怎么選擇電容投切器件

　　湖南森能電力科技有限公司 周景

　　1概述

　　電容投切器件，也叫電容器投切開(kāi)關(guān)，是專用于無(wú)功補(bǔ)償裝置中電容器投切的器件，主要器件有交流接觸器、晶閘管開(kāi)關(guān)、復(fù)合開(kāi)關(guān)和選相開(kāi)關(guān)(同步開(kāi)關(guān))等。

　　2.關(guān)于無(wú)功補(bǔ)償裝置和電容器投切器件

　　無(wú)功補(bǔ)償裝置：是指通過(guò)提高電網(wǎng)功率因數(shù)實(shí)現(xiàn)提高電能利用效率、降低電網(wǎng)損耗、提升供電質(zhì)量等功能的設(shè)備。電容器投切開(kāi)關(guān)：是指無(wú)功補(bǔ)償裝置中，用于投切電容器的開(kāi)關(guān)設(shè)備。

　　眾所周知，通過(guò)改變并聯(lián)電容器的容量來(lái)改變無(wú)功功率，是當(dāng)前無(wú)功補(bǔ)償最基本和被普遍采用的經(jīng)濟(jì)有效的方法，無(wú)功補(bǔ)償裝置中最主要的元件就是電容器和電容器投切開(kāi)關(guān)，而電容器投切器件的性能直接影響到電容器的使用壽命及補(bǔ)償效果，所以其性能至關(guān)重要。

　　3.電容投切器件發(fā)展歷史

　　電容投切器件由簡(jiǎn)單粗獷到理性精細(xì)經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段：

　　(一)交流接觸器：最先應(yīng)用于低壓電容器投切的開(kāi)關(guān)是交流接觸器，這是一種傳統(tǒng)的電容器投切方式，由于三相交流電的相位互成120°，對(duì)交流接觸器投切控制，理論上不存在最佳操作相位點(diǎn)(即投切瞬時(shí)不可選擇性)，使得它投入或切除電網(wǎng)時(shí)，要產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)的過(guò)渡過(guò)程，又因電容器是電壓不能瞬變的器件，并聯(lián)電容器由交流接觸器投切電網(wǎng)時(shí)，由于其相位點(diǎn)是隨機(jī)的，所以會(huì)產(chǎn)生幅值很大、頻率很高的浪涌電流(涌流最大時(shí)可能超過(guò)100倍電容器額定電流)。涌流不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利的干擾，對(duì)交流接觸器易產(chǎn)生電弧、易燒損觸頭，而且涌流、過(guò)電壓會(huì)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(hù)成本高、不適于頻繁操作。為了改善這些缺陷，出現(xiàn)了所謂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(shí)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(shí)時(shí)序恰好相反，先分主觸頭，而后再分輔助觸頭，以此減輕電弧對(duì)觸頭的燒損。但這一措施僅僅是一種改良而已，并未在根本上解決問(wèn)題，涌流、過(guò)電壓和諧波污染仍然存在，對(duì)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(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越少。但由于其投資低、控制簡(jiǎn)單，所以至今在不少技術(shù)要求低的地方仍在應(yīng)用，但可以預(yù)見(jiàn)，隨著電容器投切開(kāi)關(guān)的發(fā)展，將逐步被淘汰。

