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新一代電容器投切器件--復合開關及無功補償方案
摘要：綜合國內低壓并聯電容器補償裝置的動態，對此類裝置的發展趨勢進行了分析，指出當今新一代的補償裝置將向主要采用智能式復合開關來投切電容器的方向發展，本文對智能式復合開關及補償成套裝置的性能、結構作了介紹。
在低壓配電系統中，由于配電變壓器、低壓用電設備等無功負荷的大量存在，造成了網絡損耗的增大，電壓質量的下降，從而嚴重影響了低壓電網安全可靠的運行。隨著供電部門對配電建設的重視和無功補償技術的發展，以及日前電力緊缺，使低壓無功補償技術在配電系統中的應用越來越廣泛，并在近幾年的兩網改造中，被作為是一種降損調壓的有效措施。因此低壓并聯電容器補償裝置得到了廣泛使用，補償裝置安裝于配變二次側，采用自動投切并聯電容器組，以期改善功率因素，達到無功就地平衡，它在補償電網所需無功、降損節能、提高電壓質量、增加電網輸送能力和電氣設備利用率等方面，取得了明顯的經濟效益。
目前在市場上不同類型和不同型號的低壓并聯電容器裝置成套產品已達數百種之多，其投切方式也是多種多樣，目前國內市場上的裝置所采用的投切器件可分為三類：機械式接觸器、無觸點晶閘管(即固態繼電器)和電子復合開關。
早期的裝置多采用接觸器來投切電容器組，但由于此類產品在投入過程中，電容器組的初始電壓為零，而在合閘瞬間，電網電壓又往往不為零，使加在電容器組兩端的電壓突然升高，而產生一個很大的電流，即是我們常說的合閘涌流，這種情況在背靠背投入時會更嚴重，甚至可能達到額定電流的幾十倍，不僅對電網造成沖擊，而且影響電容器的使用壽命，后來出現了于電容器組的接觸器，通過加入限流電阻來抑制涌流，試驗證明，以此類接觸器投切電容器組，涌流一般能控制在額定電流的20倍以內。接觸器在切出時，不一定是在電流過零時關斷，會產生拉弧，會導致交流接觸器觸頭逐漸損壞。從長期運行情況來看，由于涌流及拉弧致使交流接觸器觸頭燒毀或粘結，始終是影響此類裝置使用壽命的根本原因。而其優點是在接觸后，無壓降，因而無損耗。
晶閘管投切電容器的技術在無功補償方面的應用特點是：在檢測到電網電壓過零時，控制大功率可控硅觸發導通，電容器上電壓緩慢上升而無合閘涌流沖擊；在切出時，利用可控硅的電流過零自動關斷特性，使在電流過零時自動關斷，不會產生拉弧。從而根本上解決了電力電容器投切時交流接觸器經常繞結而損壞的不良情況。但在實際運行中，無觸點開頭也暴露出不足，一是由于可控硅導通后，存在0.7V的結壓降，因而會產生諧波電流，影響電容器的正常運行；二是可控硅的大功耗特性使其在長期運行中，會產生較大的熱量，從而引起過高的溫升，影響它正常工作，就要求在裝置內安裝散熱風扇，但由于風扇的壽命有限，使其沒有發揮應有的作用。三是功耗大，在電網中減少損耗的同時，亦增加了損耗。
從上面分析知：交流接觸器與晶閘管投切電容器進行無功補償的優缺點適好相反。
近年來浙江大榮電氣有限公司總結了機械式接觸器開關和無觸點晶閘管開關各自的特點及弊端，并結合多年的開發和實際運行經驗，開發出新一代開關器件----接觸器和可控硅并聯工作的開關，也就是復合開關，其工作原理是：將可控硅開關與磁保持繼電器并接，實現電壓過零導通和電流過零切斷，使復合開關在接通和斷開的瞬間具有可控硅開關的優點，而在正常接通期間又具有接觸器開關無功耗的優點，其實現方法是：投入時是在電壓過零瞬間可控硅先過零觸發，穩定后再將磁保持繼電器吸合導通；而切出時是先將磁保持繼電器斷開，可控硅投入，再延時過零斷開，從而實現電流過零切除。
大榮公司出品的復合開關采用單片機控制投切并智能監控可控硅、磁保持繼電器以及輸入電源和負載的運行狀況，從而具備完善的保護功能：
電壓故障缺相保護：系統電壓缺相供電時，開關拒絕閉合；接通后若出現缺相則自動退投。
電源電壓缺相保護：工作電源缺相供電時，開關拒絕閉合；接通后若出現缺相則自動退投。
自診斷故障保護：系統自動監控可控硅、磁保持繼電器的運行狀態，若其出現故障，則拒絕閉合或自動退投斷開。
空載保護：未接負載時開關拒絕閉合；
停電保護：接通后遇突然停電時，自動跳閘斷開；
由于導通瞬間是由可控硅過零觸發，延時后由繼電器吸合、導通，而繼電器吸合導通就不會產生諧波；并且由于采用了磁保持繼電器，控制裝置只在投切動作瞬間耗電，平時不耗電；由于磁保持繼電器的接觸電阻小，因而不發熱，這樣就不用外加散熱片或風扇，降低了成本。*避免了可控硅的燒毀現象，同時也對同機運行的其它電器不造成危害，真正達到了節能降耗的目的，是一個綠色電力產品。
