CN101783511A - 一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路 - Google Patents

Abstract

一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，它含有两只给电容器组预充电的相控开关组成3相零点开关，两只相控开关的输入端与两相星形接法的LC的串联滤波电路连接，两只相控开关的输出端连接在一起与第三相的LC滤波电路连接，星形连接的LC滤波电路通过高压熔断器与三相电网电源连接，相位控制装置按照时序来独立控制两只相控开关在电压的峰点处通断。在每只相控开关旁边，并联连接着高压硅堆二极管与高压限流电阻的串联电路，达到对电容器组预充电的作用；同时并联连接着RC的串联吸收电路。测试波形显示：本发明的投切效果像TSC(晶闸管投切电容器组)，可以在1秒钟内无冲击投切一次，无能耗，应用普通开关作相控开关，成本低。

Description

一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路

技术领域

本发明涉及一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，用于电网电能质量治理工程中，可以实现对电容器组的快速无冲击电流投入和电流过零时切除，属于电力系统的无功补偿和谐波滤波技术领域。

背景技术

投切电容器组常规电路为：机械式触点投切开关，晶闸管投切电容器(TSC)，同步真空开关。

机械式触点投切开关，三相开关在随机不确定的电网电压点投切电容器，电流冲击大，最少数倍的额定电流，引起电网电压畸变。还存在合闸机械触点弹跳，打开触点重燃的危险概率，弹跳重燃使得电容器组过电压，损坏电容器，容易造成事故。

晶闸管投切电容器(TSC)电路可以准确投入电容器，没有电流冲击。不存在弹跳、重燃的问题。但是，中压TSC电路，晶闸管要承受大约3倍的电网有效值电压，晶闸管的耐压只有几KV，需要多只晶闸管串联，晶闸管导通存在2V左右的管压降，几百安培的电流流过晶闸管，损耗发热大，一套中压TSC电路导通时产生几个KW的热量，耗能大。这么大的热量需要由风冷、水冷、热管等来散热。TSC技术难度大，造价高。

现在工程上应用的相控开关也称为同步真空开关或者同步开关，如专利文件“同步开关”，专利号：ZL98808789.8，专利文件“相位控制开关装置”，专利号：ZL99118416.5，专利文件：“相控制开关设备”，申请号：00137229.7讲述的，也有3点不足：同步开关元件多、只是减少了闭合冲击电流、动作时间和普通机械式触点投切开关相同太慢。所述的投切电容器组的相控开关或者称为同步真空开关均有三个开关，开关元件多了；相控开关投切电容器组的工作原理，开关均在正弦波电压的过零点闭合。在电容器上没有电压时，只有这点投切电容器的效果好。在正弦波的过零点，电压变化率最大，这就要求同步开关的精度必须高。专利文件“同步开关”说明书的15/19页讲：开关的精度为过零点的±1ms时，产生的冲击水平为普通机械式触点开关的一半，相当于串联电阻投切电容器的水平，精度越高，冲击越小。由此可以看出，还是有不小的冲击；开关打开后，需要等待电容器上的充电电压降到零，才可以再闭合，等待的时间几分钟，开关的投、切动作时间为分钟级别，不能快速无冲击电流投切电容器组。

晶闸管投切电容器组和相控开关技术的出现都有近30年的历史，工程上有应用，但是应用量都不大。

在中压动态无功补偿和谐波滤波技术领域中，国内外公认的技术手段，大量采用的方案是晶闸管控制电抗器(TCR)+电容器和电抗器组成的滤波电路(FC)。但是TCR有缺点：TCR+FC完成电网补偿，需要再做一套与需要滤除的无功功率同样大小的无功功率，用晶闸管控制无功的大小。这样，用户投资大，TCR本身需要约120元/KVAR.，占地大，耗能大，公认为3％。100MVAR的TCR有3MAW的能耗，真是不少。TCR工作时产生谐波电流，靠FC滤除。TCR虽然有缺点，只是目前没有一种更好的方案或手段代替TCR。

