基于握手式交互策略智能復(fù)合開(kāi)關(guān)研究

(樂(lè)山一拉得電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，四川 樂(lè)山 614000)

0 引 言

隨著近年來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展，低壓配電新技術(shù)、新產(chǎn)品也伴隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展不斷涌現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切開(kāi)關(guān)通常選用接觸器、晶閘管開(kāi)關(guān)或復(fù)合開(kāi)關(guān)，接觸器在投入電容器時(shí)沖擊涌流大。晶閘管在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通過(guò)程中損耗大、溫升高、諧波重。智能復(fù)合開(kāi)關(guān)融合了二者的優(yōu)點(diǎn)，具有投入涌流小、穩(wěn)態(tài)損耗小、溫升低且功能豐富的優(yōu)勢(shì)。因此相關(guān)電力設(shè)備廠家開(kāi)展了智能復(fù)合開(kāi)關(guān)的研發(fā)。復(fù)合開(kāi)關(guān)的一次回路由繼電器和可控硅構(gòu)成，采集和控制回路以中央處理單元(central processing unit,CPU)為核心。其最大的特點(diǎn)是投切電容器時(shí)無(wú)涌流且功能豐富，有著接觸器和晶閘管開(kāi)關(guān)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。電力工業(yè)發(fā)展在保持適度增長(zhǎng)的同時(shí)，須切實(shí)轉(zhuǎn)變電力增長(zhǎng)方式，實(shí)現(xiàn)從重視增加數(shù)量和規(guī)模到重視提高質(zhì)量和效率的轉(zhuǎn)變[1]。因此，各供電公司、電力設(shè)備成套廠和廣大的電力用戶更愿意采用復(fù)合開(kāi)替代傳統(tǒng)接觸器，復(fù)合開(kāi)關(guān)是傳統(tǒng)的投切開(kāi)關(guān)的升級(jí)換代產(chǎn)品。

1 復(fù)合開(kāi)關(guān)的運(yùn)行現(xiàn)狀

復(fù)合開(kāi)關(guān)在低壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中運(yùn)用日益廣泛，但復(fù)合開(kāi)關(guān)的研制廠家水平參差有別，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)運(yùn)行時(shí)的安全、可靠性問(wèn)題沒(méi)有從根本上得到解決，嚴(yán)重地影響了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

由于復(fù)合開(kāi)關(guān)的硬件門(mén)檻并不高，從2016年年初到2020年年底，中國(guó)的復(fù)合開(kāi)關(guān)生產(chǎn)廠家由當(dāng)初的幾家迅猛增加到數(shù)十家，復(fù)合開(kāi)關(guān)的應(yīng)用從當(dāng)初的嘗試階段逐漸轉(zhuǎn)為大面積推開(kāi)。很多復(fù)合開(kāi)關(guān)雖然解決了傳統(tǒng)接觸器投切涌流大的弊端，也出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題：復(fù)合開(kāi)關(guān)在運(yùn)行2～3年后有20%～40%左右出現(xiàn)故障；更為嚴(yán)重的是，約3%～10%的復(fù)合開(kāi)關(guān)在投運(yùn)初期或使用過(guò)程中出現(xiàn)炸裂損壞，造成了主變壓器0.4 kV進(jìn)線斷路器跳閘或線路損壞等諸多風(fēng)險(xiǎn)[2]。

2 運(yùn)行故障案例

某采礦廠采用容量為800 kVA(10 kV/0.4 kV)的S11配電變壓器[3]，無(wú)功補(bǔ)償裝置配置容量為12×30 kvar，補(bǔ)償裝置主開(kāi)關(guān)采用500 A的塑殼斷路器。無(wú)功補(bǔ)償裝置中的投切開(kāi)關(guān)采用低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)。配電系統(tǒng)運(yùn)行2個(gè)月后，部分復(fù)合開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障且有明顯的灼燒痕跡，同時(shí)補(bǔ)償裝置進(jìn)線塑殼斷器出現(xiàn)了多次跳閘。

