CN102611123B - 基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置：电容器组由连接成三角形电路形式的电抗器和电容器组成，三极同步开关K1的三个主触点安装在三角形电路内，与电容器组串联连接，其中一个主触点的输入端和输出端之间并联连接着预充电电路1，另一主触点的输入端和输出端之间并联连接着预充电电路2，电网线电压通过预充电电路1和预充电电路2给电容器组预充电，相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，同时接通、同时关断三极同步开关K1的三个主触点，以投切电容器组，CT检测三角形内电流总和，作为不平衡保护，实验波形显示本发明的投切电气效果优良，装置绿色节能，结构简单、经济适用、便于工程大量应用。

Description

基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置

技术领域

本发明涉及电力系统的无功补偿、谐波滤波和电网电能质量治理领域，具体地涉及一种基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置。

背景技术

电网需要无功补偿来达到稳定电网电压，提高功率因数，减低线路损耗的目的。投切电容器组是实现无功补偿的主要方法，然而，投切电容器组的技术现状不容乐观。

在无功补偿领域，约有80％使用机械式触点开关投切电容器，机械式触点开关是三极开关，三极开关的三个主触点同时闭合、打开，在随机不确定的电网电压相位角投切电容器，投入时的电流超过正常额定电流的4倍到10、20倍，引起电网电压畸变。此外，还存在合闸机械触点弹跳，打开触点重燃的危险概率，弹跳和重燃使得电容器组过电压，损坏电容器，容易造成事故。而用机械式触点开关投切电容器仍有大量市场占有率的原因是其电路简单，成本低。

后来人们发现在电网电压的过零点闭合开关，在电流过零点打开开关来投切电容器会明显降低冲击电流，这就是所称的同步开关技术。由于电容器组是容性负载，在电流为零打开时，电网电压为峰值，峰值电压会保存在电容器上，在再次闭合开关投入电容器组时，首先需要将电容器上储存的电荷放电到零，工程上普遍采用放电线圈。专利文件：“同步开关”，授权号：CN 101510689采用附加的电阻放电电路。打开电容器时，电容器上存储的能量为0.5*C*U²，线圈放电和电阻放电都是在耗能，能量白白的消耗是很可惜的，与绿色环保节能降耗的时代呼声背离。由于放电需要时间，所以投切电容器组的开关由闭合、打开到再次闭合的动作时间长，通常为分钟级。利用现有的同步开关技术背靠背投切电容器组时，电容器涌流大。

同步开关就是为了克服三极机械式触点开关同时闭合和打开电容器组存在的缺点而研制的。可以检索到的有关同步开关的专利文件，例如专利文件“同步开关”，专利号：ZL98808789.8；专利文件：“相控制开关设备”，申请号：00137229.7；专利文件：“同步开关”，授权公告号：CN 101510689；专利文件：“一种用于控制三相电力电容器投切的同步开关”，申请号：201010591708.0等，都讲到同步开关是用两台或者三台单极同步开关实现的。电能质量治理的国际著名公司包括ABB、西门子、GE、施耐德、阿尔斯通和国内各个公司在工程中应用的同步开关大多是由三台单极同步开关构成的。三台单极同步开关比单台三极同步开关结构复杂，驱动电路多，而且每台单极开关都需要独立的开关线圈和驱动电路，驱动时序复杂。

复合开关是由精确触发动作的晶闸管开关和没有精度要求的三极机械开关组成，有并联型复合开关和串联型复合开关。专利文件：“一种电子式零投切接触器”，申请号：01113435.6公开了一种并联型复合开关，复合开关由于要用到晶闸管，所以比单纯采用机械开关所用元件数量多，控制时序相比单纯采用机械开关要复杂，工程应用上并联复合开关往往会遇到机械开关打开，转入晶闸管投入运行时，晶闸管承受的di/dt过大，造成损坏的技术难题。

