复合开关在低压无功补偿中的应用

电力18讯：    
长春工程学院  侯丽华

摘要：该文总结了传统的电容器投切开关存在的主要问题，设计了基于单片机控制的复合开关，并对其硬件设计、软件实现进行了详细介绍。还介绍了复合开关在低压电容器无功补偿中的应用，指出使用复合开关不仅可以增加投切电容器组数，而且提高功率因数，提高电网质量。

关键词：复合开关；电容器投切开关；无功补偿

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1003-0867(2008)02-0043-03

无功补偿是电力系统运行的基本要求，为了实现电力系统运行中的无功平衡，必须对各种电力负荷所需的无功进行补偿。无功补偿的方法有调相机补偿、电容器组补偿等多种，其中最为有效和易于实施的是在靠近负荷点的地方进行就地无功补偿。由于无功补偿挂接在电网上是通过自动投入和切除电力电容器来达到补偿效果的，因此控制电容器投切的开关元件的性能对整个装置的质量和稳定性起着非常关键的作用。目前国内的无功补偿产品的控制器普遍都是交流接触器或双向可控硅作为开关元件来控制电容器通断。都不可避免地存在着功耗大、温升高，产生被称作“电污染”的谐波成分等影响设备的长期安全运行的问题，整个装置的寿命和可靠性不能有效保障，甚至会影响整个电网的正常运行。本文设计的基于单片机控制的智能化复合开关是较理想的投切开关，详细介绍了硬件设计、软件实现及其在低压无功补偿中的应用。

1 传统的电容器投切开关存在的主要问题

传统的电容器投切开关主要存在的问题有：

以可控硅和大功率固态继电器作为无触点开关虽然具有响应速度快、涌流较小的特点，但存在功耗大的缺点，在大电流工作的电容器投切中，发热严重，需加散热器，甚至强制致冷。这样既增加了补偿装置体积，也增加了成本。

对投切电容器的专用交流接触器，由于它在主回路中接人了限流电阻，从而起到限制涌流的作用，这与用不饱和聚酯树脂浇注成型的干式限流电抗器相比，成本虽然降低，减少耗电量，但仍有较大的涌流，对电网或电容器有较大冲击。

2 基于单片机控制的智能化复合开关

复合开关采用智能控制技术和最新的电子元器件，适用于对交流380V无功补偿电容器的通断控制。基本工作原理是将可控硅与接触器并接，使复合开关在接通和断开的瞬间具有可控硅过零投切的优点，而在正常接通期间又具有接触器无功耗的优点，同时具有智能监控、自诊断故障保护、缺相保护、空载保护等完善的保护措施，且功耗小、无谐波。控制信号常用+12V和+5V。硬件框图如图1所示。控制器采用Intel公司研制的80C196KB单片机。该单片机特别适用于实时性要求较高的控制系统。为了控制可控硅在电压过零时投入，选用了Motorola公司的过零触发控制芯片MOC3083。其控制电路如图2所示。由于MOC3083的驱动是电流型的，要求大于5mA。故为了可靠驱动，在系统设计中使用达林顿MC1413来驱动它，并设计驱动电流为l0mA。


图1 硬件框图

图2 光电隔离控制电路
在电容器的投切过程中，对触点型开关，往往会在其触点间产生较强的电弧，损伤触点，致使触头接触不良，甚至会发生触点熔融的现象；对可控硅和大功率固态继电器等无触点型开关，因其功耗大，散热问题尤为突出。针对上述情况，复合开关设计时，增加了延时电路。在开通时，可控硅先导通，延时2~3个周期后，接触器闭合，可控硅关断，负载工作电流由接触器提供；在关断时，接触器先关断，可控硅延迟2~3个周期后关断。这样，从根本上解决了接触器在接通和关断时出现的涌流及触头间拉弧现象，也消除了无触点开关的散热问题，使开关的使用寿命接近其机械寿命，既大大延长了开关的使用寿命，又提高了系统运行的可靠性。软件主程序流程如图3所示。


图3 主程序流程图
为了达到理想的工作状况，可控硅和接触器的开、断有时序要求，假设复合开关的投入命令高电平为有效，则切断命令为低电平有效；开关(可控硅、接触器)闭合用高电平有效表示，则开关断开用低电平有效表示，其各信号状态如图4所示


图4 复合开关工作状态图
在图4中t1为复合开关接收到投入命令时间，t2是复合开关接收到切断时间。当复合开关接收到