发明内容

本发明创造了一种新型开关电路，它的定位：扭转中压动态补偿领域TCR+FC一统天下的局面；克服晶闸管投切电容器组(TSC)的价格高，耗能大的缺点；突破常规相控开关的速度慢的限制，将动作时间缩短，由打开到闭合完成一次动作，时间在1秒钟内，闭合不产生电流冲击，打开电流为零；减少传统的三相相控开关采用三个独立开关的结构，只采用两只独立的开关就完成了三相开闭动作，称为2控3；对电容器组预充电，在电压的峰点投切开关，开关精度比传统相控开关低，效果比传统相控开关好，这意味着成本低，质量高，用户好接受。节能环保，没有能耗，符合时代要求。

本发明通过以下方案实现：两只给电容器组预充电的相控开关组成3相零点开关，两只相控开关的输入端与两相星形接法的电抗器L和电容器C的串联滤波电路连接，两只相控开关的输出端连接在一起与第三相的LC滤波电路连接，星形连接的LC滤波电路通过高压熔断器与三相电网电源连接，相位控制装置按照时序来独立控制两只相控开关在电压的峰点处通断。零点开关在闭合时候，电位为零，电路工作安全；在装置发生相间短路时零点开关的短路电流小，安全。

所述的给电容器组预充电的相控开关，在每只相控开关旁边，并联连接着高压硅堆二极管与高压限流电阻的串联电路，达到对电容器组预充电的作用；同时并联连接着电容器C与电阻器R的串联吸收电路，吸收开关上快速变化的电压。

所述的给电容器组预充电的相控开关的两只高压硅堆二极管的阴极均接在开关的电源侧，或者两只高压硅堆二极管的阳极均接在开关的电源侧。

所述的相控开关通常为永磁真空接触器或者永磁真空开关，也可以是电磁式的真空接触器或者电磁式的真空开关。

所述的相位控制装置按照时序来独立控制两只相控开关在电压的峰点处通断，当电网电压以正序接线时，即电网电压的V相滞后于U相120°，W相超前于U相120°其开关K1安装在U相、开关K2安装在V相，两只高压硅堆二极管的阴极均接在开关的电源侧，接到转换开关S1投入命令工作时，在开关K2的过零点，即线电压VW的负峰值点，闭合开关K2，延时15ms，在相电压U相的负峰值点，闭合开关K1，实现无电流冲击投入工作；接到转换开关S1停止命令停止时，在相电压U相的负峰值点，电流为零点打开开关K1，然后，在线电压VW的负峰值点，电流为零点打开开关K2。得到闭合开关时无冲击电流，电流为零时打开开关的效果。

所述的相位控制装置按照时序来独立控制两只相控开关在电压的峰点处通断，当电网电压以正序接线时，两只高压硅堆二极管的阴极接到开关的电源侧的位置不变，两只相控开关可以接在3相电路的任意两相上，开关K1、开关K2接到不同的相位上，只要同步电压信号作相应的调整，控制程序不变，闭合和打开开关K1、开关K2，同样得到闭合开关时无冲击电流，电流为零时打开开关的效果。

所述的相位控制装置是由电网电压同步检测器，单片机选相控制器，永磁线圈驱动器组成。线圈电源由直流220V稳压电源供电，相位控制装置的电路与科技杂志登载的常规相控开关的控制电路相似，为本专业技术人员了解，所以不累述。下面讲述相序控制的要求，单片机选相控制器在得到转换开关S1开关投入命令后，依照电网电压同步检测器传来的电压同步信号，按照时序程序的要求给永磁线圈驱动器发出闭合的命令，永磁线圈驱动器输出驱动电流，使得开关K1、开关K2在各自的预定点闭合，开关K1、开关K2依靠永磁吸力维持闭合，线圈没有电流；单片机选相控制器在得到转换开关S1开关切除命令后，依照电网电压同步检测器传来的电压同步信号，按照时序程序的要求给永磁线圈驱动器发出打开的命令，永磁线圈驱动器输出反相驱动电流，使得开关K1、开关K2在各自的预定点打开。所采用的开关K1、开关K2如果为电磁线圈驱动，开关闭合，线圈一直供电，开关打开，线圈失电就可以了。