专利文件：“一种投切电容器组的串联型复合开关电路”，授权公告号：CN 1845456B公开了一种串联型复合开关，采用一个高压硅堆二极管与一个高压限流电阻串联后，并联一个机械开关，作为慢速低精度高耐压开关，采用一个晶闸管、一个二极管和一个机械开关并联作为快速高精度低耐压开关。串联型复合开关电路应用在三相电路中结构和控制逻辑过于复杂，机械开关闭合时，晶闸管开关存在dv/dt过大，容易损坏的技术难题。同时，该专利还提出了机械开关的一种预充电电路。

专利文件“一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路”，授权公开号：CN201378738Y，相对于专利文件“一种投切电容器组的串联型复合开关电路”中公开的串联型复合开关，去掉了一个晶闸管、一个二极管和一个机械开关并联的快速高精度低耐压开关，简化了电路。该专利文件采用两个独立的单极预充电同步开关，控制时序复杂。同步开关旁的两个高压硅堆二极管的阴极或阳极均接在开关的电源侧。为克服开关触点的弹跳现象，开关两端增加了RC吸收电路。该专利虽然提出了应用预充电同步开关快速无冲击电流投切电容器，背靠背投切电容器组没有明显涌流的技术方案，但是，是采用多台单极同步开关实现的。

晶闸管投切电容器(TSC)电路可以在20ms内准确、快速投入电容器，且没有电流冲击，不存在弹跳、重燃的问题。但是，中压TSC电路需要多个晶闸管串联，晶闸管导通存在2V左右的管压降，一套中压TSC电路导通时晶闸管消耗几个千瓦的热量。这么大的热量需要由风冷、水冷、热管等设备来散热。由于TSC技术难度大，能耗大、造价高，故只应用在低压领域，中压领域应用的不多。

专利申请文件“基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置”，申请号：201210066279.4，提出了采用一台三极同时闭合、同时打开的同步开关，通过应用预充电技术和同步技术，在预定的电网相电压的相位角投切该三极同步开关来实现无功补偿的技术方案。在该专利申请中，三极开关的主触点分别和电网相电压U、V、W相连接，工作在电网的相电压，通过的电流为相电流。然而，这种电路拓扑的三相电路的零电位易发生漂移，电容器组的各相电容器停止的直流电位不同，不正常时可能会很高，如同倍压整流的现象，这些都会影响三极同步开关的主触点的电位，不利于系统的安全运行。而且，当电容器组出现不平衡状态时，同步开关三个主触点的电流总和根据基尔霍夫电流定律仍然等于零，不容易观察到电容器组的不平衡情况。

发明内容

本发明的目的是，在上述的投切电容器的各个技术方案的基础上，综合吸收其中的优势，克服其中的劣势，提出了一种动作快速、投切无涌流、极少或者没有重燃现象，绿色节能的智能型无功补偿装置，其能适用于低压、中压、高压的各个电流等级，尤其适合于低压场合，且结构简单、经济适用、便于工程大量应用，工程实践也证明了结构越简单越安全可靠，故障率越少。

本发明提出了一种同样是基于单台三极同步开关但电路拓扑结构与专利文件“基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置”(申请号：201210066279.4)完全不同的智能型无功补偿装置。基于此电路拓扑结构，本发明进一步提出了一种具有不平衡保护的智能型无功补偿装置，它通过三相电流之和判断电流是否平衡藉此为电容器组提供不平衡保护。这种保护策略与星形连接的电容器组常规的电压开口三角形和双星型电流或电压不平衡保护策略不同，是一种简单、有效的保护方法。

相比现有技术中使用多台单极同步开关来分别投切电容器组的技术方案，本发明仅需要一台三极同时闭合、同时打开的同步开关，通过应用预充电技术和同步技术，在预定的电网线电压的相位角投切该三极同步开关来实现无功补偿。其中，所采用的三极同步开关为工程上大量使用的三极同时闭合、同时打开的机械开关。

