在用電設備中，存在著大量的感性負載(如電動機)，這些感性負載在消耗有功功率的同時，也占用了大量的感性無功功率，由于無功功率虛占了設備容量、增大了線路的電流值，而線路的損失與電流的平方成正比。因此，無功功率必須予以補償。為了提高功率因數(shù)，一般企事業(yè)單位用電容器的容性進行無功補償。在補償?shù)攸c上可采取變電所集中補償、分區(qū)域集中補償、分散就地補償、分散與集中相結(jié)合等，在補償方式上可分為手動補償和自動補償。由于補償?shù)攸c和方式關系到節(jié)電效果，關系到設備投資，關系到設備運行安全與維護，因此，必須因地制宜地加以選擇。目前，電力電容器的投切開關有以下3種：

 

    (1)普通接觸器

 

    電容器的電流與電容電壓對時間的微分成正比,當接觸器投入時,電容器上的初始電壓與電 網(wǎng)電壓在一般情況下不相等,大壓差可達1.4倍的額定電壓以上,當巨大的壓差突然加到電容器兩端使電容器的電壓發(fā)生突變時,則通過接觸器和電容器電流將高達10倍以上的額定電流。這種浪涌電流有多種危害：一方面，在接觸器觸點處產(chǎn)生火花，使觸點粘住、無法分斷而損壞;另一方面，縮短了電容器的使用壽命;再者，對電網(wǎng)的巨大沖擊而產(chǎn)生了干擾，可能使其他電子設備無法正常工作。

 

    (2)帶預投電阻的專用接觸器

 

    這類接觸器整體體積較大，事實上在工作時也沒有真正解決浪涌電流問題，同時，由于與接觸器觸點配合不理想使電阻發(fā)熱而損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，所以，這類接觸器并不是理想的電容投切接觸器。

 

    (3)過零觸發(fā)固態(tài)繼電器

 

    交流繼電器的內(nèi)部往往用2個單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅構(gòu)成,用于電容投切無功補償時的工作原理是這樣的：當固態(tài)繼電器接到投切信號時，還要判別觸點兩端的電壓是否接近于零電壓，一旦等待到兩端壓差接近零電壓時，則開關閉合，投入工作;當固態(tài)繼電器接到切斷信號時，則可控硅自然關斷，即電流為零時關斷。從上面的分析可以看出，用于低壓電容投切的固態(tài)繼電器在投入和切斷時的工作狀態(tài)非常理想，但他存在著一個致命的缺陷工作過程的發(fā)熱和諧波問題，這就限制了他在電容投切領域的進一步推廣。

 

    2復合開關的工作原理

 

    電容無功補償分為單相補償和三相補償，采用的開關相數(shù)也分為兩種。無論是單相投切開關還是三相開關，機械式接觸器不可能較準確地做到開關兩端電壓過零時閉合，在電流過零時切斷，而固態(tài)繼電器卻能做到這一點。相反，在開關閉合工作時，固態(tài)繼電器產(chǎn)生損耗和電壓電流諧波，而機械式接觸器卻能避免這些問題。因此，吸取固態(tài)繼電器和接觸器的優(yōu)點將是佳的選擇。也就是希望電容無功補償?shù)耐肚虚_關在投入和切斷瞬時利用(雙向)可控硅的特性，在平時閉合工作時利用機械觸點接觸電阻極小的特性，構(gòu)成了可控硅和繼電器(接觸器)并聯(lián)工作的開關即復合開關。

 

    為了達到理想的工作狀況，可控硅和繼電器的開、斷有時序要求，假設復合開關的投入命令高電平為有效，則切斷命令為低電平有效;開關(可控硅、繼電器)閉合用高電平有效表示，則開關斷開用低電平有效表示，其各信號動作時序如圖1所示。

 

    在圖1中T1為復合開關接收到投入命令后等待電壓過零所需的時間T2是繼電器延時閉合設定時間T0為繼電器閉合動作時間Tf為繼電器斷開動作時間T3是可控硅延時斷開設定時間T4可控硅自然關斷所需的時間。

 

    在圖1中UKA，UKB，UKC，UKD，UKE，IKE分別表示投切信號、可控硅通斷、繼電器線圈通斷信號、繼電器通斷、電網(wǎng)電壓、電容(或觸點)電流。當復合開關接收到投入命令時，可控硅的觸發(fā)信號準備就緒，只要電壓過零就立刻觸發(fā)可控硅，而繼電器在接到投入命令后，要延時一段時間，此時間在設計時必須保證：只有當可控硅導通后，才能閉合繼電器。當復合開關接收到切斷命令后，繼電器立即斷開，經(jīng)過一段時間可控硅觸發(fā)信號消失，據(jù)可控硅關斷特性，只有當通過可控硅陽極電流過零時，才能自然關斷。