　　(二)晶閘管開(kāi)關(guān)：隨著電力電子器件應(yīng)用的發(fā)展和普及，后來(lái)人們研發(fā)出由可控硅為核心的晶閘管開(kāi)關(guān)(固態(tài)繼電器)。其原理為通過(guò)電壓、電流過(guò)零檢測(cè)控制，保證在電壓零區(qū)附近投入電容器組，從而避免了合閘涌流的產(chǎn)生，而切斷又在電流過(guò)零時(shí)完成，避免了暫態(tài)過(guò)電壓的出現(xiàn)，這就從功能上符合了電容器的過(guò)零投切的要求，另外由于可控硅的觸發(fā)次數(shù)沒(méi)有限制，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償(響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí))，因此適用于電容器的頻繁投切，非常適用于頻繁變化的負(fù)荷情況，相對(duì)于交流接觸器有了質(zhì)的飛躍。然而固態(tài)繼電器在應(yīng)用上有致命的弱點(diǎn)：就是在通電運(yùn)行時(shí)可控硅導(dǎo)通電壓降約為1V左右，損耗很大(以額定容量100Kvar的補(bǔ)償裝置為例，每相額定電流約為145A，則可控硅額定導(dǎo)通損耗為145×1×3=435W)，由于有大的功耗所以需要散熱以避免PN 結(jié)的熱擊穿，為了降溫就需要使用面積很大的散熱器，甚至需要風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)，另外可控硅對(duì)電壓變化率(dv/dt)非常敏感，遇到操作過(guò)電壓及雷擊等電壓突變的情況很容易誤導(dǎo)通而被涌流損壞，即使安裝避雷器也無(wú)濟(jì)于事，因?yàn)楸芾灼髦荒芟拗齐妷旱姆逯?，并不能降低電壓變化率。可控硅開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、損耗大、成本高、可靠性差，優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)過(guò)零投切、動(dòng)作迅速、反應(yīng)快，多用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合，而不適用于常規(guī)低壓電容器投切的無(wú)功補(bǔ)償裝置中。

　　(三)復(fù)合開(kāi)關(guān)：當(dāng)仔細(xì)分析研究了交流接觸器和可控硅開(kāi)關(guān)的各自優(yōu)缺點(diǎn)之后發(fā)現(xiàn)，如果把二者巧妙地結(jié)合來(lái)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，發(fā)揮接觸器運(yùn)行功耗小和可控硅開(kāi)關(guān)過(guò)零投切的優(yōu)點(diǎn)，便是一個(gè)較為理想的投切元件，這就是開(kāi)發(fā)復(fù)合開(kāi)關(guān)的基本思路，這種投切開(kāi)關(guān)同時(shí)具備了交流接觸器和電力電子投切開(kāi)關(guān)二者的優(yōu)點(diǎn)，不但抑制了涌流、避免了拉弧而且功耗較低，不再需要配備笨重的散熱器和冷卻風(fēng)扇。要把二者結(jié)合起來(lái)的關(guān)鍵是相互之間的時(shí)序配合必須默契，可控硅開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)控制電容器的投入和切除，交流接觸器負(fù)責(zé)保持電容器投入后的接通，當(dāng)接觸器投入后可控硅開(kāi)關(guān)就立即退出運(yùn)行，這樣就避免了可控硅元件的發(fā)熱。這種看似很理想的復(fù)合開(kāi)關(guān)自從2002 年開(kāi)始，由原來(lái)全國(guó)僅數(shù)家企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)，至今已擴(kuò)展到數(shù)十家企業(yè)，雖外型結(jié)構(gòu)或電路有所不同，但內(nèi)在原理基本相同：用小形三端封裝的可控硅作為電容器的投入和切除單元，用大功率永磁式磁保持繼電器代替交流接觸器負(fù)責(zé)保持電容器投入后的接通，其過(guò)零檢測(cè)元件是一粒電壓過(guò)零型光耦雙向可控硅。從原理上看是理想的投切元件，但實(shí)際上并非如此，它存在下面一些缺陷：

　　(1)小形三端(TOP)封裝可控硅由于結(jié)構(gòu)性的原因，目前這類型式的可控硅其短時(shí)通流容量不能做得很低(低于60A )，反向耐壓一般也只能達(dá)到1600V 左右，這就限制了它的應(yīng)用范圍。由仿真和計(jì)算證明在38OV 的系統(tǒng)電壓下，電容器理想開(kāi)斷時(shí)的穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓就可能達(dá)到1600V ，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于380V (這是常有的情況)或非理想開(kāi)斷時(shí)的暫態(tài)過(guò)電壓就可能遠(yuǎn)大于可控硅的反向耐壓位1600V，眾所周知可控硅是一種對(duì)熱和電沖擊很敏感的半導(dǎo)體元件，一旦出現(xiàn)沖擊電流或電壓超過(guò)其容許值時(shí)，就會(huì)立即使其永久性的損壞。實(shí)際運(yùn)行情況已經(jīng)表明了復(fù)合開(kāi)關(guān)的故障率相當(dāng)高。

　　(2)由于采用了可控硅等電子元器件其結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本上升，與交流接觸器在價(jià)格上難以相比。

