永磁真空開關投切低壓無功補償裝置的研究和應用

劉建初

（中山供電局，廣東 中山 528400）

1 引言

目前，中山配電網公用臺區共安裝4757臺低壓無功補償裝置，補償容量為79.8萬千乏，補償率達21.6%。無功補償裝置的投切使用率較高，無功補償裝置對改善電壓質量、減少線路損耗、提高配變容量利用率起到了積極作用，但目前使用的無功補償裝置故障率較高，特別是投切開關，為保持其正常運行，每年均需一定的維護費用，造成了無功補償裝置運行成本的升高，因此需要對現有的無功補償裝置的設計方案進行改進，提高投切開關的使用壽命，降低無功補償裝置的運行成本。

2 投切開關的選型

投切開關是低壓無功補償裝置中最容易損壞的關鍵元器件，投切開關目前有三代產品，分別是交流接觸器、晶閘管和復合開關。其中，交流接觸器存在投切產生涌流和頻繁投切容易燒壞觸頭的缺點，但其長期運行不發熱；晶閘管存在投切產生諧波和長期運行發熱燒壞的缺點，但其投切無浪涌且響應速度快[1]；復合開關雖然投切速度快，能實現過零投切，但對過壓、過流較敏感，在出現雷電沖擊和操作過電壓時容易損壞，故障率較高，因此改進投切開關是提高無功補償裝置可用率的關鍵。

中山供電局與有關廠家合作，采用永磁真空開關作為無功補償裝置的投切開關。并將其與目前應用的三種投切開關進行性能對比。

以下為不同類型投切開關的性能對比（見表1）。

從表1可見，永磁真空開關與復合開關和可控硅比較，具有其合閘時間精度非常高（0.2ms）的優點，又能克服其開關壽命短、抗過電壓、雷電、意外涌流沖擊的能力差等缺點；各方面的性能明顯優于交流接觸器，非常適于作為動態無功補償裝置的投切開關。

3 永磁真空開關的結構

為了簡化結構，永磁真空開關采用了永磁操作機構。永磁機構是目前結構最簡單的一種操作機構，其所用的零件少，動作簡單可靠，使用壽命超過十萬次。永磁機構的磁路設計使合閘保持力增大了，同時減小了對合閘時線圈電流的要求，并且在分閘或合閘狀態時開關的線圈均無需保持電流。由于開關線圈僅在合閘或分閘操作時通以一個小的脈沖電流，線圈的發熱很小，從而延長了使用壽命[2]。

圖1 低壓永磁真空開關結構圖

4 應用設計方式

4.1 一次原理圖（圖2）

其中，QF為主斷路器、QF2～QF6為微型斷路器或熔斷器、ZK為永磁真空開關、RG1～RG4為永磁運行開關、FD為放點線圈、FV為避雷器。

從接線圖可看出，電容器的投入和切除是通過永磁真空開關和永磁運行開關的相互配合來實現的，兩者的協調控制由同步控制器負責。

4.2 補償裝置投切過程流程圖（圖3）

從上述流程圖可看出電容器實現了同步過零開關技術，所謂同步過零開關技術是指斷路器的動、靜觸頭在電子控制系統的控制下，可在系統電壓波形過零時關合；電流波形過零時分斷，這樣可使投入空載變壓器、電容器和空載線路時，對自身和電力系統沖擊最小[3]。控制開關的觸頭在電壓零點閉合，在電流零點分離，即首先檢測出電流或電壓的零點，然后根據此開關的機械特性以及穩定的合分閘時間，精確控制合分閘的動作時刻，讓它關合或開斷在預定的相位。永磁真空同步開關的壽命遠大于空氣接觸器，且通流能力及抗過壓能力非常強，主回路結構相當簡單，而且動作時間快，能適用于負荷變化比較頻繁的地方做無功補償裝置的投切開關。由于電容器組投入時的暫態過程與投入時系統電壓的相位密切相關，因此應用永磁真空同步開關在系統電壓的指定相位角處投入電容器組（即同步關合技術）可以大大減小電容器組投入時的暫態過電壓和涌流，提高無功補償裝置的可靠性及使用壽命。

