怎麽選擇電(diàn)容投切器件

發布時間:

2019-08-15

　　怎麽選擇電(diàn)容投切器件

　　湖(hú)南森能(néng)電(diàn)力科(kē)技(jì )有(yǒu)限公(gōng)司 周景

　　1概述

　　電(diàn)容投切器件，也叫電(diàn)容器投切開關，是專用(yòng)于無功補償裝(zhuāng)置中(zhōng)電(diàn)容器投切的器件，主要器件有(yǒu)交流接觸器、晶閘管開關、複合開關和選相開關(同步開關)等。

　　2.關于無功補償裝(zhuāng)置和電(diàn)容器投切器件

　　無功補償裝(zhuāng)置：是指通過提高電(diàn)網功率因數實現提高電(diàn)能(néng)利用(yòng)效率、降低電(diàn)網損耗、提升供電(diàn)質(zhì)量等功能(néng)的設備。電(diàn)容器投切開關：是指無功補償裝(zhuāng)置中(zhōng)，用(yòng)于投切電(diàn)容器的開關設備。

　　衆所周知，通過改變并聯電(diàn)容器的容量來改變無功功率，是當前無功補償最基本和被普遍采用(yòng)的經濟有(yǒu)效的方法，無功補償裝(zhuāng)置中(zhōng)最主要的元件就是電(diàn)容器和電(diàn)容器投切開關，而電(diàn)容器投切器件的性能(néng)直接影響到電(diàn)容器的使用(yòng)壽命及補償效果，所以其性能(néng)至關重要。

　　3.電(diàn)容投切器件發展曆史

　　電(diàn)容投切器件由簡單粗犷到理(lǐ)性精(jīng)細經曆了4個發展階段：

　　(一)交流接觸器：最先應用(yòng)于低壓電(diàn)容器投切的開關是交流接觸器，這是一種傳統的電(diàn)容器投切方式，由于三相交流電(diàn)的相位互成120°，對交流接觸器投切控制，理(lǐ)論上不存在最佳操作(zuò)相位點(即投切瞬時不可(kě)選擇性)，使得它投入或切除電(diàn)網時，要産(chǎn)生一個暫态的過渡過程，又(yòu)因電(diàn)容器是電(diàn)壓不能(néng)瞬變的器件，并聯電(diàn)容器由交流接觸器投切電(diàn)網時，由于其相位點是随機的，所以會産(chǎn)生幅值很(hěn)大、頻率很(hěn)高的浪湧電(diàn)流(湧流最大時可(kě)能(néng)超過100倍電(diàn)容器額定電(diàn)流)。湧流不僅會對電(diàn)網産(chǎn)生不利的幹擾，對交流接觸器易産(chǎn)生電(diàn)弧、易燒損觸頭，而且湧流、過電(diàn)壓會加速電(diàn)容器的失效，減少電(diàn)容器的使用(yòng)壽命，甚至爆炸，所以采用(yòng)交流接觸器的投切方式諧波污染大、維護成本高、不适于頻繁操作(zuò)。為(wèi)了改善這些缺陷，出現了所謂投切電(diàn)容器專用(yòng)接觸器，就是在接觸器的主觸頭處并以帶電(diàn)阻的輔助觸頭，在合閘時先合上輔助觸頭，然後再合上主觸頭，以此減低浪湧電(diàn)流;而分(fēn)閘時時序恰好相反，先分(fēn)主觸頭，而後再分(fēn)輔助觸頭，以此減輕電(diàn)弧對觸頭的燒損。但這一措施僅僅是一種改良而已，并未在根本上解決問題，湧流、過電(diàn)壓和諧波污染仍然存在，對電(diàn)容器和裝(zhuāng)置的壽命仍有(yǒu)很(hěn)大的影響，所以其在低壓電(diàn)容器投切領域的應用(yòng)将越來越少。但由于其投資低、控制簡單，所以至今在不少技(jì )術要求低的地方仍在應用(yòng)，但可(kě)以預見，随着電(diàn)容器投切開關的發展，将逐步被淘汰。

