低電壓無功補償投切電容器裝置研究

摘 要：切換電容器接觸器、晶閘管投切電容器裝置（TSC）、復合開關投切電容器裝置作為工業低壓系統中常用的電容器投切裝置，在可靠性、體積、能耗、壽命等方面各有不同的缺陷。鑒于第三代半導體材料SiC已在電力電子器件中大量使用，試圖通過新型材料電力電子器件的選用和對交流接觸器的適應性設計，提出新的電容器投切裝置方案，并通過MATLAB仿真驗證方案。

關鍵詞：投切電容器裝置；SiC；節銀型交流接觸器；MATLAB仿真

中圖分類號：TM52" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0010-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.003

0" " 引言

在工業低電壓系統中，感性負載電動機作為生產的主要動力使用數量巨大，使得低壓電網的功率因數大大降低，低壓電網中存在較大的無功功率，無功功率的存在會引起電路損耗增加、線路溫升過高或投資增加、用電設備電壓下降等問題，系統的穩定性、經濟性都受到影響，所以必須對系統進行無功補償，提升系統的功率因數。

在工業低電壓系統中進行無功補償的方法有在變配電室集中補償，或在大功率負載旁邊加裝電力電容器等方式。

電力電容器在投入或切除時由于其電壓不能突變，會在系統中出現涌流i=C（du/dt），接通單組電容器時涌流可達50倍額定電流，接通一組電容器時涌流可超過160倍[1]，這樣大的電流會對電容器本身、線路中的其他電器或線路造成沖擊，甚至損壞設備。因此，抑制電力電容器投入時的涌流顯得非常重要。

1" " 無功補償投切電容器裝置的分類

在工業低電壓系統中，常用的有效抑制涌流的電力電容器投切裝置一般有三類。

1.1" " 切換電容器接觸器

切換電容器接觸器是傳統的低壓電力電容器的投切裝置，是在三相交流接觸器的基礎上每極加裝了一組限流電阻和先通型的切換觸點，其原理圖如圖1所示[2]。

具體工作原理是當切換電容器接觸器線圈得電時，銜鐵帶動所有動觸頭支架動作，首先先通型觸點閉合，將限流電阻串入回路，電力電容器在限制涌流的情況下投入系統。隨著觸頭支架運動，接觸器的主觸點閉合，完全將電力電容器投入系統。此時觸頭支架繼續前行，先通型觸點的鎖扣裝置被打開，從觸頭支架上脫離被反力簧彈出電力電容器運行回路。接觸器吸合結束后由主觸頭為電力電容器正常供電運行。切除電力電容器時接觸器線圈斷電，主觸頭斷開電路。

盡管切換電容器接觸器在投切時能夠限制涌流，保持在投切電容器裝置要求的20倍額定電流以內[3]，但依然存在由于投切時機的不確定而可能產生較大涌流的現象。這樣的涌流也有將限流電阻絲燒斷的風險，限流電阻燒斷后切換電容器接觸器則成為普通交流接觸器，進而出現涌流會燒毀電容、熔焊觸點等更大的運行故障。

1.2" " 晶閘管投切電容器裝置（TSC）

晶閘管投切電容器裝置能夠很好地限制涌流的產生，其主要結構包括晶閘管、檢測電路、驅動電路和控制器等，基本工作原理圖如圖2所示[4]。

其工作原理是利用晶閘管導通時間可控的優勢，當晶閘管兩端電壓基本相同時觸發其導通。在控制器接到需要投入該組電容器組的指令時，控制器依據檢測電路獲取的晶閘管兩端的電壓判斷投切時機，當檢測到晶閘管兩端電壓為零時控制器給驅動電路導通信息，驅動電路觸發晶閘管導通回路。

當電源電壓和電容器兩端電壓基本相同時投入電容器，電壓過零投入時能很好地抑制涌流。但晶閘管的管壓降在1～3.5 V，存在功率損耗大、散熱器體積大等缺陷，在高壓場合較為適用。

1.3" " 復合開關投切電容器裝置

結合交流接觸器的觸頭接觸電阻小和晶閘管能精確無涌流投入電容器的優點，復合開關投切電容器裝置應運而生，克服了前述主要缺點，該裝置先后產生過兩種形式的產品[5]。

一種是用三個磁保持繼電器和三組正反并聯的晶閘管（也可以是一只晶閘管和一只二極管）組合成三相共補式復合開關投切裝置。該復合開關的動作時序為：晶閘管在其兩端電壓接近零時被觸發導通，電力電容器接入電網電路，磁保持繼電器線圈得電觸頭閉合，晶閘管停止觸發和磁保持繼電器斷電，電力電容器投入完成進入正常運行；晶閘管被觸發導通，磁保持繼電器線圈反向得電，觸頭分斷，晶閘管在電流過零時被關斷，電容器被切換停止運行，磁保持繼電器線圈斷電。該結構的復合開關投切裝置具有電容器正常運行時線圈不通電而節能的優點，但有磁保持繼電器機械壽命短和可能被卡住而不動作等缺點。

