低壓無功補償電容器投切開關的探討

0.引 言

電力電子技術的發展對電能質量的要求越來越高，而電力電子設備的增加卻又導致電能質量日益惡化，造成諧波，電壓波動，三相不平衡等電網污染，尤其是近年來，由于電網容量的增加，對電網需求也與日俱增。為充分利用設備的容量，以自愈式低電壓并聯電容器為主要元件，接觸器或晶閘管為投切開關的低壓電容無功補償裝置得到廣泛的應用。這些裝置一般是將電容器分為若干組，根據控制物理量的變化，進行電容器的投切。但是，若無功負荷經常波動變化，而裝置又需要將cosφ控制在較高水平時，電容器的投切，往往就比較頻繁，從而可能給電容器造成危害，使其早期損壞。以接觸器為投切開關的低壓電容無功補償裝置，不宜頻繁進行電容器的投切。否則，投切時所產生的過電壓和沖擊電流將對自愈式電容器造成危害，使容量下降，以及絕緣老化加速等，最終使電容器早期損壞。但是晶閘管可以解決這個問題，所以正確選用低壓無功補償電容投切裝置對于保證低壓無功補償設備的可靠性、經濟性及補償效果有著十分重要的意義。

1.發展現狀

傳統的無功補償裝置多采用機械開關（接觸器或斷路器）投切電容器，它根據無功功率的需求，對無功器件進行投切和調節，盡管能達到一定得補償效果，但在投切速度上跟不上沖擊負荷的變化，切除時會產生過電壓，自身觸頭易損甚至熔焊，噪聲大，設備故障高，可靠性差，在控制環節上基本上不能滿足分相，分級，快速及跟蹤補償發的要求，使系統電壓波動太大，影響用戶用電。

隨著功率晶閘管的問世，利用晶閘管作補償電容器組的投切開關，可快速無涌流投切，由于晶閘管投切電容器（TSC）是利用電力電子開關來投切電容器的，與機械投切相比，其開關是無觸點的，其操作壽命幾乎是無限的，而且晶閘管的投入時刻可以精確控制，可以快速無沖擊的將電容器接入電網，大大減少投切時的沖擊電流和操作困難。諸多特點使得晶閘管投切電容器技術目前在配電網中有了廣泛的應用和前景。

2.接觸器投切電容器裝置的構成及工作原理

接觸器投切電容裝置構成如圖1所示，其中虛線以上為內部原理示意圖，虛線以下為負載電容器。接觸器電容投切裝置由接觸器（主觸頭、輔助觸頭、線圈）和電阻切合電路組成。通過專用的電容補償控制器控制該裝置的開與關，實現電容器的投入與切除。當該裝置接收到來自控制器投入電容器的指令后，電阻切合電路提前接通，電流流經電阻向電容器充電，電阻抑制了電容器的合閘涌流，隨后主觸頭閉合，承載了電容器的正常工作，同時短接電阻，完成電容器的投入過程。當該裝置接收到來自控制器切除電容器的指令后，主觸頭先斷開，電阻切合電路延時斷開，抑制了電容器切斷時的操作過電壓，完成電容器的切除過程。

3.晶閘管投切電容裝置的構成及工作原理

晶閘管投切電容裝置構成如圖2所示，其中虛線以上為內部原理圖，虛線以下為濾波電抗器L和負載電容器。晶閘管投切裝置為雙向反并聯聯接而成，通過專用電容補償器和過零觸發電路控制晶閘管的導通。

當該裝置接受來自控制器投入電容器的指令后在觸發電路檢測到施加于晶閘管兩端的電壓為零時，發出觸發信號，晶閘管導通，此時電容器的電壓與電網的電壓相等，因此不存在合閘涌流，完成電容器的投入過程。當該裝置接收到來自控制器切除電容器的指令后，觸發電路去掉觸發信號，在電流過零時，晶閘管截止，將電容器從電網中切除。整個投切過程是利用晶閘管[DK2]（電子開關）反應速度快、無觸點、過零觸發的特點，實現電容器無涌流、無過電壓的快速投切。

4.二者特點的闡述與比較

4.1接觸器投切電容器

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。

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，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。

4.2晶閘管投切電容器

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投切開關。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，相對于傳統交流接觸器有了質的飛躍。

傳統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，與機械投切電容器相比，晶閘管的開、關無觸點，其操作壽命幾乎是無限的，其投切時刻可以精確控制，快速無沖擊地將電容器接入電網，大大減少了投切時的沖擊電流和操作困難，非常適用于常規低壓電容器投切的無功補償裝置中。TSC能快速跟蹤沖擊負荷的突變，隨時保持最佳饋電功率因數，實現動態無功補償，減小電壓波動，提高電能質量，節約電能。

5.結束語

通過對常見低壓無功功率補償投切開關接觸器和晶閘管的比較分析，可以看出，晶閘管投切電容器裝置具有優良的動態無功功率補償性能，特別適合于沖擊性負荷及經常波動性負荷的場所，對提高配電系統的功率因數等方面具有重要的作用。隨著電力電子技術的迅速發展，特別是電力電子器件價格的下降，晶閘管投切電容器技術已經大力推廣應用。我們能正確合理地選擇電容投切裝置，不但能減少設備故障，提高運行率，而且能降低設備投入成本，減少對電網的污染和節約能源。