在串联电路的开关元件前后位置可以变化，原理是不变的，两只给电容器组预充电的相控开关组成3相开关，其输入端通过高压熔断器接在三相电网电源的两相上，其输出端与两相电抗器L和电容器C的串联滤波电路连接，另一相电抗器L和电容器C的串联滤波电路直接通过高压熔断器与三相电网电源的第三相连接；此时三相电路的电抗器L和电容器C的串联滤波电路的接线方式可以为星形，也可以为三角形。

2控3电路是运行在三相电路中，电路开关只有两只，少了一只，如上所述电路运行要求时序控制非常复杂。开关投切电容器的电路形式很多，例如电容器、电抗器串联接成三角形，开关放在三角形臂内，用三只开关投切电容器，开关的运行是单相运行方式，比2控3型简单，本发明的给电容器组预充电的相控开关同样适用于开关安装在三角形内的电路和单相开关电路。

这种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，应用给电容器组预充电技术，在电网电压的峰值点投切电容器，是没有冲击电流的理想状态，要求开关的精度不高，使用普通开关就可以达到高精度的相控开关的功能，用普通开关使得成本降低，用户可以接受。按照上述要求组装的电路投切电容器组，测试数据表明达到了预期的结果：闭合没有操作过电压和没有冲击电流，电流过零时打开开关；同时达到了近似晶闸管投切电容器组的效果，实现了快速动作，由打开到闭合在1秒钟内完成动作一次；开关打开，在十几天长期放置停止动作，再次动作时，测试电流电压的动作数值没有变化，达到了安全可靠的要求。新发明的开关可以在低压(1KV以下)，中压(1KV＜中压＜＝35KV)，高压(＞35KV)宽广的电压范围中应用，TCR没有应用在110KV的电网中，在供配电电网系统、可控串补、冶金行业、矿山、电气化铁路等多个领域应用，扭转中压动态补偿TCR+FC一统天下的预期目标已经看到了曙光。

附图说明

图1：投切电容器组的2控3零点预充电相控开关电路电路图

图2：1秒钟打开闭合一次，开关K1电流、开关K2电压工作波形图

图3：波形展开：闭合时候开关K1电流、开关K2电压工作波形图

图4：波形展开：打开时候开关K1电流、开关K2电压工作波形图

图5：1秒钟打开闭合一次，开关K2电流、开关K1电压工作波形图

图6：波形展开：闭合时候开关K2电流、开关K1电压工作波形图

图7：波形展开：打开时候开关K2电流、开关K1电压工作波形图

图8：投切星形连接电容器组的2控3预充电相控开关电路图

图9：投切三角形连接电容器组的2控3预充电相控开关电路图

图10：电容器组接成三角形，预充电相控开关安装在三角形臂内的电路图

具体实施方式

通见图1-10。

请见图1-图7：两只给电容器组预充电的相控开关K1和开关K2组成3相零点开关，开关K1旁并联连接着高压硅堆二极管D1与高压限流电阻R1的串联电路，达到对电容器组预充电的作用；同时并联连接着电容器C4与电阻器R2的串联吸收电路，吸收开关K1上快速变化的电压。开关K2旁并联连接着高压硅堆二极管D2与高压限流电阻R3的串联电路，达到对电容器组预充电的作用；同时并联连接着电容器C5与电阻器R4的串联吸收电路，吸收开关K2上快速变化的电压。开关K1的输入端与电抗器L1和电容器C1的串联滤波电路连接，L1、C1滤波电路通过高压熔断器F1与三相电网电源U相连接，开关K2的输入端与电抗器L2和电容器C2的串联滤波电路连接，L2、C2滤波电路通过高压熔断器F2与三相电网电源V相连接，开关K1、开关K2的输出端接连一起，与电抗器L3和电容器C3的串联滤波电路连接，L3、C3滤波电路通过高压熔断器F3与三相电网电源V相连接。高压硅堆二极管D1的阴极接到电容器C1，高压硅堆二极管D1的阳极接到高压电阻R1；高压硅堆二极管D2的阴极接到电容器C2，高压硅堆二极管D2的阳极接到高压电阻R2。给电容器组预充电的相控开关连接到星形接法的电容器组的零点处有很多好处：零点开关在闭合时候，电位为零，电路工作安全；在装置发生相间短路时零点开关的短路电流小，安全。