另一種是把上述復合開關投切裝置中的三個磁保持繼電器更換為一個交流接觸器，動作時序的不同是投入電容器后交流接觸器線圈不斷電；在切除電容器時，晶閘管被觸發導通后交流接觸器線圈斷電，觸頭分斷，其余均與前述復合開關投切裝置相同。其優點除了磁保持繼電器是復合開關投切裝置，還有交流接觸器的機械壽命次數多，運行可靠。

對比以上三種類型投切電容器裝置，投切性能和穩定運行性能都在逐步提高，在電氣控制柜智能化和小型化發展的趨勢下，更加小型化、智能化、高可靠性、低價格的投切電容器裝置更受關注。本文展開新型材料SiC電力電子器件用于投切電容器裝置的相關探討。

2" " 碳化硅器件的無功補償電容投切裝置研究及仿真

2.1" " 主電路設計及工作原理

主電路方案設計的首要任務是抑制電容器投切時的涌流，其次是最大程度滿足體積小、價格低廉等要素。總體設計采用交流斬波開關和交流接觸器相結合的思路，原理圖如圖3所示。

一組交流斬波開關采用MOSFET和二極管串聯后再反向并聯的模式；一組交流斬波開關和交流接觸器一相觸頭并聯，共三相。下面以星型連接的電容器組為例，說明投切工作流程。電容器投切裝置的檢測電路、控制電路和觸發電路等同交流接觸器線圈共用一路電源，該回路得電，就是電容器投切裝置接到投入電容器組的信號，此時零電壓檢測電路檢測兩相（如A、B相）交流斬波開關的線電壓，該值為0 V時MOSFET同時被觸發導通，電容器投入，再過π/2時，最后一相的MOSFET被觸發導通，此時電容器組全部投入。MOSFET的觸發電路處于持續觸發狀態。在電容器組全部投入后的一個工頻周期內，控制電路發出交流接觸器線圈接通的信號，交流接觸器線圈得電閉合，主觸頭旁路了交流斬波開關，系統正常運行。可以在交流接觸器閉合后關斷交流斬波開關，但由于MOSFET的觸發電路功耗很小，為了運行的可靠性，本方案選擇不關斷的運行模式。當交流接觸器線圈回路失電，電容器投切裝置停止運行，MOSFET關斷。

2.2" " 器件的選擇

本文中交流斬波開關是采用MOSFET和二極管為半導體功率器件。第三代半導體材料SiC禁帶寬度大（3.2 eV）、熱導率高（硅材料3倍）、電子飽和遷移速率大（硅材料3倍）、電子密度高、臨界擊穿電場強度高[6]、導通阻抗低（1 mΩ/cm2）[7]，特別是在較高的擊穿電壓條件下，單極SiC器件的通態電阻小于硅器件的1/300。目前，用SiC制作的二極管和MOSFET具有導通電阻小、擊穿電壓高、體積小等高性能指標。

低電壓無功補償系統中，當功率開關管未打開時可能承受2倍峰值電壓的電壓值，接近1 200 V。系統在運行時，開關管處于打開狀態，一旦需要持續通流就要求導通電阻小。同時，要盡可能減小產品的體積，因此功率器件選用SiC二極管和MOSFET。

一般情況下，交流接觸器型號中標稱的額定電流為AC-3負載類別，但交流接觸器可以承受的最大電流為約定發熱電流。在低電壓無功補償系統，電容器組投入時由交流斬波開關先導通，切除時交流接觸器觸頭基本無電弧產生，因此觸頭的電氣磨損很少。所以，交流接觸器選擇時，一是保證電容器組運行電流不超過交流接觸器的約定發熱電流為宜，二是選用非頻繁動作場合使用的節銀型交流接觸器。

