無功補償裝置“同步開關”投切元件淺析

摘 要：文章通過現有無功補償裝置的投切元件比較得知同步開關的優越性，并對同步開關的技術難點與解決方法進行淺析。

關鍵詞：無功補償；同步開關；電弧預燃；電弧重燃

引言

作為現有無功補償裝置的投/切開關，不外乎是交流接觸器、晶閘管或復合開關等。但使用交流接觸器會造成電容器投入時出現很大的涌流現象，從而使電容器容量下降，發熱嚴重以至膨脹損壞。使用晶閘管需能解決涌流問題，但自身導通損耗大以及發熱量也大，需安裝散熱系統。復合開關是采用晶閘管與接觸器接點并聯連接方法來克服晶閘管長期工作的導通損耗和發熱問題，但其接線復雜且采用了晶閘管與接觸器聯接合成造成了投/切開關成本高，加上晶閘管對電壓波動及雷擊比較敏感易損壞，使其可靠性降低。因而，使用現代電子技術控制機械式開關過零動作，使機械式開關克服接點產生的預燃與重燃現象而避免產生觸點的燒焊，提高了補償投/切元件的可靠性和降低損耗及成本。這就是同步開關在無功補償裝置中的應用。

1 交流接觸器、晶閘管、復合開關和同步開關作投切元件比較

1.1 交流接觸器作電容器投/切元件時會產生較大的合閘涌流現象，主要是交流接觸器三相觸頭做不到獨立分合閘。接觸器的響應速度也跟不上負荷的變化，電容器需投入時而無及時投入，需切除時而沒有及時切除，從而影響補償的準確性。再有接觸器不能使電容器分相補償，投/切時會造成某相過補償而另一相欠補償。電弧預燃與重燃現象會造成接觸器觸頭燒焊，使其不能分斷，然而降低了整個補償裝置的可靠性及使用壽命。

1.2 晶閘管采用“電壓過零投入，電流過零切除”，需然能夠解決交流接觸器投切時所產生的合閘涌流現象以及投切的響應速度。但晶閘管導通時會產生很大的損耗，使補償裝置的功耗增大。其次是工作發熱量大，需加裝相應的散熱片及散熱系統。且晶閘管易受電壓波動的影響而損壞。

1.3 復合開關是由晶閘管與接觸器并聯連接而成的，在導通與斷開瞬間由晶閘管來實現，通過長期的工作電流則由接觸器來接通，這樣就克服了晶閘管長期工作時所產生的導通損耗和發熱問題，也避免了電力電容器在接觸器單獨作為投/切元件時所產生的涌流。由于復合開關采用晶閘管和接觸器并聯連接，使其成本變高且受加工精度及裝配技術的影響而變得復雜。

1.4 同步開關技術是近年發展的新技術，其是使用現代電子技術克服機械式開關的預燃與重燃現象。在無功補償裝置中用作投/切元件的同步開關，是在電源電壓為零的時候閉合（圖1），從而使電容器投入時不產生涌流；在電流為零（電壓峰值）的時候斷開（圖2），從而使開關接點不產生電弧（或小電弧）分斷。其克服了現有產品：不能實現相控，三相負載不平衡時補償效果欠佳；電容器投/切時會產生過電流對電網的沖擊；電容器不能頻繁投切；功率損耗和發熱量大，結構復雜和成本較高的不足。

2 同步開關技術難點和解決方法

2.1 同步開關技術難點

機械接點的動作延時時間受環境以及電源等諸多因素影響，因而控制電路必須具有一定的適應能力，保證在各種環境條件下都能夠實現同步動作。這是同步開關研發的關鍵技術所在。確定開關接點的動作延時時間不能使用弱電信號來進行測量，這是由于機械開關在閉合過程中會產生電弧的預燃現象，在斷開的過程中會產生電弧的重燃現象；電弧預燃與重燃現象會引起機械開關觸點閉合與斷開的狀態不一致。因此確定開關接點的動作延時時間必須在接有實際負荷的情況下進行測量。

2.2 同步開關技術難點的解決方法

2.2.1 解決接點的電弧預燃與重燃現象：機械開關接點在閉合和斷開過程可能會產生電弧的預燃和重燃現象。引起其原因是接點行程時間太長。在接點閉合的過程中，絕緣強度隨著動接點與靜接點間距離不斷的縮小而不斷地減弱，如果在這個過程中兩個接點間的電壓升高超過接點間隙的絕緣電壓，那么就會出現機械接點電弧預燃現象。同樣，在接點斷開的過程中，絕緣強度隨著動接點與靜接點間的距離逐漸增加而逐漸增加，如果在這個過程中兩個接點間的電壓升高至超過接點間隙的絕緣電壓，那么就會出現機械接點電弧重燃現象。由于工頻交流電源頻率是50Hz，相對應的周期是20毫秒。所以電源電壓在一個工頻周期里會出現兩次峰值和兩次過零點，過零時刻與峰值時間的間隔只有5毫秒，如果接點閉合或者斷開的過程比較長時間，那么在接點閉合或者斷開的過程中，接點間的電壓就有若干次達到電源電壓的峰值，因此就有可能發生電弧預燃與重燃現象。接點的行程時間越長，引起電弧預燃與重燃的現象就越大。

