在用電設(shè)備中，存在著大量的感性負(fù)載(如電動機(jī))，這些感性負(fù)載在消耗有功功率的同時，也占用了大量的感性無功功率，由于無功功率虛占了設(shè)備容量、增大了線路的電流值，而線路的損失與電流的平方成正比。因此，無功功率必須予以補(bǔ)償。為了提高功率因數(shù)，一般企事業(yè)單位用電容器的容性進(jìn)行無功補(bǔ)償。在補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)上可采取變電所集中補(bǔ)償、分區(qū)域集中補(bǔ)償、分散就地補(bǔ)償、分散與集中相結(jié)合等，在補(bǔ)償方式上可分為手動補(bǔ)償和自動補(bǔ)償。由于補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)和方式關(guān)系到節(jié)電效果，關(guān)系到設(shè)備投資，關(guān)系到設(shè)備運(yùn)行安全與維護(hù)，因此，必須因地制宜地加以選擇。目前，電力電容器的投切開關(guān)有以下3種：
(1)普通接觸器
電容器的電流與電容電壓對時間的微分成正比,當(dāng)接觸器投入時,電容器上的初始電壓與電 網(wǎng)電壓在一般情況下不相等,最大壓差可達(dá)1.4倍的額定電壓以上,當(dāng)巨大的壓差突然加到電容器兩端使電容器的電壓發(fā)生突變時,則通過接觸器和電容器電流將高達(dá)10倍以上的額定電流。這種浪涌電流有多種危害：一方面，在接觸器觸點(diǎn)處產(chǎn)生火花，使觸點(diǎn)粘住、無法分?jǐn)喽鴵p壞;另一方面，縮短了電容器的使用壽命;再者，對電網(wǎng)的巨大沖擊而產(chǎn)生了干擾，可能使其他電子設(shè)備無法正常工作。
(2)帶預(yù)投電阻的專用接觸器
這類接觸器整體體積較大，事實(shí)上在工作時也沒有真正解決浪涌電流問題，同時，由于與接觸器觸點(diǎn)配合不理想使電阻發(fā)熱而損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，所以，這類接觸器并不是理想的電容投切接觸器。
(3)過零觸發(fā)固態(tài)繼電器
交流繼電器的內(nèi)部往往用2個單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅構(gòu)成,用于電容投切無功補(bǔ)償時的工作原理是這樣的：當(dāng)固態(tài)繼電器接到投切信號時，還要判別觸點(diǎn)兩端的電壓是否接近于零電壓，一旦等待到兩端壓差接近零電壓時，則開關(guān)閉合，投入工作;當(dāng)固態(tài)繼電器接到切斷信號時，則可控硅自然關(guān)斷，即電流為零時關(guān)斷。從上面的分析可以看出，用于低壓電容投切的固態(tài)繼電器在投入和切斷時的工作狀態(tài)非常理想，但他存在著一個致命的缺陷工作過程的發(fā)熱和諧波問題，這就限制了他在電容投切領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣。
2復(fù)合開關(guān)的工作原理
電容無功補(bǔ)償分為單相補(bǔ)償和三相補(bǔ)償，采用的開關(guān)相數(shù)也分為兩種。無論是單相投切開關(guān)還是三相開關(guān)，機(jī)械式接觸器不可能較準(zhǔn)確地做到開關(guān)兩端電壓過零時閉合，在電流過零時切斷，而固態(tài)繼電器卻能做到這一點(diǎn)。相反，在開關(guān)閉合工作時，固態(tài)繼電器產(chǎn)生損耗和電壓電流諧波，而機(jī)械式接觸器卻能避免這些問題。因此，吸取固態(tài)繼電器和接觸器的優(yōu)點(diǎn)將是最佳的選擇。也就是希望電容無功補(bǔ)償?shù)耐肚虚_關(guān)在投入和切斷瞬時利用(雙向)可控硅的特性，在平時閉合工作時利用機(jī)械觸點(diǎn)接觸電阻極小的特性，構(gòu)成了可控硅和繼電器(接觸器)并聯(lián)工作的開關(guān)即復(fù)合開關(guān)。
為了達(dá)到理想的工作狀況，可控硅和繼電器的開、斷有時序要求，假設(shè)復(fù)合開關(guān)的投入命令高電平為有效，則切斷命令為低電平有效;開關(guān)(可控硅、繼電器)閉合用高電平有效表示，則開關(guān)斷開用低電平有效表示，其各信號動作時序如圖1所示。
在圖1中T1為復(fù)合開關(guān)接收到投入命令后等待電壓過零所需的時間T2是繼電器延時閉合設(shè)定時間T0為繼電器閉合動作時間Tf為繼電器斷開動作時間T3是可控硅延時斷開設(shè)定時間T4可控硅自然關(guān)斷所需的時間。
在圖1中UKA，UKB，UKC，UKD，UKE，IKE分別表示投切信號、可控硅通斷、繼電器線圈通斷信號、繼電器通斷、電網(wǎng)電壓、電容(或觸點(diǎn))電流。當(dāng)復(fù)合開關(guān)接收到投入命令時，可控硅的觸發(fā)信號準(zhǔn)備就緒，只要電壓過零就立刻觸發(fā)可控硅，而繼電器在接到投入命令后，要延時一段時間，此時間在設(shè)計(jì)時必須保證：只有當(dāng)可控硅導(dǎo)通后，才能閉合繼電器。當(dāng)復(fù)合開關(guān)接收到切斷命令后，繼電器立即斷開，經(jīng)過一段時間可控硅觸發(fā)信號消失，據(jù)可控硅關(guān)斷特性，只有當(dāng)通過可控硅陽極電流過零時，才能自然關(guān)斷。
