低壓電力電容器過零投切開關的設計

王祝華，張士錢

（龍巖學院 機電學院，福建 龍巖364012）

近年來隨著電網中非線性負荷和感性負荷的劇增，無功功率也大量增多，導致受電端電壓下降，功率因數偏低，嚴重影響供電質量。因此，必須裝設無功補償設備來滿足低壓配電網無功功率的需求。低壓電網無功補償最常用的方法是采用電力電容器進行補償，合理選用投切開是無功補償的重要環節。交流接觸器投切電容：投切電容器時會有很大的沖擊涌流，可能燒毀觸頭，觸頭容易粘結，分合閘時間長，不能分相過零投切。晶閘管投切電容器：在過零時觸發導通無涌流，切斷無過電壓，但導通時還有較大的導通壓降，仍存在發熱和電能損耗的問題。復合開關投切電容：響應速度較快，投切無涌流，觸點無燒結，但是耐電壓電流的沖擊性較弱，容易損壞，安全穩定性較弱，機械觸點存在燒壞可能性，接觸器在正常運行時一直處于接通狀態，線圈始終通電，增加了電能的損耗。

從投切開關的性能對比可知，目前普遍使用的電容器投切開關在運行中仍存在的一些缺陷，需要在提高開關的安全穩定性方面進行改進。新型過零投切開關通過改進電路結構，不存在可控硅損壞和單觸點磁保持燒壞現象，不會產生電弧預燃和重燃，長期運行故障率低，實現過零無涌流投切，達到快速精確補償的目的。

1 過零投切原理

過零投切原理依據電容器特性，如果投入電容器時電容器端電壓uC與電網電壓uS相差較大時，電容器電壓突變會產生很大的合閘涌流，很可能會毀壞晶閘管，因此要求必須是在電容器當前端電壓uC與電網電壓uS相等的時刻投入電容器。低壓電力電容器過零投切原理圖和電力電容器投切的失效率分別如圖1、2所示，在過零點投切電容器，無涌流、無功耗產生。

圖1 低壓電力電容器過零投切原理圖Figure 1 The schematic diagram of zero

圖2 電力電容器投切的失效率Figure 2 Loss of efficiency of power capacitors throw of low voltage power capacitor

2 過零投切系統

低壓電力電容器過零投切系統主要由電壓電流互感器、濾波電路、采樣電路、數字信號處理器、微控制器、磁保持繼電器驅動電路、過零檢測與觸發電路、補償電容器、過零投切開關、RS-485通信、人機接口、電容狀態指示、溫度檢測等組成。電容器過零投切系統框圖如圖3所示，數字信號處理器和單片機，主要功能是電力參數的計算和電能質量參數的分析，以及電容狀態指示、事件記錄、故障報警等；人機接口主要由顯示器和鍵盤構成，可實現系統參數設置和電力參數顯示。

2.1 參數采樣與投切控制器

低壓電容器過零投切采用高性能、高精度TMS320C28x系列32位定點處理器DSP和低功耗、高性能STC89C53微控制器。STC89C53微控制器通過電壓電流互感器、濾波電路、采樣電路獲取低壓電網的三相電壓和電流參數，經DSP實時計算出無功功率Q、功率因數λ、有功功率P、頻率f、電容值C等電力運行參數，根據用戶的需求設定的各電力運行參數控制門閥通過單片機判斷是否需要進行電容器組無功補償。微控制器STC89C53通過RS-485通信可實現與處理器DSP之間的高速數據交換，以滿足系統的實時性要求。

2.2 過零投切開關

低壓電容器過零投切開關由大功率磁保持繼電器、雙向晶閘管和阻容吸收電路等組成。由單片機控制過零點投切開關實現電力電容器的投切。電容器投入時：在檢測到雙向晶閘管兩端電壓為零時的時刻，單片機發出觸發脈沖導通雙向晶閘管的指令，電容器投入使用。然后再發出閉合大功率磁保持繼電器的指令，大功率磁保持繼電器導通后，單片機在檢測到雙向晶閘管電流過零時的時刻發出觸發脈沖斷開雙向晶閘管的指令。電容器切除時：由單片機發出指令使雙向晶閘管導通，雙向晶閘管導通后發出斷開大功率磁保持繼電器的指令，再發出斷開雙向晶閘管的指令。大功率磁保持繼電器在開關正常運行時維持通斷狀態，而雙向晶閘管只在開關投切瞬間導通工作，這樣避免了電容器投切的涌流沖擊，減小了運行中的電能損耗。

