CN203205878U

CN203205878U - 基于同步预充电开关投切电容器组的装置

Info

Publication number: CN203205878U
Application number: CN 201220613134
Authority: CN
Inventors: 杨建宁
Original assignee: BEIJING XINRONGZONGHENG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: BEIJING XINRONGZONGHENG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2022-11-20

Abstract

本实用新型提出一种基于同步预充电开关投切电容器组的装置，单极同步开关K1和两极同步开关K2与电容器组串联连接到三相电网电压，单极同步开关K1和两极同步开关K2的主触点两端分别并联连接着第一预充电电路(1)、第二预充电电路(2)和第三预充电电路(3)，电网线电压通过这三个预充电电路给电容器组预充电，相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，在单极和两极开关的主触点上的电压和电压变化率同时为零点处，接通和关断单极和两极同步开关的主触点，以投切电容器组。本实用新型进一步提出用两个单极同步开关代替上述一个两极同步开关的方案。本装置在背靠背投切电容器组时无涌流，电流过零断开，开关动作为秒级，绿色节能。

Description

基于同步预充电开关投切电容器组的装置

技术领域

本实用新型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，具体地涉及基于同步预充电开关投切电容器组的装置。

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：CN101510689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：CN101510689；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三台单极同步开关实现的。都是在电网电压为零时闭合，开关的主触点都没有预充电装置。

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：CN1845456 B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，一只晶闸管、一只二极管和一只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。该专利的最大可取处为首次提出了投切电容器组的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，该专利相对于专利文件“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。同步开关旁的两个高压硅堆二极管的阴极均接在开关的电源侧，或者两个高压硅堆二极管的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。该专利提出了应用预充电同步开关实现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，该专利是采用两台独立的单极同步开关实现三相电路的开关控制即所谓的2控3电路。这种2控3电路在低压应用没有问题，2控3电路在中压电网中应用存在着产生重燃机率大的危险。

专利文件“基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置”，授权专利号：CN202474877U，采用单台三极开关投切电容器组，三极开关的两个主触点并联着预充电电路，第三个主触点没有预充电电路，该专利突破了同步开关只能采用3个独立的单极同步开关的结构形式，但是由于电路结构简练，是在准理想状态下的投切电容器组，三个主触点中两个在接近理想状态下运行，一个触点没有预充电电路，运行状态与常规的同步开关相同，开关主触点是在在电压为零时闭合，不是在电压和电压变化率同时为零时闭合。

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kW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。

实用新型内容

本实用新型的目的是，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，提出了一种在理想状态下的同步预充电开关投切电容器组装置，与常规的同步开关有所不同，常规的同步开关采用3个独立的单极同步开关，本实用新型采用了一台单极同步开关和一台两极同步开关，常规的同步开关的主触点没有附加任何元件，本实用新型的同步预充电开关的每个主触点两端均并联连接着预充电电路，在同一个工作原理下，依照电工原理串联电路的元件可以互换位置，工作原理不变，电工原理关于星形电路和三角形电路等效变换原理，和电工原理中的对偶原理，组合成不同的电路结构，适应各种不同场合的应用。由于是在理想状态下工作，本实用新型的同步预充电开关投切电容器组装置具有动作快速、包括背靠背在内的投切电容器组无涌流、极少或者没有重燃现象，绿色节能的优点，应用普通精度接触器完成高精度的同步开关的动作，能够适用于低压、中压、高压的各个电流等级，便于工程大量应用。

本实用新型为同步预充电开关投切电容器组装置，对于三相电路中投切电容器组的开关，采用一台单极同步开关和一台两极同步开关，相比常规同步开关采用3台独立的单极同步开关，开关线圈的触发电路由3个减少到两个，同时开关的位置反馈也由3个减少到2个，结构简单了，控制逻辑也简单了。

本实用新型通过以下方案实现：

一种基于同步预充电开关投切电容器组的装置，单极同步开关K1和两极同步开关K2与电容器组串联连接到三相电网电压，其中，单极同步开关K1的主触点K1A的输入端和输出端之间并联连接着第一预充电电路(1)，两极同步开关K2的主触点K2A的输入端和输出端之间并联连接着第二预充电电路(2)，两极同步开关K2的主触点K2B的输入端和输出端之间并联连接着第三预充电电路(3)，电网线电压通过所述第一预充电电路(1)、所述第二预充电电路(2)和所述第三预充电电路(3)给所述电容器组预充电，相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，在单极同步开关K1和两极同步开关K2的主触点上的电压和电压变化率同时为零点处，接通和关断所述单极同步开关K1和所述两极同步开关K2的主触点，以投切电容器组。

