CN102593847A

CN102593847A - 基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置

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Publication number: CN102593847A
Application number: CN2012100662794A
Authority: CN
Inventors: 杨建宁
Original assignee: BEIJING XINRONGZONGHENG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: BEIJING XINRONGZONGHENG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: CN102593847B

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，其特征为：三极同步开关K1的主触点的输入端分别与三相电网电压U、V、W连接，三极同步开关K1的主触点的输出端分别与电容器组连接，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。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***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，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。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。

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，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。

本发明为一种基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置。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，仅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，在预定的电网电压的相位角投切该三极同步开关来实现无功补偿。在两只预充电电路中，二极管的极性连接结构与专利文件“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：CN 201378738Y)不同。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：

三极同步开关K1的主触点的输入端分别与三相电网电压U、V、W相连接，三极同步开关K1的主触点的输出端分别与电容器组连接，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。

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；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。

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、预充电电路2的主触点所对应的电网线电压的电压峰值点且该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相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。

依据电工原理关于星形电路和三角形电路等效变换的原理，所述电容器组由连接成星形电路形式或者三角形电路形式的电抗器L和电容器C组成，投切效果不变。

依据电工原理串联电路的元件前后位置可以变化的原理，三极同步开关K1与电容器组的位置可以互换，电容器组连接为星形电路形式，三极同步开关K1的三个主触点的输入端均连接在电容器组的零点处，三极同步开关K1的其中两个主触点的输入端之间并联连接着预充电电路3，相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，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。

预充电电路3由串联连接的二极管D1与电阻器R1组成。

所述预定的电网电压的相位角选择为：在预充电电路3的两端所对应的电网线电压的电压峰值点且该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相电压的电压值过零点，同时接通、同时关断三极同步开关K1的三个主触点。

依据电工原理关于星形电路和三角形电路等效变换的原理，所述三极同步开关K1的三个主触点连接成三角形电路或者星形电路形式，投切效果不变。

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。

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。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。

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一个实施例的电路图，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：根据本发明的基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置的另一实施例的电路图，其中电容器组连接成三角形电路形式；

图6：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再一实施例的电路图，三极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三角形形式；

图7：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又一实施例的电路图，三极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。

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，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分别与电容器组连接，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，另一主触点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U_UV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。

三极同步开关K1的主触点K1A的两端并联连接着由高压硅堆二极管D1与高压限流电阻器R1组成的串联预充电电路1，高压硅堆二极管D1的阴极连接到电网电压的U相；三极同步开关K1的主触点K1B的两端并联连接着由高压硅堆二极管D2与高压限流电阻器R2组成的串联预充电电路2，高压硅堆二极管D2的阳极连接到电网电压的V相，电网线电压U_UV通过串联预充电电路1和串联预充电电路2对电容器C1和电容器C2预充电。

相位控制装置由电网电压同步检测器4、相位控制器5和K1线圈驱动器6组成。相位控制装置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，所以不赘述。相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，在三极同步开关K1的主触点K1C上的电压等于零，主触点K1A、主触点K1B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。即当接到投切命令S1闭合指令时，电网电压同步检测器4、相位控制器5和K1线圈驱动器6工作，驱动K1线圈，在电网线电压U_UV的负峰值点，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4、相位控制器5和K1线圈驱动器6工作，驱动K1线圈，在电网线电压U_UV的负峰值点，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4、相位控制器5和K1线圈驱动器6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。

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相电压的峰值，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。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电网电压10KV电流200A时，三极同步开关K1采用普通三极永磁接触器，型号例如CKG4-250/12-DY(三极)，二极管D1、D2为高压硅堆二极管，二极管D1、D2电压为60KV，电流1A，与高压硅堆二极管D1、D2串联的高压限流电阻器R1、R2为12KV，10K欧姆，500W的高压电阻。

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。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。

由高压硅堆二极管D1与高压限流电阻器R1组成的串联预充电电路1和由高压硅堆二极管D2与高压限流电阻器R2组成的串联预充电电路2可以并联连接在三极同步开关K1主触点的任意两极上，还可以互换串联预充电电路1和串联预充电电路2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。图5示出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另一实施例的电路图，其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以及星形电路和三角形电路等效变换的原理，本发明还提出图6、图7所示结构的智能型无功补偿装置。如图6所示，电容器组为星形连接，三极同步开关K1的主触点K1A、K1B、K1C的输入端X1、X3、X5均连接到星形连接的电容器组的零点处。三极同步开关K1的主触点K1A、K1B、K1C连接成三角形电路。在这种电路结构中，三极同步开关K1的主触点K1A的输入端X1和主触点K1B的输入端X3之间并联连接着预充电电路3，预充电电路3由串联连接的二极管D1与电阻器R1组成，二极管D1的阳极连接到电容器C2上，投切效果不变。图7所示电路与图6的不同之处仅在于三极同步开关的三个主触点K1A、K1B、K1C连接成星形形式。

相位控制装置在预充电电路3的两端所对应的电网线电压U_UV的电压峰值点且主触点K1A和K1B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K1C所对应的电网相电压的电压值过零点，同时接通、同时关断三极同步开关K1的三个主触点。

应注意的是，尽管图6和图7显示的预充电电路3并联在主触点K1A的输入端X1和主触点K1B的输入端X3之间，不过其也可并联连接在三个主触点中任意两个主触点的输入端之间，只需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。

本发明的特定实施例已对本发明的内容作出了详尽的说明，对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims

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：三极同步开关(K1)的主触点的输入端分别与三相电网电压连接，三极同步开关(K1)的主触点的输出端分别与电容器组连接，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。

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：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；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。

3.根据权利要求1所述的智能型无功补偿装置，其特征在于：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)的主触点所对应的电网线电压的电压峰值点且该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相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。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的智能型无功补偿装置，其特征在于：所述电容器组由连接成星形电路形式或者三角形电路形式的电抗器和电容器组成。

6.一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：电容器组连接为星形电路形式，三极同步开关(K1)的三个主触点的输入端均连接在电容器组的零点处，三极同步开关(K1)的其中两个主触点的输入端之间并联连接着预充电电路(3)，相位控制装置按照预定的电网电压的相位角，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。

7.根据权利要求6所述的智能型无功补偿装置，其特征在于：所述预充电电路(3)由串联连接的二极管(D1)与电阻器(R1)组成。

8.根据权利要求6所述的智能型无功补偿装置，其特征在于：所述预定的电网电压的相位角选择为：在所述预充电电路(3)的两端所对应的电网线电压的电压峰值点且该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相电压的电压值过零点，同时接通、同时关断三极同步开关(K1)的三个主触点。

9.根据权利要求6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)的三个主触点连接成三角形电路或者星形电路形式。

10.根据权利要求6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。