本发明通过以下方案实现：

在基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置中，电容器组由连接成三角形电路形式的电抗器和电容器组成，三极同步开关(K1)的三个主触点安装在三角形电路内，与电容器组串联连接，其中一个主触点的输入端和输出端之间并联连接着预充电电路(1)，另一主触点的输入端和输出端之间并联连接着预充电电路(2)，电网线电压通过所述预充电电路(1)和所述预充电电路(2)给所述电容器组预充电，相位控制装置按照预定的电网线电压的相位角，在三极同步开关(K1)主触点上的电压等于零或者电压和电压变化率同时接近零点处，同时接通、同时关断三极同步开关(K1)的三个主触点，以投切电容器组。

优选地，所述无功补偿装置还包括电流互感器，其一次侧与所述电容器组连接，其二次侧与所述相位控制装置连接，该电流互感器用于检测所述三角形电路内三相电流的总和，所述相位控制装置根据该电流的总和，为所述电容器组提供不平衡保护。

预充电电路(1)由串联连接的二极管(D1)和电阻器(R1)组成，二极管(D1)的阴极连接到电网电压中的一相，二极管(D1)的阳极连接到电容器组；所述预充电电路(2)由串联连接的二极管(D2)与电阻器(R2)组成，二极管(D2)的阳极连接到电网电压的另一相，二极管(D2)的阴极连接到电容器组。

所述预定的电网电压的相位角选择为：在并联连接着所述预充电电路(1)和预充电电路(2)的主触点上的电压和电压变化率同时接近零点处，在另一没有并联预充电电路的主触点所对应的电网线电压的电压值过零点且该主触点上的电压值等于零时，同时接通、同时关断三极同步开关(K1)的三个主触点。1到6秒钟后，再次接到投切命令S1闭合指令时，按照上述预定的电网电压的相位角，三极同步开关K1闭合，电容器组重新运行工作。

三极同步开关K1为永磁接触器、永磁断路器、电磁式接触器和电磁式断路器中的一种。

本发明的有益技术效果：

经过实验，本发明的装置在投切电容器组时，开关由闭合、打开到再次闭合的动作时间为1～6秒钟，相比背景技术中提到的同步开关的分钟级的投切时间，大大降低。而且，可快速、无涌流投切电容器组，极少出现或者基本不会出现重燃现象，能够获得优异的电气投切效果，具有极佳的电气性能。本发明的补偿装置采用同步开关，开关闭合没有能耗，装置内不需要设置放电线圈或者放电电阻，是绿色节能的。三极机械开关广泛应用在低压(1KV以下)，中压(1KV～35KV)，高压(＞35KV)场合的各个电流等级，因此，本发明的智能型无功补偿装置由于使用此类可同步控制的三极机械开关，也能够适合于各种电压等级和各个电流等级应用，不过本发明的装置尤其适合低压场合应用。此外，与现有技术中采用同步开关、复合开关、晶闸管开关等投切电容器组的其他技术方案相比，本发明的方案采用的元器件数量明显减少，因此简化了电路结构，节省了安装空间，经济适用，用户容易接受，便于工程大量应用，工程实践也证明了结构越简单越安全可靠，故障率越少。

在本发明中，电容器组中每相电容器由固定的线电压供电，三极同步开关的三个主触点分别工作在电网线电压UV、VW、WU的单相电路中，单相电路工作状态比三相电路更简单，稳定，可靠。由于本发明的三极同步开关设置在三角形内，相比设置在三角形外的方案，角内的电流比角外减少了倍，因此在低压电路中运行成本更低，更经济，尤其适用于低压应用。而且，本发明的同步开关的三个主触点运行在UV、VW、WU的线电压的单相电路中，在电容器组出现不平衡状态时，同步开关三个主触点的电流总和出现不平衡，因此非常容易观察到电容器组的不平衡损坏情况，这对于补偿装置的保护是非常有用、有效的，同时又是有别于常规电容器组的电压开口三角形保护和双星型电压或者电流不平衡保护，不失为一种简单有效的不平衡保护方法。