為了克服機械開關的電弧預燃與重燃現象，最有效的辦法就是縮短開關接點的行程時間。通過實驗得知，若機械開關接點在閉合或者斷開的行程時間小于5毫秒，就可以避免開關接點引起的電弧預燃與重燃現象。為了使開關接點在電源電壓過零時刻閉合，務必要提前發送驅動信號。如果開關接點的閉合過程為5毫秒，那么就要在電壓為峰值時發出驅動信號，在接點動作的過程中，接點距離和絕緣強度以及接點間的電壓都在不斷地減小，直降至電源電壓為零時先接合，因此不會產生開關接點的電弧預燃現象。同樣的道理，為了使接點在電流過零的時刻斷開，也必需提前發送驅動信號。如果接點的斷開動作過程為5毫秒，那么在接點開始斷開時，由于電流為零，因此沒有電弧，斷開以后，接點距離和絕緣強度以及接點間的電壓都在不斷地增加。由于接點的斷開距離與接點間的電壓升高速度一致，當電壓升高至峰值時，接點已經完成斷開動作到位，有足夠的絕緣強度，因此不會出現開關接點的電弧重燃現象。為達到這一目的，可以制造具有快速動作接點的機械開關，但這是比較復雜的，并且價格會很高。從實驗得知，提高機械開關的線圈驅動電壓可以提高機械開關的接點動作速度。由于機械開關的線圈不是長期處于工作狀態，因此適當提高線圈的驅動電壓不會對機械開關的安全運行造成影響，卻為克服開關接點產生的電弧預燃與重燃現象提供了有效手段。不僅如此，由于每一個機械開關接點的行程時間是不一致的，因此對正確實現同步開關功能增加了難度。提高了接點的運動速度，也就減小了各個機械開關的動作時間的偏差，使得同步開關功能比較容易實現。實際測試得知，如果將機械開關的線圈驅動電壓提高至額定電壓的兩倍不會造成開關損壞，卻可以使開關接點閉合與斷開的動作時間減少到5毫秒以內。因此，我們設計了升壓電路來實現這一功能。

2.2.2 解決電源電壓波動對接點動作時間的影響：由于機械開關接點行程時間的快慢受線圈驅動電壓的影響，電源電壓波動會影響到機械開關的動作時間，以致影響了機械開關動作的一致性，從而確保不了同步開關動作的準確性。為了克服電源電壓波動對機械開關動作時間的影響，我們使用電壓反饋補償技術，由于單片微機檢測機械開關的線圈驅動電壓，根據取樣電壓值與參考電壓值作比較，以其調整機械開關驅動控制信號的提前時間。若電源電壓升高時，就相應地減少機械開關的操作提前時間；如果電源電壓降低時，也相應地增加機械開關的操作提前時間，以此來保證當電源電壓產生波動的狀態下都可以準確地實現同步開關動作的控制。由于實現同步開關的動作控制比較復雜，我們使用單片微機來進行控制，因為增加一個電壓檢測功能是很容易實現的。

2.2.3 解決電容器切除時的剩余電壓：在電容器無功補償裝置中，電力電容器主要是采用三角形以及星形兩種接線方式，實現電容器共補與分補。但無論那種接線方式，在電流過零切除電容時都存在異常過高的剩余電壓，其值為系統電壓峰值的1.366倍。由于電容器內部放電電阻值很高，將其電壓值下降至50V以下需要較長的時間，其影響補償裝置的投/切速度。因此，為了使電力電容器在同步開關控制切除后能在極短的時間范圍內將其剩余的異常高電壓放掉，保證電容器的壽命及電容補償裝置投/切時間跟上無功負荷的變化速度，我們在同步開關控制電路中增加了放電電阻，在幾秒鐘時間內就能夠將異常的高電壓釋放掉。我們采用光電耦合器進行控制接入放電電阻。在此同時，我們還設計電容器的投入為輪換工作制，即當前已投入工作的電容器，在下輪同相投入時換為另一組電容器，這樣也能提高電容器的壽命。

3 結束語

同步開關作為補償裝置的投切元件，除了解決交流接觸器投入時產生的合閘涌流現象和三相不能實行單獨投切外，還能解決晶閘管導通損耗大等問題。相對復合開關來說具備其所有優點，由于同步開關沒有晶閘管部分，因此同步開關比復合開關的結構簡單，安裝及維護方便，可靠性也高得多；成本相比復合開關也要低。是作為當前無功補償裝置投切元件的最佳選擇。