CN106374507A - 一种三相共补智能同步开关及其控制保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相共补智能同步开关及其控制保护方法。所述智能同步开关由主电路、主控芯片、接触器开关监测电路、线电压监测电路、接触器开关驱动电路等组成。主电路中两相入端电网电源通过接触器开关与二极管并联支路连电容，一相电网电源直接连电容。线电压监测电路将信号传到主控芯片来判断正负相序、上电缺相、运行缺相。主控芯片在接收到外部投切命令后，通过接触器开关驱动电路确保接触器开关在指定时刻投切。接触器开关监测电路不仅可监测接触器开关的开合状态，还能记录其开合时刻，从而对主控芯片发出投切信号的提前时间进行自适应调整。本发明闭合时无涌流，开断时无燃弧，极大地提高了开关及电容器寿命。

Description

一种三相共补智能同步开关及其控制保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统无功补偿领域，特别涉及电容器投切领域，更具体地，涉及一种三相共补智能同步开关及其控制保护方法。

背景技术

无功补偿对于减小线路损耗、提高功率因数、提高系统供电效率和电压品质有着重要意义。将电容器组并联到电网可补偿无功。因为其装置简单成本低，在工程中应用广泛。

基于投切电容器的无功补偿装置由控制器、投切开关和电容器三部分组成，其中投切开关对投切电容器无功补偿装置的性能有着重要影响。

目前的投切开关有晶闸管、复合开关和接触器开关三种方式。晶闸管投切电容器利用晶闸管这一电力电子器件作为开关，能够精确的在开关两端电压过零点投入电容器，但是晶闸管存在较大的导通损耗且成本较高。复合开关将接触器开关导通损耗小及晶闸管开关开合迅速的优点结合起来，利用晶闸管精确投入电容器从而减小涌流，再切换到接触器运行来减小损耗。复合开关在技术上比较容易实现，但是需要配置良好的保护电路，对晶闸管额定电压、额定电流的要求也较高，工程中经常出现晶闸管损坏爆裂事故。最初的接触器开关随机投入，涌流较大，对接触器开关及电容器损害很大。通过串入限流电阻可减小涌流，但作用有限。目前，多数基于接触器开关的电容器投切采用在电网电压过零点时闭合接触器开关，在电流过零点时开断接触器开关，可减小涌流。不过该方法在开断接触器开关后电容上仍有电压，需要等待电容电压降为零后才能再次投入开关。

发明内容

通过嵌入式软硬件技术对接触器开关进行有效控制，提高其抑制涌流及燃弧的能力，可能需要的技术问题较大，但是经济性好。本发明针对现有技术不足，设计了一种结构简单、经济性好的三相共补智能同步开关，闭合时无涌流，开断时无燃弧，极大地提高了开关及电容器寿命。

本发明中智能同步开关进线端接三相电网电源，出线端接星型或三角形三相电容器。所述智能同步开关由主电路、主控芯片、接触器开关监测电路、线电压监测电路、接触器开关驱动电路、变压器取电及电源电路组成。所述主电路中两相入端电网电源通过接触器开关与二极管并联支路连接至电容，一相电网电源直接连接至电容。所述线电压监测电路通过监测线电压并将监测信号传递给主控芯片来判断正负相序、上电缺相、运行缺相。所述主控芯片在接收到外部投切命令并经过算法处理后，向所述接触器开关驱动电路发出信号，确保接触器开关在指定时刻完全闭合或开断。从发出控制信号到接触器开关完全闭合或开断之间存在一定的延时时间。所述接触器开关监测电路不仅可以监测接触器的开合状态，还能记录下接触器开关完全闭合或开断的时刻，从而对所述主控芯片发出投切信号的提前时间进行自适应调整。