附图说明

图1：根据本发明的基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置的示例性实施例的电路图；

图2：图1所示电容器C1的电压和电流工作波形图；

图3：图1所示电容器C2的电压和电流工作波形图；

图4：图1所示电容器C3的电压和电流工作波形图；

图中：1、预充电电路2、预充电电路3、电网电压同步检测器4、相位控制器5、K1线圈驱动器6、不平衡保护器。

具体实施方式

图1描述了根据本发明的基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置的一个实施例，其中，由电抗器L1、L2、L3和电容器C1、C2、C3组成的电容器组连接成三角形电路形式。三极同步开关K1的三个主触点K1A、K1B、K1C的输入端X1、X3、X5分别与三相电网电压U、V、W相连接，三极同步开关K1的三个主触点K1A、K1B、K1C的输出端X2、X4、X6分别与电容器组串联连接，三极同步开关K1的三个主触点K1A、K1B、K1C安装在电容器组电路内，其中主触点K1A的输入端X1和输出端X2之间并联连接着预充电电路1，主触点K1B的输入端X3和输出端X4之间并联连接着预充电电路2，电网线电压通过预充电电路1和预充电电路2给电容器组预充电。

预充电电路1由串联连接的二极管D1与电阻器R1组成，二极管D1的阴极连接到电网电压的U相，二极管D1的阳极通过电阻器R1连接到电容器组的电抗器L1上。预充电电路2由串联连接的二极管D2与电阻器R2组成，二极管D2的阳极连接到电网电压的V相，二极管D2的阴极通过电阻器R2连接到电容器组的电抗器L2上，电网线电压U_UV通过预充电电路1对电容器C1预充电，电网线电压U_VW通过预充电电路2对电容器C2预充电。

相位控制装置由电网电压同步检测器3、相位控制器4、K1线圈驱动器5和不平衡保护器6组成。相位控制装置各组成部分的电路与本技术领域使用的常规同步开关的控制电路相似，为本专业技术人员了解，在此不再赘述。相位控制装置按照预定的电网线电压的相位角，在三极同步开关K1的主触点K1C上的线电压U_WU等于零且主触点K1A、主触点K1B上的电压和电压变化率同时接近零点处，同时接通、同时关断三极同步开关K1的三个主触点，来投切电容器组。具体地，当接到投切命令S1闭合指令时，电网电压同步检测器3、相位控制器4和K1线圈驱动器5工作，驱动K1线圈，在电网线电压U_WU的过零点，闭合三极同步开关K1，实现电容器组无电流冲击投入工作；当接到投切命令S1停止指令时，电网电压同步检测器3、相位控制器4和K1线圈驱动器5工作，驱动K1线圈，在电网线电压U_WU的过零点，打开三极同步开关K1。在1～6秒钟后，当再次接到投切命令S1闭合指令时，电网电压同步检测器3、相位控制器4和K1线圈驱动器5工作，驱动K1线圈，按照上述预定的电网电压的相位角，闭合三极同步开关K1，电容器组重新投入运行。

如图1所示，本发明的智能型无功补偿装置还可包括电流互感器CT，用来检测三角形电路内三相电流的总和，为电容器组提供不平衡电流保护。其中，电流互感器CT的一次电流为同时流进或流出三角形连接的电容器组的电流，其二次侧连接到相位控制装置，具体连接到不平衡保护器6。当电容器组正常工作时，电流互感器CT的二次电流为零；当电容器组出现故障时，电流互感器CT的二次电流为与损害程度对应的非零电流，此电流进入不平衡保护器6，不平衡保护器6可以监测到电容器组的损坏，进而打开三极同步开关K1，保证装置安全运行。电流互感器CT的加入可进一步为装置提供不平衡保护。