電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置的錄波數(shù)據(jù)，清晰地反映了復(fù)合開(kāi)關(guān)在出現(xiàn)故障瞬間補(bǔ)償柜電流峰值為額定電流的數(shù)倍，已超出示波表所能顯示的范圍。由此可以看出，原廠家復(fù)合開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)由于出現(xiàn)異常導(dǎo)致故障，給用電單位甚至配電系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

復(fù)合開(kāi)關(guān)在電壓過(guò)零偏移50 μs處導(dǎo)通時(shí)的沖擊波形，如圖1所示。

3 故障問(wèn)題分析

低壓智能復(fù)合開(kāi)關(guān)出現(xiàn)運(yùn)行故障，一般有以下原因：

圖1 復(fù)合開(kāi)關(guān)在電壓過(guò)零偏移時(shí)間50 μs處導(dǎo)通時(shí)的沖擊波形

1)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境惡劣，如運(yùn)行環(huán)境溫度、濕度、塵埃含量、海拔高度等外部環(huán)境的影響[4]；

2)電能質(zhì)量、電容器質(zhì)量的影響[5]；

3)復(fù)合開(kāi)關(guān)自身質(zhì)量缺陷的影響。

從現(xiàn)場(chǎng)采集的信息來(lái)看，產(chǎn)品自身質(zhì)量的缺陷是復(fù)合開(kāi)關(guān)運(yùn)行故障最主要的原因。低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)的主要實(shí)現(xiàn)原理是將可控硅與磁保持繼電器并聯(lián)，由CPU對(duì)可控硅和磁保持繼電器進(jìn)行時(shí)序控制[6]，動(dòng)作步驟如下：

1)初始時(shí)刻，可控硅和磁保持繼電器均為斷開(kāi)，電容器為切除狀態(tài)。

2)投入電容時(shí)，CPU控制可控硅在電壓過(guò)零點(diǎn)瞬間導(dǎo)通并持續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)電容電流流經(jīng)可控硅。

3)電流穩(wěn)定后，CPU控制磁保持繼電器閉合，待其可靠接通后斷開(kāi)可控硅，繼電器擔(dān)任長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)流任務(wù)。

4)切除電容器時(shí)，CPU控制可控硅處于接通狀態(tài)。待可控硅接通狀態(tài)穩(wěn)定后。隨即斷開(kāi)磁保持繼電器，此時(shí)可控硅擔(dān)任續(xù)流任務(wù)。

5)待磁保持繼電器分開(kāi)狀態(tài)穩(wěn)定后，CPU撤消可控硅的觸發(fā)信號(hào)，可控硅在電流過(guò)零自動(dòng)斷開(kāi)，完成一次投、切過(guò)程的全部動(dòng)作。

通過(guò)基本工作原理可以看出：復(fù)合開(kāi)關(guān)在電壓過(guò)零處投入電容器、在電流過(guò)零處退出電容器，具備電壓過(guò)零投入、電流過(guò)零退出的特性。可控硅與磁保持繼電器的動(dòng)作時(shí)序均由CPU協(xié)調(diào)。無(wú)功補(bǔ)償裝置通常就近安裝于低壓配電變壓器，電源內(nèi)阻很小，又因補(bǔ)償裝置中復(fù)合開(kāi)關(guān)所接負(fù)載為電容器，異常干擾可使CPU失效致一次元件動(dòng)作時(shí)序失控，導(dǎo)致復(fù)合開(kāi)關(guān)在電壓波形非過(guò)零處投入電容器，從而產(chǎn)生數(shù)倍甚至數(shù)十倍于額定電流的短時(shí)過(guò)流現(xiàn)象，引起復(fù)合開(kāi)關(guān)炸裂甚至配電變壓器進(jìn)線斷路器跳閘的嚴(yán)重后果[7]。

4 實(shí)施方案和算法

4.1 方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1.1 精準(zhǔn)的電壓過(guò)零點(diǎn)獲取