　　(二)晶閘管開關：随着電(diàn)力電(diàn)子器件應用(yòng)的發展和普及，後來人們研發出由可(kě)控矽為(wèi)核心的晶閘管開關(固态繼電(diàn)器)。其原理(lǐ)為(wèi)通過電(diàn)壓、電(diàn)流過零檢測控制，保證在電(diàn)壓零區(qū)附近投入電(diàn)容器組，從而避免了合閘湧流的産(chǎn)生，而切斷又(yòu)在電(diàn)流過零時完成，避免了暫态過電(diàn)壓的出現，這就從功能(néng)上符合了電(diàn)容器的過零投切的要求，另外由于可(kě)控矽的觸發次數沒有(yǒu)限制，可(kě)以實現準動态補償(響應時間在毫秒(miǎo)級)，因此适用(yòng)于電(diàn)容器的頻繁投切，非常适用(yòng)于頻繁變化的負荷情況，相對于交流接觸器有(yǒu)了質(zhì)的飛躍。然而固态繼電(diàn)器在應用(yòng)上有(yǒu)緻命的弱點：就是在通電(diàn)運行時可(kě)控矽導通電(diàn)壓降約為(wèi)1V左右，損耗很(hěn)大(以額定容量100Kvar的補償裝(zhuāng)置為(wèi)例，每相額定電(diàn)流約為(wèi)145A，則可(kě)控矽額定導通損耗為(wèi)145×1×3=435W)，由于有(yǒu)大的功耗所以需要散熱以避免PN 結的熱擊穿，為(wèi)了降溫就需要使用(yòng)面積很(hěn)大的散熱器，甚至需要風扇進行強迫通風，另外可(kě)控矽對電(diàn)壓變化率(dv/dt)非常敏感，遇到操作(zuò)過電(diàn)壓及雷擊等電(diàn)壓突變的情況很(hěn)容易誤導通而被湧流損壞，即使安(ān)裝(zhuāng)避雷器也無濟于事，因為(wèi)避雷器隻能(néng)限制電(diàn)壓的峰值，并不能(néng)降低電(diàn)壓變化率。可(kě)控矽開關的缺點是結構複雜、體(tǐ)積大、損耗大、成本高、可(kě)靠性差，優點是能(néng)實現過零投切、動作(zuò)迅速、反應快，多(duō)用(yòng)于動态補償的場合，而不适用(yòng)于常規低壓電(diàn)容器投切的無功補償裝(zhuāng)置中(zhōng)。

　　(三)複合開關：當仔細分(fēn)析研究了交流接觸器和可(kě)控矽開關的各自優缺點之後發現，如果把二者巧妙地結合來，優勢互補，發揮接觸器運行功耗小(xiǎo)和可(kě)控矽開關過零投切的優點，便是一個較為(wèi)理(lǐ)想的投切元件，這就是開發複合開關的基本思路，這種投切開關同時具(jù)備了交流接觸器和電(diàn)力電(diàn)子投切開關二者的優點，不但抑制了湧流、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扇。要把二者結合起來的關鍵是相互之間的時序配合必須默契，可(kě)控矽開關負責控制電(diàn)容器的投入和切除，交流接觸器負責保持電(diàn)容器投入後的接通，當接觸器投入後可(kě)控矽開關就立即退出運行，這樣就避免了可(kě)控矽元件的發熱。這種看似很(hěn)理(lǐ)想的複合開關自從2002 年開始，由原來全國(guó)僅數家企業研發生産(chǎn)，至今已擴展到數十家企業，雖外型結構或電(diàn)路有(yǒu)所不同，但内在原理(lǐ)基本相同：用(yòng)小(xiǎo)形三端封裝(zhuāng)的可(kě)控矽作(zuò)為(wèi)電(diàn)容器的投入和切除單元，用(yòng)大功率永磁式磁保持繼電(diàn)器代替交流接觸器負責保持電(diàn)容器投入後的接通，其過零檢測元件是一粒電(diàn)壓過零型光耦雙向可(kě)控矽。從原理(lǐ)上看是理(lǐ)想的投切元件，但實際上并非如此，它存在下面一些缺陷：

