基于反馈控制策略的新型复合开关研制

张新太　胡天祥

摘 要：近年来，随着低压配电系统智能化程度不断提高，低压无功补偿系统中复合开关较传统接触器使用比重日益增加。与此相伴的是：各复合开关生产厂家技术水平参差不齐，复合开关在使用过程中问题频出，安全问题日益突出。对低压复合开关在使用过程中出现的问题进行剖析，找出问题的根源，同时提出一种全新的思路和切实可行的解决方案。

关键词：复合开关 可控硅 CPU（中央处理单元） 过零 反馈

中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-031-03

1 引言

随着近年来智能电网的发展，低压配电新技术、新产品也伴随着智能电网的发展不断涌现。在低压无功补偿装置中，传统接触器投切电容器时涌流大、功能单一的弊病日益凸显。因此，有研发能力的厂家将接触器的更新换代产品——低压复合开关逐步推向市场。复合开关的一次回路由继电器和可控硅构成，采集和控制回路以CPU（中央处理单元）为核心。其最大的特点是投切电容器时无涌流、功能丰富，有着传统的接触器无可比拟的优势。因此，各供电局、电力设备成套厂和广大的电力用户已逐渐接受复合开，用以做为传统接触器的升级换代产品。

2 复合开关的运行现状

复合开关在低压无功补偿系统中运用日益广泛，但复合开关的研制厂家水平参差有别，产品质量良莠不齐，低压复合开关运行时的安全、可靠性问题没有从根本上得到解决，严重地影响了电力系统的安全运行。

由于复合开关的硬件门槛并不高，从2005年初到2012年底，全国的复合开关的生产厂家由当初的几家迅猛增加到数十家，复合开关的应用从当初的尝试阶段逐渐转为大面积推开。现场看过诸多厂家复合开关的运行现状，很多复合开关虽然解决了传统接触器投切涌流大的弊端，也出现了一些新的问题：复合开关在运行2-3年后有20%-40%左右出现故障。更为严重的是，约3%-10%的复合开关在投运初期或使用过程中出现炸裂损坏，造成了主变0.4kV进线断路器跳闸或线路损坏等诸多风险。

3 传统的复合开关隐患案例

某采矿厂采用容量为800kVA（10kV/0.4kV）的S11配电变压器，无功补偿装置配置容量为12？0kvar，补偿装置主开关采用500A的塑壳断路器。无功补偿装置中的投切开关采用低压复合开关。配电系统运行两个月后，部分复合开关出现故障且有明显的烧灼痕迹，同时补偿装置进线塑壳断器出现了多次跳闸。

2008年5月17日，我单位受托对无功补偿装置故障问题进行分析和查找，采用电能质量在线监测装置对补偿柜进线电流进行实时录波监控。2008年5月18日，又有其它复合开关出现故障，同时补偿装置断路器跳闸。经查电能质量在线监测装置的录波数据，清晰地反映了复合开关在出现故障瞬间补偿柜电流峰值为额定电流数倍，已超出示波表所能显示的范围。由此可以看出，传统的复合开关由于出现异常导致不可控，给用电单位甚至配电系统带来严重的安全隐患。

附：复合开关在电压过零偏移50us处导通时的冲击波形，如图1所示。

图1 复合开关在电压过零偏移50us处导通时的冲击波形

4 复合开关运行故障问题分析

低压智能复合开关出现运行故障，一般有以下几方面的原因：

（1）设备的运行环境恶劣，如运行环境温度、湿度、尘埃含量、海拔高度等外部环境的影响。

（2）电能质量、电容器质量的影响。

（3）复合开关自身质量缺陷的影响。

从现场采集的信息来看，产品自身质量的缺陷是复合开关运行故障最主要的原因。现就对复合开关的工作原理进行剖析：低压复合开关的主要实现原理是将可控硅与磁保持继电器并联，由CPU（中央处理单元）对可控硅和磁保持继电器进行时序控制，动作步骤如下：

（1）初始时刻，可控硅和磁保持继电器均为断开，电容器为切除状态。

（2）投入电容时，CPU控制可控硅在电压过零点瞬间导通并持续导通，此时电容电流流经可控硅。

（3）电流稳定后，CPU控制磁保持继电器闭合，待其可靠接通后断开可控硅，继电器担任长时间的续流任务。

（4）切除电容器时，CPU控制可控硅处于接通状态。待可控硅接通状态稳定后。随即断开磁保持继电器，此时可控硅担任续流任务。

（5）待磁保持继电器分开状态稳定后，CPU撤消可控硅的触发信号，控硅在电流过零自动断开，完成一次投、切过程的全部动作。

通过其基本工作原理可以看出：复合开在电压过零处投入电容器、退出电容器时在电流过零处，具备电压过零投入、电流过零退出的特性。可控硅与磁保持继电器的动作时序均由CPU（中央处理单元）协调。无功补偿装置通常就近安装于低压配电变压器，电源内阻很小，又因补偿装置中复合开关所接负载为电容器，异常干扰可使CPU失效致一次元件动作时序失控，导致复合开关在电压波形非过零处投入电容器，从而产生数十倍甚至上百倍于额定电流的短时过流现象，引起复合开关炸裂甚至配变进线断路器跳闸的严重后果。