表1 不同類型投切開關的性能對比表

圖2 無功補償裝置一次接線原理圖

圖3 補償裝置投切過程流程圖

5 效果分析

5.1 投切效果

圖4為使用真空開關投入30kvar電容器時電流、電壓波形；圖5為使用真空開關切除30kvar電容器時電流、電壓波形。從圖4、5可見，使用真空開關投切電容器過程無振蕩，無普通接觸器投入電容器時出現觸點彈跳、拉電弧，產生過流、過電壓現象；真空開關投入電容器時，涌流非常小（約為電容器實際工作電流的1.22倍）；真空開關在同步控制器的控制下，可在電壓過零點精準投入電容器，在電流過零點精準切除單容器。使機械開關實現可控硅過零投切的功能。

圖4 使用真空開關投入30kvar電容器時電流、電壓波形

圖5 使用真空開關切除30kvar電容器時電流、電壓波形

數據顯示，目前記錄的日最高投切次數為154次，月平均投切次數達到1000～2000次，無功補償裝置的工作仍然正常。

5.2 補償效果

目前已安裝永磁真空開關投切無功補償裝置431臺，補償方式包括集中補償和分散補償，補償容量從120kvar到30kvar不等。

從這些臺區中選取了6個各類用電性質（包括工業、商業、居民、魚塘等）的用電臺區作為實時數據采取點，采集臺區的投切次數、電流、電壓和功率因數變化波形、補償前后的功率因數和電壓值變化。數據顯示，試點臺區的功率因率跌到0.9以下時，同步控制器能及時跟蹤，實時補償至0.9以上，根據采集到的功率因數變化波形，各試點臺區的功率因數均運行在0.9以上，效果非常理想。

圖6為其中一個臺區的補償波形。

圖6 板芙工業用電補償的效果曲線圖

6 效益分析

以中山供電局為例，經核算，目前現有的4757臺低壓無功補償裝置的投切開關每年的故障率接近20%，按每臺維修成本1200元計算，每年的維修費用為4757×0.2×1200=1141680元，費用很大，部分裝置因無法落實維修資金而停運。目前已使用的431臺永磁真空開關投切低壓無功補償裝置，每年節約的維修費用為431×0.2×1200=103440元，而設備價格與復合開關投切的基本相同，不需新增成本，因此經濟效益可觀。

以中山供電局10217臺公變為例，若全部采用永磁真空開關投切低壓無功補償裝置，相對復合開關投切，每年可節省維護費用10217×0.2×1200=2452080元，且能取得較好的補償效果；若用于全省乃至全國，經濟效益更加可觀。

在社會效益方面，永磁真空開關投切低壓無功補償裝置的應用，使低壓無功補償裝置具備了較高的可用性，對改善電壓質量、減少線路損耗、提高配變容量利用率起到了積極作用，符合國家的節能環保政策，可產生明顯的社會效益。

7 結論

永磁真空開關作為投切電容組的執行元件，應用在無功補償裝置中，具有投切精度高、無涌流、壽命長等特點，能完全實現同步過零開關技術，使低壓無功補償裝置具備了較高的可用性，具有其他的投切器件均不具備的明顯的優勢，應用效果和效益顯著，在無功補償領域具有廣泛的發展前景，不僅用于低壓無功補償裝置，還可用于中壓及以上的設備過零投切。

[1] 李茂林. 淺談低壓無功補償裝置三大部件的選取與使用[J].電氣應用(電力電氣專刊),2007(2):S14-S15.

[2] 吳家慶. 無功補償投切元件的選擇[J]. 農村電工,2006(12).

[3] 鐘國中. 永磁操作機構及其同步過零技術[J]. 地方電力管理, 2003(1):4.