在上述的一种实施方式中，所述单极同步开关K1、两极同步开关K2和所述电容器组可连接成三角形电路形式。

本实用新型还用两个单极同步开关代替上述的一个两极同步开关，具体方案是：三个单极同步开关K1、K2、K3与电容器组串联连接到三相电网电压，其中，三个单极同步开关K1、K2、K3各自的主触点的输入端和输出端之间分别并联连接着第一预充电电路(1)、第二预充电电路(2)和第三预充电电路(3)，电网线电压通过所述第一预充电电路(1)、第二预充电电路(2)和第三预充电电路(3)给所述电容器组预充电，相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，在三个单极同步开关K1、K2、K3各自的主触点上的电压和电压变化率同时为零点处，接通和关断三个单极同步开关K1、K2、K3的主触点，以投切电容器组。

在上述的一种实施方式中，所述三个单极同步开关K1、K2、K3和所述电容器组连接成三角形电路形式。

所述第一预充电电路(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；所述第二预充电电路(2)由串联连接的二极管D2与电阻器R2组成，二极管D2的阴极连接到电网电压的另一相；所述第三预充电电路(3)由串联连接的二极管D3与电阻器R3组成，二极管D3的阳极连接到电网电压的再一相。

所述二极管D1、二极管D2和二极管D3为高压硅堆或普通二极管；所述电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3为高压电阻器或普通电阻器。

所述单极同步开关K1和两极同步开关K2为永磁接触器或者电磁式接触器中的一种。

本实用新型的有益技术效果：

本实用新型的装置为理想的投切电容器组状态，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常规的同步开关的动作时间为分钟级，大大降低。而且，包括背靠背在内都可以达到无涌流投切电容器组，极少有或者基本没有重燃现象，能够获得优异的电气投切效果，具有极佳的电气性能。本实用新型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。本实用新型的装置广泛应用在低压(1KV以下)，中压(1KV～35KV)，高压(＞35KV)场合的各个电流等级。

附图说明

图1：根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组装置的一个实施例的电路图，由单极和两极开关组成预充电投切开关，其中电容器组连接成星形电路形式；

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5：根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组装置的第二个实施例的电路图，由单极和两极开关组成预充电投切开关，其中电容器组连接成三角形电路形式；

图6：根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组装置的第三个实施例的电路图，由单极和两极开关组成预充电投切开关，预充电同步开关安装在电容器组的零点，其中三极同步开关的主触点连接成星形形式；

图7：根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组装置的第四个实施例的电路图，由单极和两极开关组成预充电投切开关，其中电容器组连接成三角形电路形式，预充电同步开关安装在三角形内；

图8：根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组装置的第五个实施例的电路图，3个单极开关组成预充电投切开关，其中电容器组连接成星形电路形式；

图9：根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组装置的第六个实施例的电路图，由3个单极开关组成预充电投切开关，预充电同步开关安装在电容器组的零点，其中三极同步开关的主触点连接成星形形式；

图10：根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组装置的第七个实施例的电路图，由3个单极开关组成预充电投切开关，其中电容器组连接成三角形电路形式，预充电同步开关安装在三角形内。

具体实施方式

图1示出了根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组的装置的一个实施例，单极同步开关K1的主触点K1A的输入端X1和两极同步开关K2的两个主触点K2A、K2B的输入端X1、X3分别与三相电网电压U、V、W相连接，单极同步开关K1的主触点K1A的输出端X2和两极同步开关K2的主触点K2A、K2B的输出端X2、X4分别与电容器组连接。其中，单极同步开关K1的主触点K1A的输入端X1和输出端X2之间并联连接着第一预充电电路(1)，两极同步开关K2的一个主触点K2A的输入端X1和输出端X2之间并联连接着第二预充电电路(2)，两极同步开关K2的另一个主触点K2B的输入端X3和输出端X4之间并联连接着第三预充电电路(3)，电网线电压U_WU通过所述第三预充电电路(3)和所述第一预充电电路(1)给所述电容器组C1、C3预充电，电网线电压U_VW通过所述第三预充电电路(3)和所述第二预充电电路(2)给所述电容器组C2、C3预充电，相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，在单极同步开关K1的主触点K1A和两极同步开关K2的主触点K2A、K2B上的电压和电压变化率同时为零点处，接通和关断单极同步开关K1和两极同步开关K2的主触点，以投切电容器组。