復合開關有三相共補型和三相分補型，分相補償對于居民用電網的無功補償能夠發揮很大的作用。因為目前居民用電消費不斷增長，大量的家用電器的使用，特別家用空調機、節能的日光燈等低功率因素的單相電器的使用，使三相耗電不平衡，也就是三相負荷不對稱，造成三相所需的無功補償也不相同，如果還用三相共補型補償裝置，就會使某相補償合適而其他相過補或欠補，對電容器及整個系統的安全運行會產生不利的影響，這是我們不希望的，現在有了三相分補型復合開關，配合相應的無功補償控制器（要求有三相電壓和三相電流取樣的控制器）及“星形接法中性點引出”式電容器或單相電力電容器，就能將三相不對稱負荷的功率因素（或無功功率）補償到基本一致，很好的解決這個問題，這也是復合開關的一亮點。
復合開關具有本身基本不發熱及分相補償的特點，使使用復合開關的無功補償裝置的結構可以很緊湊，使其體積能實現小型化，更適合于柱上型裝置和結構非常緊湊的箱式變電站。
相對于早期的低壓無功補償裝置
多采用功率因素作為控制物理量的傳統控制方式，它存在的zui大不足之處是：控制不夠，尤其在電網負荷較輕時，極可能發生不投則欠補償，投了又過補償這樣的投切振蕩現象，使電網處于欠補或過補狀態，不但會對電容器造成損壞，而且導致供電網絡振蕩，但由于此方式簡單，較易實現，且價格較低，因此至今仍有一定的市場。
基于功率因素型控制器的缺陷，一種采取無功功率（無功電流）和功率因素相結合的控制方式，能根據安裝的電容器單組容量來整定投入門限，如功率因素超前即切除電容器組，真正做到缺多少，補多少，控制更準確，補償更為合理，充分發揮裝置的補償作用。此類產品一般采樣三相電壓、三相電流，通過電壓波形由正趨負過零點時，測量電流的瞬時值方式，并利用傅立葉變換，計算有功功率、無功電流（無功功率）等參數，正由于采用了傅立葉變換，此類控制器一般能檢測電網的2-13次諧波，計算各次電壓、電流諧波的含量及總的畸變率，所以控制器就能提供諧波保護功能。如今越來越多的電力電子產品的使用，控制器設置諧波保護功能有積極的作用，也是必然的趨勢，電力行業標準《低壓并聯電容器裝置使用技術條件》DL/T842-2003中要求裝置應具有電流或電壓諧波*保護功能。
居民生活用電，在以前僅僅是指照明用電，而且照明燈具基本上都是白熾燈，功率因數接近1。由于居民生活用電量很小，可以不考慮功率因數獎懲。但自改革開放以來，在照明用電上推廣熒光燈和節能燈，這些燈具的功率因數僅0.6；特別嚴重的是家用電器迅速普及，絕大多數家用電器的功率因數一般在0.7左右；只有電熱水器屬于電阻負荷，功率因數比較高。節能燈雖然可以節約有功電力和電量，但節能燈消耗了大量無功電力和無功電量，在推廣節能燈時，只講節約有功，不講多消耗無功，不采取補償措施是不妥當的。由于居民生活用電中大量使用家用器，用電量的比重急劇增長，僅居民生活用電占總用電量的比重已經達到12％，如果包括商業、賓館、寫字樓等樓宇用電，估計用電比重可達30％左右。這么大的用電量的功率因數嚴重偏低，對電力部門的經濟發供電的影響是很大的。我國目前農村居民的家用電器的普及率還不高，隨著農村電氣化水平的提高，居民生活和樓宇的用電量還會有很大提高。世界上工業發達國家居民生活用電的比重可達30％-40％，加上樓宇用電可以超過50％，所以目前居民用電的公共網絡的無功補償的建設應該得重視。浙江大榮電氣有限公司結合以上的因素和本公司的科技成果，成功開發研制了符合電力行業標準《低壓并聯電容器裝置使用技術條件》DL/T842-2003的DJ型低壓無功補償裝置，由于使用了本公司的復合開關，使用裝置具有體積小、重量輕、工作可靠等等很多優點，如果搭配電網監測功能，配合通訊接口它就是供電企業的降損降耗、提高供電質量、考核臺區工作的好幫手。
關于無功補償裝置的補償方案，在居民用電中以單相負荷為主，由于各相負載的使用時間不同，造成了三相負荷不平衡，因此采用三相共補的方式，極有可能會導致某兩相補償不當的現象，為了解決上面的這種情況，我們的方案是采用分相補償或三相共補與分相補償相結合的方式，這就需要上節所討論的新型無功控制器及“星形接法中性點引出”式電容器，根據電網的實際情況來配置補償裝置的共補和分補的配比或全部采用分相補償，。實際使用情況表明采用共補與分補相結合的混合補償方式，在補償效果、裝置成本等方面達到較好的性能價格比。