　　(3)復(fù)合開(kāi)關(guān)的過(guò)零是由電壓過(guò)零型光耦檢測(cè)控制的，從微觀上看它并不是真正意義上的過(guò)零投切，而是在觸發(fā)電壓低于16V～40V 時(shí)(相當(dāng)于2～5電度)導(dǎo)通，因而仍有一點(diǎn)涌流。

　　(4)復(fù)合開(kāi)關(guān)技術(shù)既使用可控硅又使用繼電器，于是結(jié)構(gòu)就變得相當(dāng)復(fù)雜，并且由于可控硅對(duì)dv/dt的敏感性也比較容易損壞。

　　由上述分析比較可見(jiàn)，各種電容器投切開(kāi)關(guān)并非十分完美，有必要進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)出一種更為理想的電容器過(guò)零投切開(kāi)關(guān)。

　　(四)選相開(kāi)關(guān)(又稱同步開(kāi)關(guān))：是近年來(lái)最新發(fā)展起來(lái)的高性能投切開(kāi)關(guān)，不僅可擔(dān)當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償裝置中的電容器投切開(kāi)關(guān)(如LXK系列智能選相開(kāi)關(guān))，還可擔(dān)當(dāng)任何需要同步操作負(fù)荷設(shè)備的投切開(kāi)關(guān)(如高壓同步開(kāi)關(guān)，或高壓選相開(kāi)關(guān))，是傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)與現(xiàn)代微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它吸收了交流接觸器控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，復(fù)合開(kāi)關(guān)零電壓投入、零電流切除等優(yōu)點(diǎn)，成功地將投入、切除時(shí)瞬間涌流控制在3倍額定運(yùn)行電流以內(nèi)，徹底解決了在電容器投切過(guò)程中出現(xiàn)的高電壓諧波和大涌流等問(wèn)題;選相開(kāi)關(guān)以單片機(jī)為核心，輔以高精度的采樣回路和合理的程序設(shè)計(jì)來(lái)替換復(fù)合開(kāi)關(guān)中最易損壞的可控硅元件，不僅避免了可控硅組件所容易出現(xiàn)的故障，還將選相精度從原來(lái)復(fù)合開(kāi)關(guān)的2～5電度角提高到1～3電度角，真正意義的做到了無(wú)涌流，實(shí)現(xiàn)了理想的過(guò)零投切;為了更進(jìn)一步抑制電容器投切開(kāi)關(guān)開(kāi)斷時(shí)的暫態(tài)過(guò)電壓，選相開(kāi)關(guān)增設(shè)了有效的放電回路，將過(guò)電壓限定在安全區(qū)內(nèi)，使其能安全可靠的適用于頻繁投切;由于選相開(kāi)關(guān)應(yīng)用了單片機(jī)技術(shù)，不僅能通過(guò)RS485通訊控制方式對(duì)多至64路電容器進(jìn)行控制，還具備通訊功能，可將基層單位的電測(cè)量信息實(shí)時(shí)發(fā)送到上級(jí)電網(wǎng)，為發(fā)展智能化電網(wǎng)作好準(zhǔn)備;選相開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)共補(bǔ)和分補(bǔ)，以適應(yīng)用戶的不同需求;由于選相開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)功耗僅有1-3W，最大限度的做到了節(jié)約能源;選相開(kāi)關(guān)不僅廣泛適用于低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，或在特殊場(chǎng)合下作為開(kāi)關(guān)元件使用，還特別適用于南方戶外夏天高溫潮濕(+60℃以上)、北方戶外低溫寒冷(-40℃以下)的惡劣環(huán)境溫度下長(zhǎng)期運(yùn)行。綜上所述，選相開(kāi)關(guān)不僅大大提高了電容器投切開(kāi)關(guān)的安全可靠性，還很節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)耐用，是交流接觸器及復(fù)合開(kāi)關(guān)理想的換代產(chǎn)品，專家普遍認(rèn)為：選相開(kāi)關(guān)必將替代復(fù)合開(kāi)關(guān)和交流接觸器成為無(wú)功補(bǔ)償電容器投切開(kāi)關(guān)的主流。

　　主要電容投切器件對(duì)比