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        康達分享電容補償復合開關發展趨勢

        [2019/06/03]

        YHKC復合開關等低壓電容器投切開關由簡單粗獷到理性精細經歷了4個發展階段:

        (一)交流接觸器:最先應用于低壓電容器投切的開關是交流接觸器,這是一種傳統的電容器投切方式,由于三相交流電的相位互成120°,對交流接觸器投切控制,理論上不存在最佳操作相位點(即投切瞬時不可選擇性),使得它投入或切除電網時,要產生一個暫態的過渡過程,又因電容器是電壓不能瞬變的器件,并聯電容器由交流接觸器投切電網時,由于其相位點是隨機的,所以會產生幅值很大、頻率很高的浪涌電流(涌流最大時可能超過100倍電容器額定電流)。涌流不僅會對電網產生不利的干擾,對交流接觸器易產生電弧、易燒損觸頭,而且涌流、過電壓會加速電容器的失效,減少電容器的使用壽命,甚至爆炸,所以采用交流接觸器的投切方式諧波污染大、維護成本高、不適于頻繁操作。為了改善這些缺陷,出現了所謂投切電容器專用接觸器,就是在接觸器的主觸頭處并以帶電阻的輔助觸頭,在合閘時先合上輔助觸頭,然后再合上主觸頭,以此減低浪涌電流;而分閘時時序恰好相反,先分主觸頭,而后再分輔助觸頭,以此減輕電弧對觸頭的燒損。但這一措施僅僅是一種改良而已,并未在根本上解決問題,涌流、過電壓和諧波污染仍然存在,對電容器和裝置的壽命仍有很大的影響,所以其在低壓電容器投切領域的應用將越來越少。但由于其投資低、控制簡單,所以至今在不少技術要求低的地方仍在應用,但可以預見,隨著電容器投切開關的發展,將逐步被淘汰。

        (二)晶閘管開關:隨著電力電子器件應用的發展和普及,后來人們研發出由可控硅為核心的晶閘管開關(固態繼電器)。其原理為通過電壓、電流過零檢測控制,保證在電壓零區附近投入電容器組,從而避免了合閘涌流的產生,而切斷又在電流過零時完成,避免了暫態過電壓的出現,這就從功能上符合了電容器的過零投切的要求,另外由于可控硅的觸發次數沒有限制,可以實現準動態補償(響應時間在毫秒級),因此適用于電容器的頻繁投切,非常適用于頻繁變化的負荷情況,相對于交流接觸器有了質的飛躍。然而固態繼電器在應用上有致命的弱點:就是在通電運行時可控硅導通電壓降約為1V左右,損耗很大(以額定容量100Kvar的補償裝置為例,每相額定電流約為145A,則可控硅額定導通損耗為145×1×3=435W),由于有大的功耗所以需要散熱以避免PN 結的熱擊穿,為了降溫就需要使用面積很大的散熱器,甚至需要風扇進行強迫通風,另外可控硅對電壓變化率(dv/dt)非常敏感,遇到操作過電壓及雷擊等電壓突變的情況很容易誤導通而被涌流損壞,即使安裝避雷器也無濟于事,因為避雷器只能限制電壓的峰值,并不能降低電壓變化率。可控硅開關的缺點是結構復雜、體積大、損耗大、成本高、可靠性差,優點是能實現過零投切、動作迅速、反應快,多用于動態補償的場合,而不適用于常規低壓電容器投切的無功補償裝置中。

        (三)YHKC復合開關:當仔細分析研究了交流接觸器和可控硅開關的各自優缺點之后發現,如果把二者巧妙地結合來,優勢互補,發揮接觸器運行功耗小和可控硅開關過零投切的優點,便是一個較為理想的投切元件,這就是開發復合開關的基本思路,這種投切開關同時具備了交流接觸器和電力電子投切開關二者的優點,不但抑制了涌流、避免了拉弧而且功耗較低,不再需要配備笨重的散熱器和冷卻風扇。要把二者結合起來的關鍵是相互之間的時序配合必須默契,可控硅開關負責控制電容器的投入和切除,交流接觸器負責保持電容器投入后的接通,當接觸器投入后可控硅開關就立即退出運行,這樣就避免了可控硅元件的發熱。這種看似很理想的復合開關自從2002 年開始,由原來全國僅數家企業研發生產,至今已擴展到數十家企業,雖外型結構或電路有所不同,但內在原理基本相同:用小形三端封裝的可控硅作為電容器的投入和切除單元,用大功率永磁式磁保持繼電器代替交流接觸器負責保持電容器投入后的接通,其過零檢測元件是一粒電壓過零型光耦雙向可控硅。從原理上看是理想的投切元件,但實際上并非如此,它存在下面一些缺陷:

        (1)小形三端(TOP)封裝可控硅由于結構性的原因,目前這類型式的可控硅其短時通流容量不能做得很低(低于60A ),反向耐壓一般也只能達到1600V 左右,這就限制了它的應用范圍。由仿真和計算證明在38OV 的系統電壓下,電容器理想開斷時的穩態過電壓就可能達到1600V ,當系統電壓高于380V (這是常有的情況)或非理想開斷時的暫態過電壓就可能遠大于可控硅的反向耐壓位1600V,眾所周知可控硅是一種對熱和電沖擊很敏感的半導體元件,一旦出現沖擊電流或電壓超過其容許值時,就會立即使其永久性的損壞。實際運行情況已經表明了復合開關的故障率相當高。

        (2)由于采用了可控硅等電子元器件其結構復雜成本上升,與交流接觸器在價格上難以相比。

        (3)復合開關的過零是由電壓過零型光耦檢測控制的,從微觀上看它并不是真正意義上的過零投切,而是在觸發電壓低于16V~40V 時(相當于2~5電度)導通,因而仍有一點涌流。

        (4)復合開關技術既使用可控硅又使用繼電器,于是結構就變得相當復雜,并且由于可控硅對dv/dt的敏感性也比較容易損壞。

        由上述分析比較可見,各種電容器投切開關并非十分完美,有必要進一步研究開發出一種更為理想的電容器過零投切開關。

        (四)選相開關(又稱同步開關):是近年來最新發展起來的高性能投切開關,不僅可擔當無功補償裝置中的電容器投切開關(如技術比較成熟的HJFK系列智能選相開關),還可擔當任何需要同步操作負荷設備的投切開關(如高壓同步開關,或高壓選相開關),是傳統的機械開關與現代微電子技術結合的產物。它吸收了交流接觸器控制結構簡單,復合開關零電壓投入、零電流切除等優點,成功地將投入、切除時瞬間涌流控制在3倍額定運行電流以內,徹底解決了在電容器投切過程中出現的高電壓諧波和大涌流等問題;選相開關以單片機為核心,輔以高精度的采樣回路和合理的程序設計來替換復合開關中最易損壞的可控硅元件,不僅避免了可控硅組件所容易出現的故障,還將選相精度從原來復合開關的2~5電度角提高到1~3電度角,真正意義的做到了無涌流,實現了理想的過零投切;為了更進一步抑制電容器投切開關開斷時的暫態過電壓,選相開關增設了有效的放電回路,將過電壓限定在安全區內,使其能安全可靠的適用于頻繁投切;由于選相開關應用了單片機技術,不僅能通過RS485通訊控制方式對多至64路電容器進行控制,還具備通訊功能,可將基層單位的電測量信息實時發送到上級電網,為發展智能化電網作好準備;選相開關可以實現共補和分補,以適應用戶的不同需求;由于選相開關的驅動功耗僅有1-3W,最大限度的做到了節約能源;選相開關不僅廣泛適用于低壓無功補償裝置,或在特殊場合下作為開關元件使用,還特別適用于南方戶外夏天高溫潮濕(+60℃以上)、北方戶外低溫寒冷(-40℃以下)的惡劣環境溫度下長期運行。綜上所述,選相開關不僅大大提高了電容器投切開關的安全可靠性,還很節能環保,經濟耐用,是交流接觸器及復合開關理想的換代產品,專家普遍認為:選相開關必將替代復合開關和交流接觸器成為無功補償電容器投切開關的主流。但現階段缺少實際應用方案,暫時未得到大幅度的普及。

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