接触器开关闭合过程分为上电预备阶段，稳态阶段，A相开关闭合，C相开关闭合四个阶段。上电预备阶段时，电网电源通过二极管对电容充电。接触器开关两端电压为电网线电压叠加一个变化的直流电压。三相电容器容值越大，预备阶段持续时间越长，一般为数秒到数十秒。预备阶段后，接触器开关两端电压中直流电压成分达到稳态。接触器开关两端电压均存在电压过零点。此过零点的电压变化率为零，电压变化缓慢。在此点闭合接触器开关无涌流，为最佳闭合时刻。在A相接触器开关的最佳闭合时刻将其闭合。闭合后，A相接触器开关两端电压一直为零。与C相接触器开关并联的二极管会在A相接触器开关闭合后一段时间后导通，从而将C相接触器两端电压箝位在二极管导通压降。在所述二极管导通时间段闭合C相接触器开关不会产生涌流。闭合C相接触器开关后，其两端电压也一直为零。至此，完成三相共补智能同步开关投入过程。

接触器开关开断过程分为A相开关开断，C相开关开断两个阶段。首先在A相接触器开关电流过零点开断A相开关。接着在C相接触器开关过零点开断C相开关。一个周期内存在两个电流过零点。由于电容负载的电压相位滞后于电流相位90度，选择在电流正过零点(以流入同步开关方向为电流正方向)开断C相开关，则BC相间电容电压处于线电压负峰值，正好是稳态阶段时电容上电压。至此，完成三相共补智能同步开关开断过程。

由于C相开关在电流正过零点开断，C相开关两端电压达到稳态，而A相接触器开关尚未到达稳态。在C相接触器开关的最佳闭合时刻将其闭合。闭合后，C相接触器开关两端电压一直为零。与A相接触器开关并联的二极管会在C相接触器开关闭合后一段时间后导通，从而将A相接触器两端电压箝位在二极管导通压降。在所述二极管导通时间段闭合A相接触器开关不会产生涌流。闭合A相接触器开关后，其两端电压一直为零。至此，完成三相共补智能同步开关再次投入过程。

从主控制器发出投切控制信号到接触器开关完全闭合或开断之间存在一定的延时时间。延时时间与接触器开关自身工艺、驱动电压、老化程度，温度，湿度等因素有关。主控制器提前向接触器开关驱动电路发出信号，期望接触器开关在指定的时间点完全闭合或开断。本发明一方面通过提高继电器驱动电压来减小继电器投切延时时间，从而减小继电器投切延时时间的分散性；另一方面通过接触器开关监测电路来实时监测接触器开关的投切延时时间。

接触器开关两端电压大于监测电路阀值电压时，信号输出低电平。当接触器开关两端电压小于监测电路阀值电压时，信号输出高电平。接触器开关开断时，两端电压周期性出现过零点，信号周期性地输出高电平。当接触器开关由开断状态转变到闭合状态时，其两端电压小于阀值电压，至此之后信号一直为高电平。如果信号一直为高电平的初始时刻处于开断时周期性高电平(过零点)范围，则无须对闭合控制信号的延时时间做调整。如果信号一直为高电平的初始时刻不处于开断时周期性高电平(过零点)范围，则下一次闭合时调整闭合控制信号的延时时间，将高电平的初始时刻调整至该范围之内，从而保证接触器开关在电压过零点附近闭合。当接触器开关由闭合状态转变到开断状态时，两端电压由零开始升高，信号由高电平突变为低电平。通过监测电平信号的变化，可获知接触器开关完全开断时刻，从而获知接触器开关的开断延时时间。下次开断时调整开断控制信号的延时时间，使得接触器开关在电流过零点附近开断。

线电压大于监测电路阀值电压时，信号输出低电平。线电压小于监测电路阀值电压时，信号输出高电平。优选的，本发明对AB、AC线电压进行监测。主控芯片根据两路线电压监测信号的顺序及时间间隔来判断正负相序。

优选的，线性变压器从电网电源中的AC两相取电。接触器开关驱动电路供电电压为某一固定电压值，该电压值不随电网电压的波动而变化，从而使得接触器开关的投切延时时间稳定可控。