用电流互感器CT检测三角形内三相电流的总和，测量计算出电容器衰减时的电流互感器二次侧电流值如下表所示：

表1电容器衰减时，电流互感器二次侧的电流值

从上表可以看出应用此方法非常准确、简单、灵敏。

应注意，尽管图1中显示的是预充电电路1并联连接在三极同步开关K1的主触点K1A两端，预充电电路2并联连接在三极同步开关K1的主触点K1B的两端，不过预充电电路1和预充电电路2可以并联连接在三极同步开关K1的三个主触点中任意两个主触点两端，只要将同步电压信号作相应调整，控制程序不变，投切效果也不会受到影响。

图2～图4分别示出了用示波器测量的图1所示电容器C1、电容器C2和电容器C3的电压和电流的工作波形图。从图2、图3、图4可以看出，在三相电容器组的每相电容器投入时，开关工作涌流不大，切除时，电容器上的电压不会超出电网线电压的峰值，电压数值不大。由此可以看出本发明装置的电气性能是优良的，测量的电容器组电压电流波形满足工业应用。在电网频率为50Hz，即一个周波为20ms时，从图2、图3、图4测量的波形图还可以看出投切电容器组的开关由闭合、打开到再次闭合的动作时间小于1秒钟，满足快速投切动作的要求。

下面举例描述本发明无功补偿装置所采用的主要元件的选择。本发明的无功补偿装置应用于1KV电网电压时，补偿装置容量为1500kvar，每相电容器可采用5只100kvar并联，三角形内电流352A时，三极同步开关K1采用普通三极永磁接触器，型号例如CKJ5-400-1140/DY(三极)，二极管D1、D2可选择高压硅堆二极管，二极管D1、D2电压为6KV，电流1A，与二极管D1、D2串联的限流电阻器R1、R2为1000欧姆，1W的电阻。电流互感器为BH-1-120I I，1KV 100/5。当然，可根据需要选择各器件参数。

三极同步开关K1可以为永磁接触器、永磁断路器、电磁式接触器和电磁式断路器中的一种。三极同步开关K1的主触点的三个极是同时闭合同时打开的，不是分别控制闭合打开的。只要满足同步控制精度要求就可以了。

本发明的特定实施例已对本发明的内容做出了详尽的说明，本领域技术人员在本申请的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变型或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置，其特征在于：电容器组由连接成三角形电路形式的电抗器和电容器组成，三极同步开关K1的三个主触点安装在所述三角形电路内，与电容器组串联连接，其中一个主触点的输入端和输出端之间并联连接着预充电电路1，另一主触点的输入端和输出端之间并联连接着预充电电路2，电网线电压通过所述预充电电路1和所述预充电电路2给所述电容器组预充电，相位控制装置按照预定的电网线电压的相位角，在三极同步开关K1主触点上的电压等于零或者电压和电压变化率同时接近零点处，同时接通、同时关断三极同步开关K1的三个主触点，以投切电容器组，其中，所述预充电电路1由串联连接的二极管D1和电阻器R1组成，二极管D1的阴极连接到电网电压中的一相，二极管D1的阳极连接到电容器组；所述预充电电路2由串联连接的二极管D2与电阻器R2组成，二极管D2的阳极连接到电网电压的另一相，二极管D2的阴极连接到电容器组。

2.根据权利要求1所述的智能型无功补偿装置，其特征在于：还包括电流互感器，其一次侧与所述电容器组连接，其二次侧与所述相位控制装置连接，该电流互感器用于检测所述三角形电路内三相电流的总和，所述相位控制装置根据该电流的总和为所述电容器组提供不平衡保护。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的智能型无功补偿装置，其特征在于：所述预定的电网线电压的相位角选择为：在并联连接着所述预充电电路1和预充电电路2的两个主触点上的电压和电压变化率同时接近零点处，在另一没有并联预充电电路的主触点所对应的电网线电压的电压值过零点且该主触点上的电压值等于零时，同时接通、同时关断三极同步开关K1的三个主触点。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的智能型无功补偿装置，其特征在于：所述三极同步开关K1为永磁接触器、永磁断路器、电磁式接触器和电磁式断路器中的一种。