　　(1)小(xiǎo)形三端(TOP)封裝(zhuāng)可(kě)控矽由于結構性的原因，目前這類型式的可(kě)控矽其短時通流容量不能(néng)做得很(hěn)低(低于60A )，反向耐壓一般也隻能(néng)達到1600V 左右，這就限制了它的應用(yòng)範圍。由仿真和計算證明在38OV 的系統電(diàn)壓下，電(diàn)容器理(lǐ)想開斷時的穩态過電(diàn)壓就可(kě)能(néng)達到1600V ，當系統電(diàn)壓高于380V (這是常有(yǒu)的情況)或非理(lǐ)想開斷時的暫态過電(diàn)壓就可(kě)能(néng)遠(yuǎn)大于可(kě)控矽的反向耐壓位1600V，衆所周知可(kě)控矽是一種對熱和電(diàn)沖擊很(hěn)敏感的半導體(tǐ)元件，一旦出現沖擊電(diàn)流或電(diàn)壓超過其容許值時，就會立即使其永久性的損壞。實際運行情況已經表明了複合開關的故障率相當高。

　　(2)由于采用(yòng)了可(kě)控矽等電(diàn)子元器件其結構複雜成本上升，與交流接觸器在價格上難以相比。

　　(3)複合開關的過零是由電(diàn)壓過零型光耦檢測控制的，從微觀上看它并不是真正意義上的過零投切，而是在觸發電(diàn)壓低于16V～40V 時(相當于2～5電(diàn)度)導通，因而仍有(yǒu)一點湧流。

　　(4)複合開關技(jì )術既使用(yòng)可(kě)控矽又(yòu)使用(yòng)繼電(diàn)器，于是結構就變得相當複雜，并且由于可(kě)控矽對dv/dt的敏感性也比較容易損壞。

　　由上述分(fēn)析比較可(kě)見，各種電(diàn)容器投切開關并非十分(fēn)完美，有(yǒu)必要進一步研究開發出一種更為(wèi)理(lǐ)想的電(diàn)容器過零投切開關。

　　(四)選相開關(又(yòu)稱同步開關)：是近年來最新(xīn)發展起來的高性能(néng)投切開關，不僅可(kě)擔當無功補償裝(zhuāng)置中(zhōng)的電(diàn)容器投切開關(如LXK系列智能(néng)選相開關)，還可(kě)擔當任何需要同步操作(zuò)負荷設備的投切開關(如高壓同步開關，或高壓選相開關)，是傳統的機械開關與現代微電(diàn)子技(jì )術結合的産(chǎn)物(wù)。它吸收了交流接觸器控制結構簡單，複合開關零電(diàn)壓投入、零電(diàn)流切除等優點，成功地将投入、切除時瞬間湧流控制在3倍額定運行電(diàn)流以内，徹底解決了在電(diàn)容器投切過程中(zhōng)出現的高電(diàn)壓諧波和大湧流等問題;選相開關以單片機為(wèi)核心，輔以高精(jīng)度的采樣回路和合理(lǐ)的程序設計來替換複合開關中(zhōng)最易損壞的可(kě)控矽元件，不僅避免了可(kě)控矽組件所容易出現的故障，還将選相精(jīng)度從原來複合開關的2～5電(diàn)度角提高到1～3電(diàn)度角，真正意義的做到了無湧流，實現了理(lǐ)想的過零投切;為(wèi)了更進一步抑制電(diàn)容器投切開關開斷時的暫态過電(diàn)壓，選相開關增設了有(yǒu)效的放電(diàn)回路，将過電(diàn)壓限定在安(ān)全區(qū)内，使其能(néng)安(ān)全可(kě)靠的适用(yòng)于頻繁投切;由于選相開關應用(yòng)了單片機技(jì )術，不僅能(néng)通過RS485通訊控制方式對多(duō)至64路電(diàn)容器進行控制，還具(jù)備通訊功能(néng)，可(kě)将基層單位的電(diàn)測量信息實時發送到上級電(diàn)網，為(wèi)發展智能(néng)化電(diàn)網作(zuò)好準備;選相開關可(kě)以實現共補和分(fēn)補，以适應用(yòng)戶的不同需求;由于選相開關的驅動功耗僅有(yǒu)1-3W，最大限度的做到了節約能(néng)源;選相開關不僅廣泛适用(yòng)于低壓無功補償裝(zhuāng)置，或在特殊場合下作(zuò)為(wèi)開關元件使用(yòng)，還特别适用(yòng)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)的惡劣環境溫度下長(cháng)期運行。綜上所述，選相開關不僅大大提高了電(diàn)容器投切開關的安(ān)全可(kě)靠性，還很(hěn)節能(néng)環保，經濟耐用(yòng)，是交流接觸器及複合開關理(lǐ)想的換代産(chǎn)品，專家普遍認為(wèi)：選相開關必将替代複合開關和交流接觸器成為(wèi)無功補償電(diàn)容器投切開關的主流。