5 硬件和软件实施方案的提出

复合开关设计最核心的问题就是可靠性和安全性。目前大多数的复合开关在设计中主要有两大问题难以解决：

（1）如何在投入电容时找到精准的电压过零点？

复合开关中的可控硅只在接通与断开电容器的瞬间使用，损耗很小，无须散热片。但是可控硅对电压变化率（dv/dt）很敏感，对过电流的承受能力不强，可见可控硅部分是复合开关的薄弱环节。同时，在可控硅的终身寿命中，任何一次非过零点导通将会产生极大涌流，可控硅瞬间过流损坏及复合开关整体炸裂。因此，如何确保可控硅始终在电压过零点导通是设计首要解决的问题。

（2）怎样确保复合开关核心部件失效时可靠闭锁？

复合开关中可控硅与磁保持继电器的配合动作时序是：CPU通过对光耦反馈的方波进行扫描，以此找出电压过零点位置，并在此时发出控制信号，该信号通过脉冲回路触发可控硅使其在电压过零点导通，可控硅导通后接通磁保持继电器，最后撤消可控硅脉冲信号使可控硅断开，磁保持继电器负责长时间稳态接通。复合开关的长时间运行，必定存在内部元件如CPU、可控硅等关键元件逐渐失效的情况。CPU或可控硅元件的失效同样可能会导致可控硅误导通，从而引起过流、过压现象的严重后果。如何保证在关键元件失效的情况下复合开关的安全性？因此，设计中必须要考虑通过软硬件结合的方式实现复合开元件失效时的动作闭锁。

6 可行的硬件和软件实施方案

（1）关键硬件控制及反馈回路的核心部分，如图2所示。

图2 复合开关关键硬件控制及反馈回路

（2）硬件控制及反馈回路的分析。

为了克服目前低压复合开关普遍存在的性能不稳定、投入电容器涌流大、动作风险高等弱点，本设计方案目的之一在于提供一种电压过零点精准检测方案，另一目的在于提供一种软件算法：在软件上采取反馈信号与CPU步进式脉冲互为配合，实现可控硅触发全过程的实时跟踪保护功能，防止可控硅不可靠导通时磁保持继电器闭合造成的炸裂风险。

为了实现精准检测电压过零点，本方案提供了一种电压过零点精确检测硬件系统。该系统硬件包括脉冲变压器，可控硅、磁保持继电器、电压互感器，电压比较器LM311，高速光耦6N137，CPU（中央处理单元），以及它们间的连接关系。

为了实现与硬件所匹配的专有算法，本方案的技术方法包括：在软件上将反馈信号与CPU步进式脉冲互为配合，实现可控硅触发过程的实时跟踪保护功能，确保磁保持继电器闭合前可控硅已可靠导通，防止可控硅不可靠导通时磁保持继电器闭合造成炸裂、损毁设备的严重后果。

软件专用算法流程图，如图3所示。

图3 软件专用算法流程图

（3）软件和硬件互为配合的过程。

输入部分。在复合开关没有投入时，磁保持继电器与可控硅均断开，220V的压降全部加在复合开关上下两端，通过互感器隔离变压器SPT204A（T2）将复合开关上下两端的电压转化为弱电信号，电压过零比较器LM311（U2）及相关电路将弱电信号转换为标准方波（方波的跳变处即是电压正弦波的过零处），标准方波经高速光耦6N137（U3）隔离输出，转变为0-5V、跳变沿<0.2us、占空比为50%的方波并传送至CPU的I/O口作为过零方波反馈输入。

反馈标准方波过零投入误差：Uo<（0.2us/1000us）*220V

=0.04V，在此误差下，即使考虑变压器的最小内阻，电压过零时投入电容器时涌流冲击不会超过额定值的5%。

输出部分。软件中首先设置好脉冲序列数和脉冲频率，并将输出口线设置为推挽结构。CPU在检测到方波上跳沿的同时，推挽结构的I/O口采用程序步进的方式发送第一个脉冲，在发送下一个脉冲前对反馈波形进行分析，判断可控硅导通情况：如果输入口线为低电平，说明当前时刻可控硅为导通状态，则继续发送下一个脉冲并进行导通判断，依此循进，直至整个过程可控硅均导通方可闭合磁保持继电器。

在整个发送脉冲与通断判断过程中，若发送某一个脉冲后CPU判断口线为高电平，说明当前时刻可控硅没有导通，则放弃后续的脉冲发送及闭合磁保持继电器的动作，有效地杜绝了可控硅不可靠导通时磁保持继电器盲目闭合造成的隐患。

7 结语

（1）本文指出了低压无功补偿系统中复合开关运行出现的常见问题，以及复合开关不可靠衍生出的严重后果。并对复合开关出现故障的原因作了详细的分析。

（2）针对复合开关自身的缺陷问题，本文提出了妥善和完整的软、硬件解决方案，包括：硬件的可靠配置，软件的专用算法，输入部分和输出部分可靠配合，解决了可控硅通断不可靠、电压过零检测不准引发的巨大涌流问题，同时也规避了可控硅导通不可靠时磁保持继电器闭合造成的烧毁设备的风险。低压复合开关设计中的安全、可靠的两大核心问题从根本上予以解决，为无功补偿装置安全、可靠地运行奠定了坚实的基础。

（本文提出的复合开关控制保护策略及其核心单元，已获国家知识产权局发明专利授权，发明专利号：ZL201110081669.4。）

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