第一预充电电路(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U相；所述第二预充电电路(2)由串联连接的二极管D2与电阻器R2组成，二极管D2的阴极连接到电网电压的V相；所述第三预充电电路(3)由串联连接的二极管D3与电阻器R3组成，二极管D3的阳极连接到电网电压的W相。

二极管D1、二极管D2和二极管D3可采用高压硅堆或普通二极管；电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3可采用高压电阻器或普通电阻器。

图2～图4分别示出了用示波器测量的图1电路中，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相电压的峰值，电压数值不大。由此可以看出本实用新型装置的电气性能是优良的，测量的电容器组的电压、电流波形满足工业应用。电网的频率为50Hz，一个周波为20ms，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。

下面举例描述本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组的装置所采用的主要元件的选择。本实用新型的装置应用于电网电压10KV电流200A时，单极同步开关K1采用普通单极永磁接触器，型号例如CKG4-250/12-DY(单极)，两极同步开关K2采用普通两极永磁接触器，型号例如CKG4-250/12-Y(两极)，二极管D1、D2、D3为高压硅堆二极管，二极管D1、D2、D3电压为60KV，电流1A，与高压硅堆二极管D1、D2、D3串联的高压限流电阻器R1、R2、R3为12KV，10K欧姆，500W的高压电阻。

单极同步开关K1和两极同步开关K2可以选用永磁接触器或者电磁式接触器。

由高压硅堆二极管D1与高压限流电阻器R1组成的串联第一预充电电路1和由高压硅堆二极管D2与高压限流电阻器R2组成的串联第二预充电电路2以及由高压硅堆二极管D3与高压限流电阻器R3组成的串联第三预充电电路3可以互换并联连接在单极同步开关K1和两极同步开关K2主触点的位置，只要同步电压信号作相应的调整，控制程序不变，投切效果也不会受到影响。

依据电工原理中关于星形电路和三角形电路等效变换的原理，由三相电抗器L和电容器C组成的滤波电容器组可以连接成星形电路形式，也可以连接成三角形电路形式，电抗器L和电容器C无论采用哪种连接形式均可实现相同的投切效果。基于此，提出本实用新型的另一实施例。图5示出了根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组装置的第二实施例的电路图，与图1所示的星形接法的电容器组不同，在该实施例中，电容器组使用三角形接法。

依据电工原理中串联电路的元件前后位置可以变化的原理，本实用新型还提出图6所示电路拓扑结构的基于同步预充电开关投切电容器组的装置的第三实施例。如图6所示，电容器组为星形连接，单极同步开关K1的主触点K1A的输入端X1和两极同步开关K2的主触点K2A、K2B的输入端X1、X3均连接在电容器组的零点处，单极同步开关K1的主触点K1A的输出端X2和两极同步开关K2的主触点K2A、K2B的输出端X2、X4连接到一起，单极同步开关K1和两极同步开关K2的主触点构成电容器组的星形结构形式的零点开关，其中单极同步开关K1的主触点K1A的输入端X1和输出端X2之间并联连接着第一预充电电路(1)，两极同步开关K2的主触点K2A的输入端X1和输出端X2之间并联连接着第二预充电电路(2)，两极同步开关K2的主触点K2B的输入端X3和输出端X4之间并联连接着第三预充电电路(3)，电网线电压通过第一预充电电路(1)、第二预充电电路(2)和第三预充电电路(3)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，在单极同步开关K1的主触点和两极同步开关K2的主触点上的电压和电压变化率同时为零点处，接通和关断单极同步开关K1的主触点和两极同步开关K2的主触点，以投切电容器组。

图7示出了根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组的装置的第四实施例，其中，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，单极同步开关K1的主触点K1A和两极同步开关K2的主触点K2A、K2B安装在三角形电路内，与电容器组串联连接，其中，单极同步开关K1的主触点K1A的输入端X1和输出端X2之间并联连接着第一预充电电路(1)，两极同步开关K2的主触点K2A的输入端X1和输出端X2之间并联连接着第二预充电电路(2)，两极同步开关K2的主触点K2B的输入端X3和输出端X4之间并联连接着第三预充电电路(3)。