　　主要電(diàn)容投切器件對比

開關類型對比項目

交流接觸器

複合開關

選相開關

系統運行成本

有(yǒu)電(diàn)弧，較高的浪湧電(diàn)流及開關過電(diàn)壓，補償電(diàn)容易擊穿，需經常檢修更換，長(cháng)期運行成本高。

單觸點磁保持結構，機械及電(diàn)壽命短，可(kě)控矽容易損壞，不易檢查觸點燒壞情況，長(cháng)期運行成本較高。

無電(diàn)弧，補償電(diàn)容使用(yòng)壽命長(cháng)，單觸點磁保持結構，無可(kě)控矽半導體(tǐ)元件，故障率低，長(cháng)期運行成本極低。

安(ān)全穩定性

在控制電(diàn)壓較低或較高時易燒線(xiàn)圈，可(kě)導緻電(diàn)容器擊穿，總閘跳閘，安(ān)全穩定性差。

可(kě)控矽電(diàn)壓變化率敏感，對過電(diàn)流的承受能(néng)力不強，存在擊穿隐患，安(ān)全穩定性仍較弱

采用(yòng)微處理(lǐ)器驅動磁保持繼電(diàn)器控制觸點，拒絕使用(yòng)可(kě)控矽，杜絕了因可(kě)控矽被擊穿的帶來的隐患，大大提高了安(ān)全穩定性。

産(chǎn)品成本

低

較高

适中(zhōng)

湧流

不檢測電(diàn)壓是否過零，湧流達20倍以上

電(diàn)壓過零觸發無湧流

電(diàn)壓過零接通無湧流

電(diàn)弧

不檢測電(diàn)流是否過零，電(diàn)弧強

電(diàn)流過零切除無電(diàn)弧

電(diàn)流過零切除無電(diàn)弧

過載能(néng)力

差

較強

強

控制系統

簡單

複雜

簡單

保持工(gōng)作(zuò)噪音

大

小(xiǎo)

小(xiǎo)

電(diàn)源污染

啓動和分(fēn)斷瞬間有(yǒu)諧波污染

無

無

驅動功耗

10W—100W

3-10W

1-3W

可(kě)靠性

隻起開關作(zuò)用(yòng)，無保護功能(néng)。

有(yǒu)缺相保護、開關不到位保護等

具(jù)有(yǒu)自診斷故障保護、電(diàn)源電(diàn)壓缺相保護、停電(diàn)保護等功能(néng)。

補償電(diàn)容壽命

短

較長(cháng)

長(cháng)

使用(yòng)壽命

額定觸點壽命短，約一萬次到幾萬次。

觸點壽命及機械壽命約幾十萬次，可(kě)控矽工(gōng)作(zuò)時間較長(cháng)，所需承受電(diàn)壓高，易損壞。

觸點壽命及機械壽命可(kě)達百萬次，使用(yòng)壽命長(cháng)

抗諧波能(néng)力

弱

弱

非常強

抗幹擾能(néng)力

弱

弱

強

操作(zuò)頻率

每小(xiǎo)時百次到千次

每小(xiǎo)時幾十到百次

每小(xiǎo)時百次到千次

應用(yòng)電(diàn)壓等級

400V

400V

400V時可(kě)使用(yòng)繼電(diàn)器高壓時可(kě)使用(yòng)斷路器

驅動形式

交流線(xiàn)圈驅動

可(kě)控矽驅動直流線(xiàn)圈磁保持繼電(diàn)器

微處理(lǐ)器驅動直流線(xiàn)圈磁保持繼電(diàn)器

觸點結構

橋式結構機械式

繼電(diàn)器單觸點結構機械半導體(tǐ)并聯式

繼電(diàn)器單觸點結構機械式

可(kě)控矽受壓

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線(xiàn)電(diàn)壓

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