圖3 電容器過零投切系統框圖Figure 3 The block diagram of the capacitor's zero-drop system

2.3 磁保持繼電器驅動電路

大功率磁保持繼電器的承載能力強，在運行過程中無功耗產生，其內部裝有永久磁鋼和線圈，繼電器觸點的動作執行，通過單片機發出脈沖信號來控制。磁保持繼電器選用HFE9型，具有雙線圈，驅動電壓為12 V，繼電器驅動電路圖如圖4所示。合（分）閘過程：主控芯片輸出高電平，三極管 Q1、Q3（Q2、Q4）飽和導通，12 V電壓加在合（分）閘線圈上，持續時間大于50毫秒后，主控芯片輸出低電平，磁保持繼電器觸頭動作，完成合（分）閘過程。圖4中，續流二極管D1、D2，用以保護三極管Q3、Q4不被過電壓擊穿。

圖4 大功率磁保持繼電器驅動電路Figure 4 Driver circuitof high powermagnetic holding relay

2.4 晶閘管過零檢測與觸發電路

為了防止電容器組投切的瞬間出現合閘涌流和過電壓沖擊，必須保證雙向晶閘管兩端電壓為零或電流過零時刻投切電容器，因此，要求選擇具有過零檢測與觸發能力強、理想的芯片來驅動雙向晶閘管。晶閘管過零檢測與觸發電路主要由兩個光電耦合器、雙向可控硅、電阻、電容器等組成。如圖5所示，驅動芯片MOC3083是新型光電耦合器件，內置過零檢測的電路，當晶閘管被檢測到端電壓為零或電流過零時，MOC3083發出觸發脈沖給晶閘管導通或斷開。圖5中，阻容吸收電路由R1、C1構成，可有效避免電路過電壓的沖擊；壓敏電阻RV能承受較大沖擊能量，可抑制電路的異常過電壓。

圖5 晶閘管過零檢測與觸發電路Figure 5 The thyristor has zero detection and trigger circuit

2.5 補償方式

投切電容器組的補償方式可靈活采用共、分補優化組合，解決了低壓電網負荷的變化，三相負荷不平衡的無功功率補償的問題。負載平衡時采用共補方式，在負載波動大或嚴重不平衡時，采用先共補再各相單獨補償的方式。由于居民用電基本都是單相負載，變動極大，會導致三相負載嚴重不平衡，且各相要求補償的電容量都不一樣，無功補償差異大，這時如果采用各相單獨進行補償，不會造成欠補或過補資源浪費的現象，便能得到最合理的補償。

3 投切流程設計

低壓電力電容器組過零投切控制投切依據是無功功率Q和功率因數λ，其中無功功率Q作為主要投切依據，而功率因數λ作為輔助投切依據。由采樣電路獲取低壓電網的電力運行參數，通過DSP實時計算出無功功率Q，并與設定的無功功率投切門限值Q切進行比較，再計算出需要投入或切除補償電容器組的電容量值C。需要投切的電容器按循環投切的方式來選擇，即按照投入時間順序來操作，讓先投入的電容器先撤出，后投入的電容器則后撤出，這樣投切可以很好地減小電容器的溫度，提高電容器的使用壽命。循環投切流程圖如圖6所示，這種控制投切精確，可克服以往只以單一功率因數λ為投切依據，重復投切的振蕩現象。

圖6 循環投切流程圖Figure 6 Cyclic casting flow chart

4 測試結果

某380 V低壓配線路，補償前負荷電流為421 A,功率因數為0.65，采用過零投切開關對10組三角形接線的電力電容器進行投切，單組電容量為20 F。在投切過程中無涌流產生，投入后設備運行穩定，負荷電流減小，功率因數提高，達到了預期的補償效果。測試數據如表1所示。

表1 測試數據表Table 1 Test data

5 結語

所設計的低壓電力電容器過零投切開關，綜合了電子開關和機械開關的各項優勢，通過測試，可實現無涌流、無功耗的快速準確過零點投切，具有成本低，損耗小，控制方式靈活，維護方便，電容器的使用壽命長的優點。同時投切電容器組可靈活采用共、分補優化組合的補償方式，解決了低壓電網負荷的變化，三相負荷不平衡的無功功率補償的問題。

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