在上述实施例中，采用一个单极同步开关和一个两级同步开关来构造投切电容器组的装置。本实用新型还可采用两个单极同步开关来代替图1、图5-7中所示的两极同步开关K2，这在下面进行描述。

图8-10示出了根据本实用新型的基于同步预充电开关投切电容器组的装置的第五、第六和第七实施例，它们分别对应于图1、图6和图7所示的实施例，只是用两个单极开关K2和K3替代了两极同步开关K2。控制策略做相应调整即可。相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，在单极同步开关K1、单极同步开关K2和单极同步开关K3的各自的主触点上的电压和电压变化率同时为零点处，接通和关断单极同步开关K1、单极同步开关K2和单极同步开关K3主触点，以投切电容器组。

本实用新型的特定实施例已对本实用新型的内容作出了详尽的说明，对本领域一般技术人员而言，在不背离本实用新型精神和范围的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都认为被本实用新型公开。

Claims

1.一种基于同步预充电开关投切电容器组的装置，其特征在于：单极同步开关K1和两极同步开关K2与电容器组串联连接到三相电网电压，其中，单极同步开关K1的主触点K1A的输入端和输出端之间并联连接着第一预充电电路(1)，两极同步开关K2的主触点K2A的输入端和输出端之间并联连接着第二预充电电路(2)，两极同步开关K2的主触点K2B的输入端和输出端之间并联连接着第三预充电电路(3)，电网线电压通过所述第一预充电电路(1)、所述第二预充电电路(2)和所述第三预充电电路(3)给所述电容器组预充电，相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，在单极同步开关K1和两极同步开关K2的主触点上的电压和电压变化率同时为零点处，接通和关断所述单极同步开关K1和所述两极同步开关K2的主触点，以投切电容器组。

2.根据权利要求1所述的基于同步预充电开关投切电容器组的装置，其特征在于：所述单极同步开关K1、两极同步开关K2和所述电容器组连接成三角形电路形式。

3.根据权利要求1所述的基于同步预充电开关投切电容器组的装置，其特征在于：所述第一预充电电路(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；所述第二预充电电路(2)由串联连接的二极管D2与电阻器R2组成，二极管D2的阴极连接到电网电压的另一相；所述第三预充电电路(3)由串联连接的二极管D3与电阻器R3组成，二极管D3的阳极连接到电网电压的再一相。

4.根据权利要求3所述的基于同步预充电开关投切电容器组的装置，其特征在于：所述二极管D1、二极管D2和二极管D3为高压硅堆或普通二极管；所述电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3为高压电阻器或普通电阻器。

5.根据权利要求1所述的基于同步预充电开关投切电容器组的装置，其特征在于：所述单极同步开关K1和两极同步开关K2为永磁接触器或者电磁式接触器中的一种。

6.一种基于同步预充电开关投切电容器组的装置，其特征在于：三个单极同步开关K1、K2、K3与电容器组串联连接到三相电网电压，其中，三个单极同步开关K1、K2、K3各自的主触点的输入端和输出端之间分别并联连接着第一预充电电路(1)、第二预充电电路(2)和第三预充电电路(3)，电网线电压通过所述第一预充电电路(1)、第二预充电电路(2)和第三预充电电路(3)给所述电容器组预充电，相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，在三个单极同步开关K1、K2、K3各自的主触点上的电压和电压变化率同时为零点处，接通和关断三个单极同步开关K1、K2、K3的主触点，以投切电容器组。

7.根据权利要求6所述的基于同步预充电开关投切电容器组的装置，其特征在于：所述三个单极同步开关K1、K2、K3和所述电容器组连接成三角形电路形式。

8.根据权利要求7所述的基于同步预充电开关投切电容器组的装置，其特征在于：所述第一预充电电路(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；所述第二预充电电路(2)由串联连接的二极管D2与电阻器R2组成，二极管D2的阴极连接到电网电压的另一相；所述第三预充电电路(3)由串联连接的二极管D3与电阻器R3组成，二极管D3的阳极连接到电网电压的再一相。

9.根据权利要求8所述的基于同步预充电开关投切电容器组的装置，其特征在于：所述二极管D1、二极管D2和二极管D3为高压硅堆或普通二极管；所述电阻器R1、电阻器R2和电阻器R3为高压电阻器或普通电阻器。

10.根据权利要求7所述的基于同步预充电开关投切电容器组装置，其特征在于：所述三个单极同步开关K1、K2、K3为永磁接触器或者电磁式接触器中的一种。