3基于PIC16C61的復(fù)合開關(guān) 復(fù)合開關(guān)的工作原理完全可以用分立元件來實(shí)現(xiàn)，其中的時序配合關(guān)系可以用電阻電容的 延時電路完成其功能。但是，由于分立元件的參數(shù)分散性以及可靠性差將會影響整個復(fù)合開關(guān)長期正常的工作，因此，通過方案比較，采用了PIC16C61單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)復(fù)合開關(guān)的邏輯及控制時序。如圖2所示。
圖2中，合閘、分閘信號輸入到單片機(jī)的RB1，RB0接收過零信號，只有當(dāng)合閘指令有效時，在過零時刻，通過“過零處理”程序，RA1就輸出可控硅觸發(fā)信號，使可控硅導(dǎo)通。延時二個周期(40 ms)后，即通過“低高電平延時”程序處理，RA2輸出閉合信號有效，繼電器閉合導(dǎo)通，完成了復(fù)合開關(guān)一次合閘的動作;當(dāng)分閘信號有效時，單片機(jī)RA2輸出斷開信號使繼電器立刻分?jǐn)啵瑯友訒r二個周期(40 ms)后，通過“高低電平延時”程序處理，RA1輸出低電平信號，使可控硅關(guān)斷，完成了一次分閘動作。
以上是單相復(fù)合開關(guān)的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)情況。對于三相復(fù)合開關(guān)：為了分析方便起見，假設(shè)開 關(guān)閉合的順序?yàn)锳→B→C，如圖3所示。當(dāng)合閘指令有效時，由于此時B，C相的K2，K3斷開，A相可控硅可以立刻施以導(dǎo)通信號而不需要檢測電壓過零點(diǎn)，接著檢測B相的K2開關(guān)兩端的電壓過零點(diǎn)，在過零時刻，使B相的可控硅導(dǎo)通;然后檢測C相的K3開關(guān)兩端的過零點(diǎn)，在過零時刻，使C相的可控硅導(dǎo)通;最后，延時二個周期(40 ms)后，即通過“低高電平延時”程序處理，輸出繼電器的閉合信號，繼電器閉合導(dǎo)通，完成了復(fù)合開關(guān)一次合閘的動作。三相復(fù)合開關(guān)的分閘過程與單相復(fù)合開關(guān)類似，當(dāng)所有的繼電器斷開并延時二個周期(40 ms)后，通過“高低電平延時”程序處理，使可控硅關(guān)斷，完成了一次分閘動作。
由上述可知：三相復(fù)合開關(guān)用PIC16C61實(shí)現(xiàn)時，增加一個過零輸入信號、2個可控硅控制信號和2個繼電器控制信號即可。整個動作過程由軟件實(shí)現(xiàn)。
4復(fù)合開關(guān)在無功補(bǔ)償中的應(yīng)用例子
某廠配電房低壓總電流為600 A，有功功率350 kW，電壓0.4 kV，要求功率因數(shù)提高到0.95~0.99，那么其視在功率：
5實(shí)驗(yàn)結(jié)果
(1)開通時間。
(2)關(guān)斷時間。
(3)控制電路功耗。
(4)開關(guān)接觸電阻≤0.02歐姆。
(5)開關(guān)在額定電流負(fù)載下溫升≤25℃。
(6)系統(tǒng)電壓處于額定電壓的±20%范圍內(nèi)，開關(guān)能正常工作;若系統(tǒng)電壓超過額定電壓 的±20%時，開關(guān)強(qiáng)行跳閘。
(7)開關(guān)投入時涌流不大于2倍電容器額定電流。
(8)在電容器端子間的殘余電壓不大于額定電壓的100%時可再次電壓過零投入。
(9)以動態(tài)電壓過零方式投入。
(10)缺相時開關(guān)拒合閘。
(11)正常運(yùn)行時，出現(xiàn)缺相自動跳閘，響應(yīng)時間≤0.2 s。
(12)系統(tǒng)停電時，開關(guān)自動跳閘響應(yīng)時間≤0.2 s。
(13)開關(guān)工作電源異常時，開關(guān)自動跳閘。
(14)采用LED指示，指示項(xiàng)目有：開關(guān)合閘位置指示;開關(guān)跳閘位置指示;缺相故障指示;系統(tǒng)電壓異常指示。
6結(jié)語
復(fù)合開關(guān)工作時損耗小，不增加電網(wǎng)諧波。并且使用復(fù)合開關(guān)可以增加投切電容器組數(shù)，提高功率因數(shù)的步級精度，提高電網(wǎng)質(zhì)量。具有功能齊全，保護(hù)完備，不需外加電源，使用方便的特點(diǎn)。
由于采用了復(fù)合開關(guān)，投切時的浪涌電流小，無觸點(diǎn)粘住之虞，可以較頻繁地投、切，因此，可以增加投切電容器的組數(shù)以提高補(bǔ)償精度。在實(shí)際應(yīng)用中用了12組15 kVA的電容柜，通過控制器精確控制投切，可使功率因數(shù)保持在0.96~0.99之間。也就是說，使用復(fù)合開關(guān)不僅僅提高了可靠性，還提高了電能質(zhì)量。
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