相控开关通常为永磁真空接触器或者永磁真空开关，也可以是电磁式的真空接触器或者电磁式的真空开关。

相位控制装置是由电网电压同步检测器1，单片机选相控制器2，永磁线圈驱动器5组成。线圈电源由直流220V稳压电源4供电。相位控制装置的电路与科技杂志登载的常规相控开关的控制电路相似，为本专业技术人员了解，所以不累述。下面讲述相序控制的要求，当电网电压以正序接线时，即电网电压的V相滞后于U相120°，W相超前于U相120°，单片机选相控制器2在得到转换开关S1投切命令3投入命令后，在开关K2的过零点，即线电压VW的负峰值点，闭合开关K2，延时15ms，在相电压U相的负峰值点，闭合开关K1，实现无电流冲击投入工作；接到转换开关S1投切命令3停止命令后，在相电压U相的负峰值点，电流为零点打开开关K1，然后，在线电压VW的负峰值点，电流为零点打开开关K2。

测试开关K1、开关K2的电压电流波形图如图2-图7。图2和图5横坐标为200ms，图2、图5显示的是连续1秒钟打开闭合一次的波形图，图3、图4、图6、图7的横坐标为20ms，将投切波形放大，观测开关K1、开关K2的投入和切除的电压、电流波形，可以看出开关在电网电压的峰值点，开关电压为零时闭合，无冲击电流，电流为零时打开开关，相控开关与电抗器和电容器滤波电路串联连接，电流为同一的，每个相控开关的电流没有冲击，和相控开关串联的电抗器和电容器滤波电路也没有电流冲击。投切电容器组的2控3预充电相控开关电路投切的效果和晶闸管投切电容器组相似，比常规的相控开关或者称为选相开关的要好。

一个具体实施例的主要元件选型：应用于电网电压10KV电流200A的投切电容器组的2控3零点预充电相控开关电路，相控开关K1、相控开关K2采用普通单相永磁接触器，型号CKG4-250/12-DY，高压硅堆二极管电压为60KV，电流1A，与高压硅堆二极管串联的高压限流电阻为12KV，10K欧姆，500W高压电阻，与相控开关并联连接的电容器C和电阻器R的串联电路为通常电网电源线上连接的RC吸收器。高压熔断器为电压12KV，电流300A。

所述的相位控制装置按照时序来独立控制两只相控开关在电压的峰点处通断，当电网电压以正序接线时，两只高压硅堆二极管的阴极接到开关的电源侧的位置不变，两只相控开关可以接在3相电路的任意两相上，开关K1、开关K2接到不同的相位上，只要同步电压信号作相应的调整，控制程序不变，闭合和打开开关K1、开关K2，同样得到闭合开关时无冲击电流，电流为零时打开开关的效果。

请见图8：在串联电路的开关元件前后位置可以变化，原理是不变的。两只给电容器组预充电的相控开关K1、相控开关K2组成3相开关，其输入端通过高压熔断器F1、F2接在三相电网电源的U、V两相上，其输出端与两相的电抗器L和电容器C的串联滤波电路连接，另一相电抗器L3和电容器C3的串联滤波电路直接通过高压熔断器F3与三相电网电源的W相连接；此时三相电路的电抗器L和电容器C的串联滤波电路的接线方式为星形。三相电路的电抗器L和电容器C的串联滤波电路的接线方式也可以为三角形连接，见图9。

