浅谈低压智能复合开关的发展现状

黎伟烧

（国家智能电网输配电设备质量监督检验中心）

浅谈低压智能复合开关的发展现状

黎伟烧

（国家智能电网输配电设备质量监督检验中心）

本文通过分析各种投切开关优缺点得出低压智能复合开关在无功补偿方面的优越性，并介绍了复合开关的主要工作原理，指出实际发展过程中遇到的瓶颈，针对安全性和稳定性方面提出改进措施并对其日后的发展趋势作了展望。

智能复合开关；无功补偿；发展现状；展望

0 引言

在低压配电系统中，由于变压器、用电设备等无功功率的大量存在，大大降低了电网的电能质量，影响整个电网系统运行的稳定性和经济性，因此，无功功率补偿投切装置的研发与应用迫在眉睫。

无功补偿投切装置的发展大致可以分为以下几个阶段：

1）接触器，最早应用于低压无功补偿投切电容器，也是最传统的电容器投切方式。由于投切相位点随机往往造成不在电压过零时投入和电流过零时切除，所以会造成很大的浪涌电流（最大时可能超过100倍电容器额定电流）。对电网而言，浪涌电流对其正常运行产生干扰；对接触器而言，产生危险电弧同时，也极易烧损接触器的触头；对电容器而言，严重影响其使用寿命。由于其投资低、控制简单、工作可靠、导通时功耗低，所以至今在不少技术要求低的场合仍在应用但可以预见，随着电容器无功补偿投切开关的发展，将逐步被淘汰。

2）晶闸管开关，是以晶闸管为核心的电容器投切开关。随着电力电子器件的发展与普及，晶闸管被逐渐应用于电容器的投切。晶闸管在电压过零附近投入电容器，从而大大降低了合闸涌流，甚至是无涌流出现；在电流过零附近切除电容器，从而有效避免了瞬态的过电压；晶闸管对触发次数没有限制，所以能够满足多次数投切的要求；另外晶闸管响应时间极短（通常在ms级），使得其多用于动态无功补偿。但是晶闸管存在功耗多、发热大、成本高、可靠性差等特点，严重影响到它在无功补偿方面的发展。

3）智能复合开关是将以上两者结合起来投切电容器。复合开关巧妙地对接触器和晶闸管开关取长补短，使得它同时具备了两者的优点，既能抑制涌流，还能避免拉弧，而且功耗低，同时使用寿命较高，是一种比较理想的电容器投切装置，将在无功补偿方面起到很好的作用。

1 工作原理

智能复合开关就是将晶闸管与磁保持继电器并联形成的一个整体开关结构，是新型电子技术与传统电力开关的有机结合，如图1所示。

图1 智能复合开关构造图

当要接通电容时，晶闸管先接通，通过精确的电压控制和过零检测技术（见图2），实现在电压过零时投入电容器组，避免了接通过程中的高涌流。由于磁保持继电器与晶闸管是并联关系，故其在零电压下导通，避免在触头上产生火花，延长了继电器的使用寿命继而将晶闸管断开，让继电器一直保持低功耗运行，完成接通操作。

图2 典型过零检测电路

当要切断电容时，晶闸管接通并将磁保持继电器短路，这样继电器就相当于在零电压下分断，避免了分断电弧的产生，极大延长了继电器的使用寿命。在继电器断开后，晶闸管应用过零检测技术在电流过零时切断电容，实现无电弧、低涌流地分断主电路。

2 发展现状

低压智能复合开关具有无涌流、低功耗、高寿命等明显优势，现广泛应用于低压无功补偿领域。低压电网处于电网的末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失。低压补偿对用户及供电部门都有利。无功补偿通常有三种补偿方式：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。

目前，复合开关主要用在低压无功补偿电容柜、箱式变压器内或其他适当位置投切电容器组，是一种智能化的环保节能型控制执行部件。利用复合开关按照补偿分类有共补开关和分补开关两种。共补开关用于投切三相电容器（见图3），即角型接法的电容器；分补开关用于投切单相电容器（见图4），即分别接三个单相电容器的一端（另一端需要接N线）。在实际应用中，通过控制器精确控制投切，可使功率因数保持在0.96～0.99之间。使用复合开关不仅提高了可靠性，还提高了电能的质量。