由于接触器开关监测电路、线电压监测电路、变压器取电及电源电路、补偿电容的存在，在电网电源缺相后，同步开关上的缺相电源入口与其余两相电源存在电气连接，仍有电压存在。这会导致缺相时线电压监测电路输出信号与正常情况下存在较大区别。将所述接触器开关监测电路、线电压监测电路、变压器取电及电源电路加入仿真模型，仿真缺相后线电压波形及其对应信号，与实测一致。根据两路线电压监测信号的顺序及时间间隔可以判断上电缺相和运行缺相两种情况。

在三相共补智能同步开关上电时，主控芯片给两个接触器开关开断控制信号，无论其原先处于何种状态，确保其处于开断状态。

在三相共补智能同步开关上电时，接触器开关处于开断状态。如果未接电容器，则接触器开关两端电压为零，接触器开关监测电路输出信号一直为高电平。主控芯片检测到该情况后给出报警信号，禁止外部投切控制命令控制接触器开关闭合。

在三相共补智能同步开关上电时，接触器开关处于开断状态。如果上电缺相情况发生，主控芯片可通过线电压监测电路检测到，并给出报警信号，禁止外部投切控制命令控制接触器开关闭合。

在补偿电容投入电网进行无功补偿时，接触器开关闭合。如果运行缺相情况发生，主控芯片可通过线电压监测电路检测到，并控制接触器开关立即开断。如果停电情况发生，主控芯片可通过线电压监测电路检测到，并控制接触器开关立即开断。停电后，主控芯片、接触器开关监测电路、线电压监测电路、接触器开关驱动电路均可由储能电容短暂供电，以保证接触器开关开断。

在补偿电容投入电网进行无功补偿时，接触器开关闭合。如果接收到外部切除命令后因为触点粘滞无法切除，则接触器开关两端电压为零，接触器开关监测电路输出信号一直为高电平。主控芯片检测到该情况后给出报警信号，需更换三相共补智能同步开关。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为发明实施例的三相共补智能同步开关及其控制保护原理框图。

图2为发明实施例的主电路简化仿真电路图。

图3为发明实施例的接触器开关闭合过程中上电预备阶段开关两端电压的仿真波形。

图4为发明实施例的接触器开关闭合过程中稳态阶段开关两端电压的仿真波形。

图5为发明实施例的接触器开关闭合过程中A相开关闭合阶段开关两端电压的仿真波形。

图6为发明实施例的接触器开关开断过程中A相开关开断阶段流过开关的电流仿真波形。

图7为发明实施例的接触器开关开断过程中C相开关开断阶段流过开关的电流仿真波形。

图8为发明实施例的接触器开关开断后开关两端电压仿真波形。

图9为发明实施例的接触器开关再次闭合过程C相开关闭合阶段开关两端电压仿真波形。

图10为发明实施例的接触器开关监测电路。

图11为发明实施例的线电压监测电路。

图12为发明实施例的变压器取电及电源电路。

具体实施方式

以下就具体实施例的方式对本发明进行介绍，但是需要说明的是以下实施例仅是本发明的优选方式，并不是说仅能通过以下实施例实现本发明，因此本领域技术人员对以下实施例做出的等同的修改或变换均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1所示，为本发明三相共补智能同步开关及其控制保护装置框图。所述智能同步开关进线端接三相电网电源，出线端接星型或三角形三相电容器。所述智能同步开关由主电路、主控芯片、接触器开关监测电路、线电压监测电路、接触器开关驱动电路、变压器取电及电源电路组成。所述主电路中两相入端电网电源通过接触器开关与二极管并联支路连接至电容，另一相电网电源直接连接至电容。所述线电压监测电路通过监测线电压并将监测信号传递给主控芯片来判断正负相序、上电缺相、运行缺相。所述主控芯片在接收到外部投切命令并经过算法处理后，向所述接触器开关驱动电路发出信号，确保接触器开关在指定时刻完全闭合或开断。从发出控制信号到接触器开关完全闭合或开断之间存在延时时间。所述接触器开关监测电路不仅可以监测接触器的开断状态，还能记录下接触器开关完全闭合或开断的时刻，从而对所述主控芯片发出投切信号的提前时间进行自适应调整。

