CN104300955A - 一种用于电容器投切的开关电路及投切的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对电容器在投切过程中的涌流、弹跳、拉弧、重燃等问题，提出一种新型的用于电容器投切的开关电路及电容器投切的控制方法。所公开的开关电路由一路单向导通部件和一路可控式机械开关部件并联构成，充分利用了机械开关无损耗的特点，同时利用了单向导通部件实现电容器预充电达到电容器残压为电网电压峰值，控制开关在电网电压的峰值点投入，有效减小电容器投入时的电压突变引起的电容器合闸涌流，同时消除了机械开关的动作响应延迟影响，结合本发明公开的投切控制方法，本发明公开的技术实现了电容器投切过程无涌流、无拉弧，电容器投入运行后，开关回路无损耗。

Description

一种用于电容器投切的开关电路及投切的控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电网自动化领域，特别是涉及一种用于电容器投切的开关电路及投切的控制方法。

背景技术

在电力系统中，电容器广泛地用于对电网进行无功补偿、调整电压、抑制谐波等应用场合，是电力系统配电网自动化的重要设备之一。

在电容器投入电网时，由于电容器的本质特性，其在投入电网时，会产生涌流，电容器投入时涌流的大小与电容器投入时的电容器与电源间的电压差有关，有时涌流可以超过百倍以上的电容器额定电流大小，如此巨大的涌流会对电容器的寿命产生很大的影响、对电网产生严重干扰，同时亦可能会损坏电容器的投切开关部件。

在电容器退出电网时，由于电容器已接入电网，电容器投切开关部件中有相应的电容器电流通过，此时对电容器的投切开关提出了分断电流、消除闪弧、拉弧的要求，以保证电容器可正确分断。

目前在电容器的投切开关主要有交流接触器、晶闸管开关、复合开关及选相开关等方式。

交流接触器是纯机械部件，理论上不存在最佳操作相位点，投切瞬时点不可选择，在投入或切除电网时，由于其投切相位点是随机的，投入时会产生幅值很大、频率很高的浪涌电流，退出时易产生电弧、烧损触头。

晶闸管开关是随着电力电子器件应用的发展和普及而研发的以可控硅为核心的投切部件，其原理为通过电压过零检测控制，利用晶闸管的快速响应特性，保证在电压过零时投入电容器，避免合闸涌流，同时利用晶闸管自身的电流过零关断特性，消除了电容器退出的电弧等问题。然而，晶闸管开关由于可控硅的导通压降特性，存在着很大的功率损耗，且可控硅是易损耗部件，在温度过高时会出现瞬时击穿，因此晶闸管开关必须配备大面积的散热器甚至风扇等设备进行散热；同时可控硅对电压变化率非常敏感，在电网中存在谐波较大时如果电压过零判断出现偏差，易使晶闸管开关发生误导通而产生大涌流而使其损坏。同时晶闸管开关除了以上的特性外，同时由于结构复杂、体积大、损耗大、成本高、可靠性差，严重限制了晶闸管开关的应用。

复合开关技术就是将晶闸管与继电器接点并联使用，利用晶闸管的快速响应，由晶闸管实现电压过零投入与电流过零切除，由继电器接点来通过连续电流，这样就避免了晶闸管的导通损耗问题，也避免了电容器投入时的涌流。然而由于复合开关的投切过程与晶闸管开关的投切过程的原理完全相同，都是利用晶闸管的实时响应快的特性和自身的过零关断特性来实现电压过零投入、电流过零退出的，在投入后由继电器承担负荷电流，其从根本上只是解决了晶闸管开关的功率损耗问题，晶闸管固开关存在的电压过零偏差产生的误导通、晶闸管开关的du/dt敏感性都未能解决，晶闸管开关投退过程中存在的暂态问题复合开关依旧存在。同时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。

同步开关（又名选相开关）是近年来最新发展的技术，顾名思义，就是使机械开关的接点准确地在需要的时刻闭合或断开。通过控制电容器的机械开关（如继电器）使其在电压过零的时刻闭合，从而实现电容器的无涌流投入，在电流为零的时刻断开，从而实现开关接点的无电弧分断。然而同步开关的基础亦是机械开关，由于机械开关的动作特性，其动作的速度响应有延迟，单个机械开关元件的动作时间差异性等问题，同步开关并不能准确做到真正的过零点投退无法做到精确的过零投退以消除涌流、拉弧等问题。

综上所述，交流接触器不具备抑制涌流和消除闪弧的功能，是纯机械性部件，而晶闸管、复合开关、同步开关其共同的特点是电压过零投入、电流过零退出，由于电压过零检测的误差，在电压过零点时，根据电容器的充电电流计算公式ic=c*(du/dt)可知，而在电压过零时，由电压的正弦特性可知，在电压过零点附近的微小时间差引起的电压偏移是非常大的，即产生的du/dt是极大的，投入涌流亦是极大的。

机械开关（交流接触器、继电器等）的优点是接通阻抗低，投入运行几乎无损耗，无须配备散热设备，而其最大的缺点是由于机械开关的动作响应延迟特点，无法准确的控制合分时刻点。