復(fù)合開(kāi)關(guān)中的可控硅只在接通與斷開(kāi)電容器的瞬間使用，損耗很小，無(wú)需散熱片。但是可控硅對(duì)電壓變化率(dv/dt)很敏感，對(duì)過(guò)電流的承受能力不強(qiáng)，可見(jiàn)可控硅部分是復(fù)合開(kāi)關(guān)的薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，在可控硅的終身壽命中，任何一次非過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)通將會(huì)產(chǎn)生極大涌流，使可控硅瞬間過(guò)流損壞及復(fù)合開(kāi)關(guān)整體炸裂[8]。因此，如何確保可控硅始終在電壓過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)通是設(shè)計(jì)首要解決的問(wèn)題。

4.1.2 可靠的部件失效閉鎖

復(fù)合開(kāi)關(guān)中可控硅與磁保持繼電器的配合動(dòng)作時(shí)序是：CPU通過(guò)對(duì)光耦反饋的方波進(jìn)行掃描，以此找出電壓過(guò)零點(diǎn)位置，并在此時(shí)發(fā)出控制信號(hào)；該信號(hào)通過(guò)脈沖回路觸發(fā)可控硅使其在電壓過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)通；可控硅導(dǎo)通后接通磁保持繼電器；最后，撤消可控硅脈沖信號(hào)使可控硅斷開(kāi)，磁保持繼電器負(fù)責(zé)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)接通。復(fù)合開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，必定存在內(nèi)部元件如CPU、可控硅等關(guān)鍵元件逐漸失效的情況。CPU或可控硅元件的失效同樣可能會(huì)導(dǎo)致可控硅誤導(dǎo)通，從而引起過(guò)流、過(guò)壓現(xiàn)象的嚴(yán)重后果。因此，在關(guān)鍵元件失效的情況下要保證復(fù)合開(kāi)關(guān)的安全性，設(shè)計(jì)中必須要考慮通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)合開(kāi)元件失效時(shí)的動(dòng)作閉鎖。

4.2 硬件實(shí)施方案

關(guān)鍵硬件控制及反饋回路的核心部分[9]，如圖2所示。

為了克服目前低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)普遍存在的性能不穩(wěn)定、投入電容器涌流大、動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)高等弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案提供了一種電壓過(guò)零點(diǎn)精準(zhǔn)檢測(cè)電路，配合專用的軟件算法：在軟件上采取反饋信號(hào)與CPU步進(jìn)式脈沖互為推挽，實(shí)現(xiàn)可控硅觸發(fā)全過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤保護(hù)，防止可控硅不可靠導(dǎo)通時(shí)磁保持繼電器閉合造成的炸裂、損毀設(shè)備等嚴(yán)重后果。軟件專用算法流程如圖3所示。

4.3 軟硬件交互策略

4.3.1 輸入部分

在復(fù)合開(kāi)關(guān)沒(méi)有投入時(shí)，磁保持繼電器與可控硅均斷開(kāi)，220 V的壓降全部加在復(fù)合開(kāi)關(guān)上下兩端，通過(guò)互感器隔離變壓器SPT204A(T2)將復(fù)合開(kāi)關(guān)上下兩端的電壓轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，電壓過(guò)零比較器LM311(U2)及相關(guān)電路將弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)方波(方波的跳變處即是電壓正弦波的過(guò)零處)，標(biāo)準(zhǔn)方波經(jīng)高速光耦6N137(U3)隔離輸出，轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 V、跳變沿<0.2 μs、占空比為50%的方波并傳送至CPU的I/O口作為過(guò)零方波反饋輸入。

4.3.2 輸出部分

軟件中首先設(shè)置好脈沖序列數(shù)和脈沖頻率，并將輸出口線設(shè)置為推挽結(jié)構(gòu)。CPU在檢測(cè)到方波上升沿的同時(shí)，推挽結(jié)構(gòu)的I/O口采用程序步進(jìn)的方式發(fā)送第一個(gè)脈沖，在發(fā)送下一個(gè)脈沖前對(duì)反饋波形進(jìn)行分析，判斷可控硅導(dǎo)通情況：如果輸入口線為低電平，說(shuō)明當(dāng)前時(shí)刻可控硅為導(dǎo)通狀態(tài)，則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)脈沖并進(jìn)行導(dǎo)通判斷，依此循進(jìn)，直至整個(gè)過(guò)程可控硅均導(dǎo)通方可閉合磁保持繼電器。