如图2所示，为本发明主电路简化仿真电路图。三相电网电源通过智能同步开关主电路连接三相电容器。所述主电路中A、C两相入端电网电源通过接触器开关与二极管并联支路连接至所述电容，B相电网电源直接连接至所述电容。与所述电容并联的是三相电容器中的放电电阻。

如图3至图5所示，为本发明中接触器开关闭合过程中开关两端电压的仿真波形，分为上电预备阶段，稳态阶段，A相开关闭合，C相开关闭合四个阶段。

上电预备阶段时，电网电源通过二极管对电容充电。接触器开关两端电压为电网线电压叠加一个变化的直流电压，如图3示。三相电容器容值越大，预备阶段持续时间越长，一般为数秒到数十秒。

稳态阶段如图4所示，接触器开关两端电压中直流电压成分达到稳态。接触器开关两端电压均存在电压过零点。此过零点的电压变化率为零，电压变化缓慢。在此点闭合接触器开关无涌流，为最佳闭合时刻。

在A相接触器开关的最佳闭合时刻将其闭合。闭合后，A相接触器开关两端电压一直为零。与C相接触器开关并联的二极管会在A相接触器开关闭合后一段时间后导通，从而将C相接触器两端电压箝位在二极管导通压降。波形如图5所示。在所述二极管导通时间段闭合C相接触器开关不会产生涌流。闭合C相接触器开关后，其两端电压也一直为零。至此，完成三相共补智能同步开关投入过程。

如图6和图7所示，为本发明中接触器开关开断过程中流过开关的电流仿真波形，分为A相开关开断，C相开关开断两个阶段。

首先在A相接触器开关电流过零点开断A开关，如图6所示。接着在C相接触器开关过零点开断C相开关，如图7所示。一个周期内存在两个电流过零点。由于电容负载的电压相位滞后于电流相位90度，选择在电流正过零点开断C相开关(以流入同步开关方向为电流正方向)，则BC相间电容电压处于线电压负峰值，正好是稳态阶段时电容上电压。

如图8所示，为本发明中接触器开关开断后开关两端电压仿真波形。由于C相开关在电流正过零点开断，C相开关两端电压达到稳态，而A相接触器开关尚未到达稳态。在C相接触器开关的最佳闭合时刻将其闭合。闭合后，C相接触器开关两端电压一直为零。与A相接触器开关并联的二极管会在C相接触器开关闭合后一段时间后导通，从而将A相接触器两端电压箝位在二极管导通压降。波形如图9所示。在所述二极管导通时间段闭合A相接触器开关不会产生涌流。闭合A相接触器开关后，其两端电压一直为零。至此，完成三相共补智能同步开关再次投入过程。

最佳投切时刻可采用电网电源相电压或者线电压作为时间基准。本发明仅介绍了其中一种同步开关投切时刻，本领域的技术人员也可以采用其它投切时刻以达到同样目的。

本发明仅介绍电网电源与同步开关正序连接时的仿真波形。当电网电源与同步开关负序连接时，也可以用相同的方法寻找到最佳投切时刻。

从主控制器发出投切控制信号到接触器开关完全闭合或开断之间存在一定的延时时间。延时时间与接触器开关自身工艺、驱动电压、老化程度，温度，湿度等因素有关。主控制器提前向接触器开关驱动电路发出信号，期望接触器开关在指定的时间点完全闭合或开断。

本发明一方面通过提高继电器驱动电压来减小继电器投切延时时间，从而减小继电器投切延时时间的分散性；另一方面通过接触器开关监测电路来实时监测接触器开关的投切延时时间。