2控3电路是运行在三相电路中，电路开关只有两只，少了一只，如上所述电路运行要求相序控制非常复杂。开关投切电容器的电路形式很多，例如电容器、电抗器串联接成三角形，开关放在三角形臂内，如图10，用三只开关投切电容器，开关的运行是单相运行方式，比2控3型简单，本发明的给电容器组预充电的相控开关同样适用如图10的开关安装在三角形内的电路和单相开关电路。

本发明的特定实施例已对本发明的内容作出了详尽的说明，对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (8)

1.一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，其特征在于：两只给电容器组预充电的相控开关组成3相零点开关，两只相控开关的输入端与两相星形接法的电抗器L和电容器C的串联滤波电路连接，两只相控开关的输出端连接在一起与第三相的LC滤波电路连接，星形连接的LC滤波电路通过高压熔断器与三相电网电源连接，相位控制装置按照时序来独立控制两只相控开关在电压的峰点处通断。

2.根据权利1所述一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，其特征在于：在每只相控开关旁边，并联连接着高压硅堆二极管与高压限流电阻的串联电路，达到对电容器组预充电的作用；同时并联连接着电容器C与电阻器R的串联吸收电路，吸收开关上快速变化的电压。

3.根据权利1所述一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，其特征在于：相控开关旁的两只高压硅堆二极管的阴极均接在开关的电源侧，或者两只高压硅堆二极管的阳极均接在开关的电源侧。

4.根据权利1所述一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，其特征在于：所述的相控开关通常为永磁真空接触器或者永磁真空开关，也可以是电磁式的真空接触器或者电磁式的真空开关。

5.根据权利1所述一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，其特征在于：所述的相位控制装置按照时序来独立控制两只相控开关在电压的峰点处通断，当电网电压以正序接线时，即电网电压的V相滞后于U相120°，W相超前于U相120°，其开关K1安装在U相、开关K2安装在V相，两只高压硅堆二极管的阴极均接在开关的电源侧，接到转换开关S1投入命令工作时，在开关K2的过零点，即线电压VW的负峰值点，闭合开关K2，延时15ms，在相电压U相的负峰值点，闭合开关K1，实现无电流冲击投入工作；接到转换开关S1停止命令停止时，在相电压U相的负峰值点，电流为零点打开开关K1，然后，在线电压VW的负峰值点，电流为零点打开开关K2。

6.根据权利1所述一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，其特征在于：所述的相位控制装置按照时序来独立控制两只相控开关在电压的峰点处通断，当电网电压以正序接线时，两只高压硅堆二极管的阴极接到开关的电源侧的位置不变，两只给电容器组预充电的相控开关可以接在3相电路的任意两相上，开关K1、开关K2接到不同的相位上，只要同步电压信号作相应的调整，控制程序不变，闭合和打开开关K1、开关K2，同样得到闭合开关时无冲击电流，电流为零时打开开关的效果。

7.根据权利1所述一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，其特征在于：在串联电路的开关元件前后位置可以变化，原理是不变的，两只给电容器组预充电的相控开关组成3相开关，其输入端通过高压熔断器接在三相电网电源的两相上，其输出端与两相电抗器L和电容器C的串联滤波电路连接，另一相电抗器L和电容器C的串联滤波电路直接通过高压熔断器与三相电网电源的第三相连接；此时三相电路的电抗器L和电容器C的串联滤波电路的接线方式可以为星形，也可以为三角形。

8.根据权利1所述一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路，其特征在于：2控3电路是运行在三相电路中，开关只有两只，少了一只，如上所述电路运行要求时序控制非常复杂。开关投切电容器的电路形式很多，例如电容器、电抗器串联接成三角形，开关放在三角形臂内，用三只开关投切电容器，开关的运行是单相运行方式，比2控3型简单，本发明的电容器组预充电的相控开关同样适用于开关安装在三角形内的电路和单相开关电路。

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