 

    3基于PIC16C61的復合開關　　復合開關的工作原理完全可以用分立元件來實現(xiàn)，其中的時序配合關系可以用電阻電容的 延時電路完成其功能。但是，由于分立元件的參數(shù)分散性以及可靠性差將會影響整個復合開關長期正常的工作，因此，通過方案比較，采用了PIC16C61單片機來實現(xiàn)復合開關的邏輯及控制時序。如圖2所示。

 

    圖2中，合閘、分閘信號輸入到單片機的RB1，RB0接收過零信號，只有當合閘指令有效時，在過零時刻，通過“過零處理”程序，RA1就輸出可控硅觸發(fā)信號，使可控硅導通。延時二個周期(40 ms)后，即通過“低高電平延時”程序處理，RA2輸出閉合信號有效，繼電器閉合導通，完成了復合開關一次合閘的動作;當分閘信號有效時，單片機RA2輸出斷開信號使繼電器立刻分斷，同樣延時二個周期(40 ms)后，通過“高低電平延時”程序處理，RA1輸出低電平信號，使可控硅關斷，完成了一次分閘動作。

 

    以上是單相復合開關的單片機實現(xiàn)情況。對于三相復合開關：為了分析方便起見，假設開 關閉合的順序為A→B→C，如圖3所示。當合閘指令有效時，由于此時B，C相的K2，K3斷開，A相可控硅可以立刻施以導通信號而不需要檢測電壓過零點，接著檢測B相的K2開關兩端的電壓過零點，在過零時刻，使B相的可控硅導通;然后檢測C相的K3開關兩端的過零點，在過零時刻，使C相的可控硅導通;后，延時二個周期(40 ms)后，即通過“低高電平延時”程序處理，輸出繼電器的閉合信號，繼電器閉合導通，完成了復合開關一次合閘的動作。三相復合開關的分閘過程與單相復合開關類似，當所有的繼電器斷開并延時二個周期(40 ms)后，通過“高低電平延時”程序處理，使可控硅關斷，完成了一次分閘動作。

 

    由上述可知：三相復合開關用PIC16C61實現(xiàn)時，增加一個過零輸入信號、2個可控硅控制信號和2個繼電器控制信號即可。整個動作過程由軟件實現(xiàn)。

 

    4復合開關在無功補償中的應用例子

 

    某廠配電房低壓總電流為600 A，有功功率350 kW，電壓0.4 kV，要求功率因數(shù)提高到0.95~0.99，那么其視在功率：

 

    5實驗結(jié)果

 

    (1)開通時間。

 

    (2)關斷時間。

 

    (3)控制電路功耗。

 

    (4)開關接觸電阻≤0.02歐姆。

 

    (5)開關在額定電流負載下溫升≤25℃。

 

    (6)系統(tǒng)電壓處于額定電壓的±20%范圍內(nèi)，開關能正常工作;若系統(tǒng)電壓超過額定電壓 的±20%時，開關強行跳閘。

 

    (7)開關投入時涌流不大于2倍電容器額定電流。

 

    (8)在電容器端子間的殘余電壓不大于額定電壓的100%時可再次電壓過零投入。

 

    (9)以動態(tài)電壓過零方式投入。

 

    (10)缺相時開關拒合閘。

 

    (11)正常運行時，出現(xiàn)缺相自動跳閘，響應時間≤0.2 s。

 

    (12)系統(tǒng)停電時，開關自動跳閘響應時間≤0.2 s。

 

    (13)開關工作電源異常時，開關自動跳閘。

 

    (14)采用LED指示，指示項目有：開關合閘位置指示;開關跳閘位置指示;缺相故障指示;系統(tǒng)電壓異常指示。

 

    6結(jié)語

 

    復合開關工作時損耗小，不增加電網(wǎng)諧波。并且使用復合開關可以增加投切電容器組數(shù)，提高功率因數(shù)的步級精度，提高電網(wǎng)質(zhì)量。具有功能齊全，保護完備，不需外加電源，使用方便的特點。

 

    由于采用了復合開關，投切時的浪涌電流小，無觸點粘住之虞，可以較頻繁地投、切，因此，可以增加投切電容器的組數(shù)以提高補償精度。在實際應用中用了12組15 kVA的電容柜，通過控制器精確控制投切，可使功率因數(shù)保持在0.96~0.99之間。也就是說，使用復合開關不僅僅提高了可靠性，還提高了電能質(zhì)量。

 

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