2.3" " 電容器投入時刻的選取

要避免電容器投入時產生涌流，投入時刻的選取非常重要。設電網電壓為標準電壓u=Umsin ωt，其中Um為電壓幅值，ω為工頻電壓角頻率，電容器投入瞬間的電流為[8]：

i（t）中的第一項為正常運行時的穩態電流，第二項為投入瞬間電源電壓和電容器電壓差引起的電流振動分量，第三項為電源電壓變化率引起的電流振蕩分量，最大為2Im。

當cos α=0時，第三項就為0 A。滿足該條件的投入時刻是電容器電流過零的時刻，也就是電源電壓在峰值時刻。

當uC0=Umsin α時，第二項就為0 A，滿足該條件的投入時刻以uC0初始值計算。根據國標，“每一電容器單元或電容器組應具備足以在3 min內從最初的電壓Un放電到75 V或更低的放電器件”。實際運行中，電容器在切除后會采取放電措施。所以在確定投入時刻時，假定電容器放電完畢，不帶剩余電壓，選擇電源電壓過零時刻。電源電壓和電容器上電壓都為0 V，滿足第二項值為0 A的條件。

無法做到第二、三項同時滿足，所以選擇滿足第二項為0 A的投入時刻，接受在投入時具有因電源電壓自然變化而產生的涌流。總體限制涌流的效果非常明顯。

2.4" " 仿真分析

對設計的低電壓無功補償投切電容器裝置進行仿真驗證。為較為清晰地對比出抑制涌流的效果，使用了單組電容器在電壓非過零情況下投入、過零情況下投入和三相電容器在電壓過零情況下投入三組仿真結果。仿真中所有器件都用了理想模型。

單組電容器投切過程的仿真，使用晶閘管投切電容器裝置其中一相的斬波開關投入電容器。仿真模型如圖4所示。用示波器從上到下依次監測電源電壓、電容器電流、電容器電壓。

圖5是選擇在電源電壓的相位角為5°時投入的情形，從仿真圖可以看出涌流是正常電流的約42倍（圖中最高點被圖框限制了），說明隨機投入電容器時涌流非常大。

從圖6的仿真結果可以看出，選擇電源電壓過零時投入電容器時，電路中沒有涌流產生，抑制涌流效果非常明顯。本設計選擇的開關器件MOSFET開關速度快，可以精準控制，完全可以實現過零投入的控制。

三相電容器投切過程的仿真模型中，僅使用了三相斬波開關和電容器，用于旁路的交流接觸器的投入和切除相對簡單，本模型不予仿真，原理圖如圖7所示。其中電源電壓為400 V/50 Hz，電容器為450 V/60 kvar/50 Hz。設電源電壓表達式為：

對于三角形連接的電容器的投入時刻，選擇線電壓過零時刻觸發該兩相的MOSFET，如選擇觸發A、B兩相，則需要uab=ua-ub=327sin wt-327sin（ωt-

120°）=0時觸發MOSFET，即在wt=150°時觸發即可。當C相的電壓過零，即wt=240°時觸發C相斬波開關，C相無涌流接通，電容器投入完成。仿真效果如圖8所示。

3" " 結束語

本文通過對現有三種投切電容器裝置進行分析，提出了一種低電壓無功補償投切電容器裝置的解決思路，主要是用SiC材料的MOSFET和二極管各2個組成斬波開關，3組斬波開關和節銀型交流接觸器并聯組成投切裝置。該方案具有使用SiC材料器件而減小裝置體積和使用節銀型交流接觸器而降低成本的優點。對方案用MATLAB進行了仿真，尤其是通過隨機閉合和電壓過零閉合兩種對比仿真了對涌流抑制的作用，抑制涌流的效果明顯。本文還提供了三角形連接的電容器投入時刻的選擇方式。在仿真的基礎上，本方案還需要通過實物的調試和試驗。

[參考文獻]

[1] 劉炳彰.切換電容器接觸器及其選用[J].江蘇電器，2001（1）：23-29.

[2] 詹云汀，周智儀，陸織云.CJ41系列切換電容器接觸器[J].低壓電器，1998（4）：28-29.

[3] 張翠哲.無功補償用電容投切復合開關的研究[D].天津：河北工業大學，2006.

[4] 王兆安，劉進軍，王躍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].3版.北京：機械工業出版社，2018.

[5] 劉建新.低壓無功補償電容投切裝置的性能比較及選型[J].電力設備，2003（2）：100.

[6] 麥玉冰，謝欣榮.第三代半導體材料碳化硅（SiC）研究進展[J].廣東化工，2021，48（9）：151-152.

[7] 潘三博，黃軍成，劉建民.碳化硅功率器件在電力電子中的應用[J].上海電機學院學報，2013，16（3）：107-112.

[8] 李許軍，李宗義，姜毅龍.晶閘管控制三相電容器投切過程分析及仿真研究[J].電氣傳動自動化，2014，36（5）：11-14.

收稿日期：2024-03-20

作者簡介：席志剛（1973—），男，甘肅甘谷人，高級工程師，研究方向：低壓電器。