在整個(gè)發(fā)送脈沖與通斷判斷過(guò)程中，若發(fā)送某一個(gè)脈沖后CPU判斷口線為高電平，說(shuō)明當(dāng)前時(shí)刻可控硅沒(méi)有導(dǎo)通，則放棄后續(xù)的脈沖發(fā)送及閉合磁保持繼電器的動(dòng)作，有效地杜絕了可控硅不可靠導(dǎo)通時(shí)磁保持繼電器盲目閉合造成的隱患。

圖2 復(fù)合開(kāi)關(guān)關(guān)鍵硬件控制及反饋回路

圖3 軟件專用算法流程

4.4 誤差引起的沖擊涌流定量分析

5 實(shí)際工程運(yùn)行效果

四川某織布廠新建配電工程，電源變壓器型號(hào)S11-800 kVA-10/0.4，主要負(fù)荷是照明設(shè)備、變頻機(jī)、紡絲機(jī)和通風(fēng)機(jī)。計(jì)量裝置設(shè)置在10 kV高壓側(cè)，規(guī)范要求配電變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容器裝置容量按照變壓器容量的10%～30%進(jìn)行配置[11]。考慮到電容器電壓虧損，實(shí)際補(bǔ)償容量按照變壓器容量的30%進(jìn)行配置，即低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置配置8組電容器單元，單組電容器容量為30 kvar，每組電容器與電抗率為7%的電抗器串聯(lián)[11]，標(biāo)稱補(bǔ)償總?cè)萘繛?40 kvar。

在設(shè)備投入運(yùn)行不到2周，用戶反映補(bǔ)償裝置故障。經(jīng)對(duì)配電現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查，無(wú)功補(bǔ)償監(jiān)控裝置顯示功率因數(shù)在0.6～0.7之間，功率因數(shù)明顯偏低，負(fù)荷電流的總諧波畸變率在5%～8%之間，電壓的總諧波畸變率在1.0%～1.5%之間。每組補(bǔ)償單元的熔斷器均有2～3只已經(jīng)斷開(kāi)，熔斷器的斷開(kāi)率近85%，整個(gè)補(bǔ)償柜沒(méi)有補(bǔ)償電流，復(fù)合開(kāi)關(guān)有燒灼的痕跡。

經(jīng)分析，現(xiàn)場(chǎng)電流總諧波畸變率和電壓總諧波畸變率均在正常范圍內(nèi)，故排除了電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)設(shè)備損壞的可能性，同時(shí)對(duì)復(fù)合開(kāi)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解分析，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的炸裂和灼燒痕跡，結(jié)合硬件電路、軟件控制策略進(jìn)行綜合研判并經(jīng)試驗(yàn)分析，得出的結(jié)論是軟硬件協(xié)同配合不當(dāng)應(yīng)是造成復(fù)合開(kāi)關(guān)損壞的根本原因。

采用所提出的基于握手式的交互控制策略，其硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)和軟件控制算法按前述方案進(jìn)行優(yōu)化。按所提方案設(shè)計(jì)的智能復(fù)合開(kāi)關(guān)在該織布廠重新掛網(wǎng)運(yùn)行，歷經(jīng)2年多的運(yùn)行，8組智能復(fù)合開(kāi)關(guān)均運(yùn)行良好無(wú)一損壞，其可靠性和耐用性高于常規(guī)接觸器，該廠每月平均功率因數(shù)均在0.93～0.96之間，保證了設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[12]。

6 結(jié) 論

上面針對(duì)智能低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)常規(guī)設(shè)計(jì)方案存在的缺陷，提出了一種全新的基于握手式交互控制策略。該策略結(jié)合智能低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)，采取反饋信號(hào)與步進(jìn)脈沖互為推挽，實(shí)現(xiàn)了可控硅觸發(fā)全過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤保護(hù)，規(guī)避了常規(guī)實(shí)施方案的不足，防止了可控硅誤導(dǎo)通時(shí)存在的炸裂風(fēng)險(xiǎn)，極大地提高智能低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)運(yùn)行的安全性和可靠性，強(qiáng)化了配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定和安全。