可控硅开关（或复合开关中的可控硅部件）的优点在于由于其控制响应速度快，可准确控制合分时刻点，缺点在于由于硅部件的导通压降，投入运行时会有较大的损耗，需要配备散热设备，同时可控硅部件的过热击穿、电压突变引起误导通等特性，亦使得硅部件较易损坏。

发明内容

本发明针对电容器在投切过程中的涌流、拉弧等问题，提出一种用于电容器投切的开关电路及投切的控制方法。所公开的开关电路及控制方法充分利用了机械开关无损耗的特点，同时利用了单向导通部件实现电容器预充电达到电容器残压为电网电压峰值，控制开关在电网电压的峰值点投入，消除了机械开关的动作响应延迟影响，本发明公开的技术实现了电容器投切过程无涌流、无拉弧，电容器投入运行后，开关回路无损耗。

本发明的用于电容器投切的开关电路由一路单向导通部件和一路可控式机械开关部件并联构成。其中，单向导通部件可以是二极管等具有单向导通特性的部件，可控式机械开关部件可以为磁保持继电器、交流接触器等无接通损耗的开关部件。

本发明的投切控制方法在投入电容器时是控制可控式机械开关部件在电网电压的峰值点附近合通。在本发明的用于电容器投切的开关电路的中，投入电容器之前，由于单向导通元件的单向导通特性，电网通过单向导通元件实现对电容器的充电，使得电容器的端电压与电网电压的峰值近似相等。因为在电网峰值电压处的du/dt最小，此时投入电容器，即使可控式机械开关部件操作存在动作误差，此时由于误差所产生的du/dt亦较小，有效降低了电容器投入时的涌流。

本发明的电容器投切控制方法在退出电容器时是控制可控式机械开关部件在在本发明的用于电容器投切的开关电路的单相导通部件导通时间段内分断。在退出电容器时，选择的断开可控式机械开关部件的时刻为单向导通部件的导通时间段，此时间段即为电容器电流的高于零点的上半周波部分。此时可控式机械开关部件断开后，继续由单向导通部件续流至电容器电流过零点后，电容器自动退出电网。该退出方式可有效的降低可控式机械开关部件的动作特性误差，利用单向导通元件的续流功能，实现电容器的过零自动退出，即降低对可控性开关部件的寿命影响，亦消除了电容器退出过程对电网的暂态影响。

附图说明

图1为本发明电容器投切的开关电路原理示意图A

图2为本发明电容器投切的开关电路原理示意图B

图3为本发明电容器投切的开关电路未投入电容器状态

图4为本发明电容器投切的开关电路投入电容器过程状态

图5为本发明电容器投切的开关电路退出电容器过程状态

图6为本发明电容器投切的开关电路投入过程电容器电流状态

图7为本发明电容器投切的开关电路退出过程电容器电流状态

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步对本发明内容进行说明：

如图1所示为本发明的电容器投切的开关电路的电路原理示意图，其由一单向导通元件D和一个可控式开关元件K并联构成，在本实施例中，单向导通元件D为二极管，可控式开关元件K为磁保持继电器。

如图3所示为本发明电容器投切的开关电路在投入前状态，此时电容器未投入电网，由于D的单向导通特性，此时电容器与电网未能形成完整双向通路，仅在电网侧电压峰值高于电容器侧电压时，电网通过D的单向导通特性对电容器充电，使得电容器的端电压与电网峰值电压实时保持近似相等。

如图4所示为本发明电容器投切的开关电路在投入过程状态，通过控制可控式开关元件K，使其在电网电压峰值处（此时电容器的端电压近似于电网峰值）闭合，经可控式开关元件与电网形成双向通路，此时电容器电流则从零点投入电网，电容器的投入电网中运行。

如图5所示为本发明电容器投切的开关电路在退出过程状态，通过控制可控式开关元件K，使其在电容器电流的上半周波内断开，此时K断开后，由单向导通元件D完成本半波的续流，在该半周波过零点时，自动实现关断。

如图6所示，为本发明电容器投切的开关电路的实际工作测试投入波形。从电容器的电流波形可以明显看出，电容器电流由电流过零点投入，接入电网，无涌流。

如图7所示，为本发明电容器投切的开关电路的实际工作测试退出波形。从电容器的电流波形可以明显看出，电容器的电流在电流过零点自动关断，退出电网，关断过程为有效的电流过零关断。

Claims (4)

1.一种用于电容器投切的开关电路，其特征在于：

用于电容器投切的开关电路由一路单向导通部件和一路可控式机械开关部件并联构成。

2.如权利要求1所述的用于电容器投切的开关电路，其特征在于：

单向导通部件可以为二极管等具有单向导通特性的部件，可控式机械开关部件可以为磁保持继电器、交流接触器等可控式机械开关部件。

3.如权利要求1所述的用于电容器投切的开关电路，其特征在于：

单向导通部件的导通方向可以为电网侧向电容器侧方向，亦可为电容器侧向电网侧方向。

4.一种用于电容器投切的控制方法，其特征在于：

在投入电容器时控制如权利要求1所述的开关电路中可控式机械开关触点在电网电压的峰值点合通；

在退出电容器时控制如权利要求1所述的开关电路中可控式机械开关触点在如权利要求1所述的开关电路中的单相导通部件导通过程内分断。