了详细介绍。还介绍了复合开关在低压电容器无功补偿中的应用，指出使用复合开关不仅可以增加投切电容器组数，而且提高功率因数，提高电网质量。
关键词：复合开关；电容器投切开关；
无功补偿无功补偿是电力系统运行的基本要求，为了实现电力系统运行中的无功平衡，必须对各种电力负荷所需的无功进行补偿。无功补偿的方法有调相机补偿、电容器组补偿等多种，其中最为有效和易于实施的是在靠近负荷点的地方进行就地无功补偿。由于无功补偿挂接在电网上是通过自动投入和切除电力电容器来达到补偿效果的，因此控制电容器投切的开关元件的性能对整个装置的质量和稳定性起着非常关键的作用。目前国内的无功补偿产品的控制器普遍都是交流接触器或双向可控硅作为开关元件来控制电容器通断。都不可避免地存在着功耗大、温升高，产生被称作“电污染”的谐波成分等影响设备的长期安全运行的问题，整个装置的寿命和可靠性不能有效保障，甚至会影响整个电网的正常运行。本文设计的基于单片机控制的智能化复合开关是较理想的投切开关，详细介绍了硬件设计、软件实现及其在低压无功补偿中的应用。
1传统的电容器投切开关存在的主要问题
传统的电容器投切开关主要存在的问题有：以可控硅和大功率固态继电器作为无触点开关虽然具有响应速度快、涌流较小的特点，但存在功耗大的缺点，在大电流工作的电容器投切中，发热严重，需加散热器，甚至强制致冷。这样既增加了补偿装置体积，也增加了成本。对投切电容器的专用交流接触器，由于它在主回路中接人了限流电阻，从而起到限制涌流的作用，这与用不饱和聚酯树脂浇注成型的干式限流电抗器相比，成本虽然降低，减少耗电量，但仍有较大的涌流，对电网或电容器有较大冲击。
2基于单片机控制的智能化复合开关
复合开关采用智能控制技术和最新的电子元器件，适用于对交流380V无功补偿电容器的通断控制。基本工作原理是将可控硅与接触器并接，使复合开关在接通和断开的瞬间具有可控硅过零投切的优点，而在正常接通期间又具有接触器无功耗的优点，同时具有智能监控、自诊断故障保护、缺相保护、空载保护等完善的保护措施，且功耗小、无谐波。控制信号常用 12V和 5V。硬件框图如图1所示。控制器采用Intel公司研制的80C196KB单片机。该单片机特别适用于实时性要求较高的控制系统。为了控制可控硅在电压过零时投入，选用了Motorola公司的过零触发控制芯片MOC3083。其控制电路如图2所示。由于MOC3083的驱动是电流型的，要求大于5mA。故为了可靠驱动，在系统设计中使用达林顿MC1413来驱动它，并设计驱动电流为l0mA。图1硬件框图图2光电隔离控制电路在电容器的投切过程中，对触点型开关，往往会在其触点间产生较强的电弧，损伤触点，致使触头接触不良，甚至会发生触点熔融的现象；对可控硅和大功率固态继电器等无触点型开关，因其功耗大，散热问题尤为突出。针对上述情况，复合开关设计时，增加了延时电路。在开通时，可控硅先导通，延时2~3个周期后，接触器闭合，可控硅关断，负载工作电流由接触器提供；在关断时，接触器先关断，可控硅延迟2~3个周期后关断。这样，从根本上解决了接触器在接通和关断时出现的涌流及触头间拉弧现象，也消除了无触点开关的散热问题，使开关的使用寿命接近其机械寿命，既大大延长了开关的使用寿命，又提高了系统运行的可靠性。软件主程序流程如图3所示。图3主程序流程图为了达到理想的工作状况，可控硅和接触器的开、断有时序要求，假设复合开关的投入命令高电平为有效，则切断命令为低电平有效；开关(可控硅、接触器)闭合用高电平有效表示，则开关断开用低电平有效表示，其各信号状态如图4所示图4复合开关工作状态图在图4中t1为复合开关接收到投入命令时间，t2是复合开关接收到切断时间。当复合开关接收到投入命令时，可控硅的触发信号准备就绪，只要电压过零就立刻触发可控硅，而接触器在接到投入命令后，要延时一段时间，此时间在设计时必须保证：只有当可控硅导通后，才能闭合接触器。当复合开关接收到切断命令后，接触器立即断开，经过一段时间可控硅触发信号消失，当通过可控硅阳极电流过零时，自然关断。
3复合开关的特点
复合开关有如下特点：.过零投入，过零切断；.开关接通后低功耗，不用外加散热片；.无需外接串联电抗器；.输入信号与开关光电隔离；.可直接与任何无功补偿控制器配合使用；.内置控制电源，无需外配电源；.具有开关状态指示灯，电容器接通时，指示灯亮；.抗干扰能力强，大容量电容器工作可靠。
4复合开关在无功补偿中的应用
低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失。低压补偿对用户及供电部门都有利。低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用的方式有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。复合开关有共补开关和分补开关两种，共补开关用于投切三相电容器，即角型接法的电容器；分补开关用于投切单相电容器，即分别接三只单相电容器的一端（另一端需接中性线）。其接线图如图5所示。(a)分补接线图(b)共补接线图图5复合开关投切电容器由于采用了复合开关，投切时的浪涌电流小，无触点粘住之虞，可以较频繁地投、切，因此，可以增加投切电容器的组数以提高补偿精度。在实际应用中，通过控制器精确控制投切，可使功率因数保持在0.96～0.99之间。使用复合开关不仅提高了可靠性，还提高了电能质量。
5结束语
本文的创新点是基于单片机控制的复合开关工作时损耗小，不增加电网谐波，并具有无冲击、低功耗、长寿命等显著优点，可替代接触器或晶闸管开关，是投切电容器较理想的产品，应广泛用于低压无功补偿领域。并且使用复合开关可以增加投切电容器组数，提高功率因数，提高电网质量。
参考文献
[1]于庆广，官菏林，李建勋.智能无触点开关及双回路电源自动投切装置[J].电工技术，2004，(5).
[2]张永军，孟文博，赵积春，等.一种TSC低压动补与滤波装置的关键性技术分析[J].微计算机信息，2004，(12).
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