如图10所示，为本发明中接触器开关监测电路。该电路包括限流电阻R₁，三极管VT₁，箝位二极管D₁，光耦O₁，上拉电阻R₂及R₃，稳压电容C₁。接触器开关两端电压大于监测电路阀值电压时，所述三极管处于放大区。所述三极管集电极电流使得所述光耦导通，从而将信号输出端拉低。当接触器开关两端电压小于监测电路阀值电压时，所述光耦不导通，信号输出高电平。阀值电压与所述限流电阻阻值、所述三极管放大倍数、所述光耦的电流传输比、所述上拉电阻阻值有关。本发明中阀值电压取为略大于接触器开关闭合时电压。优选的，阀值电压不大于1V。

接触器开关开断时，两端电压周期性出现过零点，信号周期性地输出高电平。当接触器开关由开断状态转变到闭合状态时，其两端电压小于阀值电压，至此之后信号一直为高电平。如果信号一直为高电平的初始时刻处于开断时周期性高电平(过零点)范围，则无须对闭合控制信号的延时时间做调整。如果信号一直为高电平的初始时刻不处于开断时周期性高电平(过零点)范围，则下一次闭合时调整闭合控制信号的延时时间，将高电平的初始时刻调整至该范围之内，从而保证接触器开关在电压过零点附近闭合。当接触器开关由闭合状态转变到开断状态时，两端电压由零开始升高，信号由高电平突变为低电平。通过监测电平信号的变化，可获知接触器开关完全开断时刻，从而获知接触器开关的开断延时时间。下次开断时调整开断控制信号的延时时间，使得接触器开关在电流过零点附近开断。

如图11所示，为本发明中线电压监测电路。优选的，本发明对AB、AC线电压进行监测。AB线电压监测电路包括限流电阻R₄，箝位二极管D₂，光耦O₂，上拉电阻R₅。AB线电压大于监测电路阀值电压时，所述光耦导通，从而将信号输出端拉低。AB线电压小于监测电路阀值电压时，所述光耦不导通，信号输出高电平。阀值电压与所述限流电阻阻值、所述光耦的电流传输比、所述上拉电阻阻值有关。AC线电压监测电路原理与AB线电压监测电路一致。主控芯片根据两路线电压监测信号的顺序及时间间隔来判断正负相序。

如图12所示，为本发明中变压器取电及电源电路。优选的，线性变压器从电网电源中的AC两相取电。电源电路分为两路，一路为芯片供电电路，一路为接触器开关驱动电路供电电路。所述芯片供电电路由二极管VD1-VD4，线性稳压电源N1，储能电容E1、E2，滤波电容C1、C2组成。从所述变压器取电得到低电压等级的交流电，经过所述二极管组成的桥式整流电路变换为直流电，经过所述线性稳压电源将输出电压稳定在5V。优选的，线性稳压电源型号为78L05。

接触器开关驱动电路供电电路由二极管VD₅-VD₈组成的桥式整流电路，储能电容E₃、E₄，滤波电容C₅，调压电阻R₁-R₃，线性稳压电源U₁及其保护电路组成。从变压器取电得到低电压等级的交流电，经过所述整流电路变换为直流电，通过调整所述调压电阻的阻值使得所述线性稳压电源稳定输出在某一电压值。该电压值不随电网电压的波动而变化，从而使得接触器开关的投切延时时间稳定可控。优选的，线性稳压电源型号为LM317。优选的，该电压值为接触器开关驱动电路额定电压的两倍。

由于接触器开关监测电路、线电压监测电路、变压器取电及电源电路、补偿电容的存在，在电网电源缺相后，同步开关上的缺相电源入口与其余两相电源存在电气连接，仍有电压存在。这会导致缺相时线电压监测电路输出信号与正常情况下存在较大区别。将所述接触器开关监测电路、线电压监测电路、变压器取电及电源电路加入仿真模型，仿真缺相后线电压波形及其对应信号，与实测一致。根据两路线电压监测信号的顺序及时间间隔可以判断上电缺相和运行缺相两种情况。