图3 共补接线图

图4 分补接线图

从2002 年开始，由原来全国仅数家企业研发生产，至今已扩展到上百家企业，虽外型结构或电路有所不同，但内在原理基本相同：用小形三端封装的晶闸管作为电容器的投入和切除单元，用大功率永磁式磁保持继电器代替交流接触器负责保持电容器投入后的接通，其过零检测元件是一个电压过零型光耦双向晶闸管。在使用过程中也陆续发现一些缺陷：

1）小形三端（TOP）封装晶闸管由于结构性的原因，目前这类型的晶闸管其短时通流容量不能做得很低（低于60A ），反向耐压一般也只能达到1600V 左右，这就限制了它的应用范围。由仿真和计算证明在380V 的系统电压下，电容器理想开断时的稳态过电压就可能达到1600V ，当系统电压高于380V （这是常有的情况）或非理想开断时的暂态过电压就可能远大于晶闸管的反向耐压1600V，众所周知晶闸管是一种对热和电冲击很敏感的半导体元件，一旦出现冲击电流或电压超过其容许值时，就会立即使其永久性的损坏。实际运行情况已经表明了复合开关的故障率相当高。

2）由于采用了继电器与晶闸管等较多元器件，且其结构相对复杂使器件和技术成本上升，与交流接触器在价格上难以相比。

3）复合开关的过零是由电压过零型光耦检测控制的，从微观上看它并不是真正意义上的过零投切，而是在触发电压低于16～40V 时（相当于2～5电度）导通，因而仍有一点涌流。

4）复合开关技术既使用晶闸管又使用继电器，于是结构就变得相当复杂，并且晶闸管对dv/dt的非常敏感，这也使得复合开关工作稳定性差，在谐波稍大的情况下也比较容易损坏。

总的来说，复合开关在使用过程中还是存在一些瑕疵，仍达不到稳定、可靠、经济的效果，需要在以上缺点中逐步改进，使其完善用于无功补偿投切中。

3 发展趋势展望

复合开关在电能质量的提高中起到非常重要的作用，为了让复合开关在后续得到更好的应用，就必须将发展现状中提出的几个问题加以改进：

1）提高晶闸管的耐压值。为了减少复合开关保用过程中被击穿的损坏率，在晶闸管的选型上要更加注意，尽量选择耐压值高点的晶闸管（如1.8kV甚至更高）。

2）降低成本。由于电路中出现的最大电流是电容器短时的电流，电流虽然大，但是时间短（一般只有50～60ms），所以选择晶闸管不能依此，成本太高了。

3）合理补偿。低压补偿电容柜内装有三相共补电容器与单相分补电容器，在电容投切时，是共补的先投入运行，分补的后投入运行。因为负荷分配时尽量做到三相负荷平衡，对变压器来说，不会只用某一相的负荷，三相都有负荷的占大多数，各相之间的差异占少数，所以大部分应该是共补，有一小部分是分补，这样更合理，也更加实惠。

4）共补和分补要使用不同的复合开关。分补用的单相电容器和单相电抗器，共补用的三相电容器和三相电抗器，投切开关是不一样，不管是交流接触器还是复合开关，都要分开。

5）加装滤波电抗器。电网中的电压总谐波畸变率THDu大于5%时，需要根据谐波含量值加装合适的滤波电抗器，以减小谐波畸变率，减小dv/dt，保证晶闸管稳定运行。

4 结束语

低压智能复合开关作为新一代的无功补偿投切开关装置，具有工作时功耗低，无涌流，寿命高等特点，可以很好地替代接触器和晶闸管开关，而且使用复合开关可以增加投切电容器组数，提高功率因数和电网质量方面效果明显，可见目前来说用于低压无功补偿领域是比较理想的。在越来越受到业界的广泛关注与不懈的努力下，相信复合开关可以在未来得到更好的改进与利用。

2016-12-15）