在三相共补智能同步开关上电时，主控芯片给两个接触器开关开断控制信号，无论其原先处于何种状态，确保其处于开断状态。

在三相共补智能同步开关上电时，接触器开关处于开断状态。如果未接电容器，则接触器开关两端电压为零，接触器开关监测电路输出信号一直为高电平。主控芯片检测到该情况后给出报警信号，禁止外部投切控制命令控制接触器开关闭合。

在三相共补智能同步开关上电时，接触器开关处于开断状态。如果上电缺相情况发生，主控芯片可通过线电压监测电路检测到，并给出报警信号，禁止外部投切控制命令控制接触器开关闭合。

在补偿电容投入电网进行无功补偿时，接触器开关闭合。如果运行缺相情况发生，主控芯片可通过线电压监测电路检测到，并控制接触器开关立即开断。如果停电情况发生，主控芯片可通过线电压监测电路检测到，并控制接触器开关立即开断。停电后，主控芯片、接触器开关监测电路、线电压监测电路、接触器开关驱动电路均可由储能电容短暂供电，以保证接触器开关开断。

在补偿电容投入电网进行无功补偿时，接触器开关闭合。如果接收到外部切除命令后因为触点粘滞无法切除，则接触器开关两端电压为零，接触器开关监测电路输出信号一直为高电平。主控芯片检测到该情况后给出报警信号，需更换三相共补智能同步开关。

Claims (5)

1.一种三相共补智能同步开关装置，其特征在于，包括三相共补同步开关电路及其控制保护方法。

2.如权利要求1所述的三相共补智能同步开关电路，其特征在于，包括主电路、主控芯片、接触器开关监测电路、线电压监测电路、接触器开关驱动电路、变压器取电及电源电路。所述主电路中两相电网电源通过接触器开关与二极管并联支路连接至电容，另一相电网电源直接连接至电容。所述接触器开关监测电路不仅可以监测接触器的开合状态，还能记录下接触器开关完全闭合或开断的时刻。所述线电压监测电路监测线电压并将监测信号传递给主控芯片。所述接触器开关驱动电路驱动接触器开关的闭合或开断。所述变压器取电及电源电路为所述主控芯片、接触器开关监测电路、线电压监测电路、接触器开关驱动电路供电。

3.如权利要求1所述的三相共补智能同步开关的控制保护方法，其特征在于，包括同步投切控制，相序检测，上电复位，上电缺相保护，运行缺相保护，空载保护。所述同步投切控制确保接触器开关在最佳投切时刻进行投切操作，最佳投切时刻通过全过程仿真模型得到。所述相序检测判断电网电源的正负相序。所述上电复位确保同步开关上电时，接触器开关处于开断状态。所述上电缺相保护在上电缺相时禁止外部投切控制命令控制接触器开关闭合。所述运行缺相保护(包括停电保护)在运行缺相时立即开断接触器开关。所述空载保护确保在上电时如果未接电容器，则禁止外部投切控制命令控制接触器开关闭合。

4.如权利要求3所述的三相共补智能同步开关的全过程仿真模型，其特征在于，就充电过程、稳态情况、上电缺相、运行缺相、空载等情况时的电路状态及相应信号进行分析，并寻找到最佳投切时刻。

5.如权利要求3所述的同步投切控制，其特征在于，一方面接触器开关驱动电路电压不随电网电压的波动而变化，且为接触器开关额定驱动电压的两倍以上，从而使得接触器开关的投切延时时间稳定可控；另一方面主控芯片可通过接触器开关监测电路记录接触器开关完全闭合或开断的时刻，从而对发出投切信号的提前时间进行自适应调整，保证接触器开关实际投切时间点与理想时间点之间的误差维持在一个极小范围之内，闭合时无涌流，开断时无燃弧，极大地提高接触器开关及电容器寿命。