機電一體開關(guān)低壓無功補償裝置的開發(fā)和應用

1、機電一體開關(guān)低壓無功補償裝置的開發(fā)和應用劉連光1，林 峰2，姚寶琪21.華北電力大學（北京）電力系； 2.北京電聯(lián)力光電氣有限公司 摘 要 針對接觸器投切電容器和晶閘管投切電容器無功補償裝置應用中存在的問題，開發(fā)、研制了一種基于機電一體開關(guān)投切電容器的低壓無功補償裝置。近千余臺裝置經(jīng)過近一年多時間的現(xiàn)場運行、試驗表明，這種無功補償裝置運行可靠性高、性能穩(wěn)定，能滿足絕大多數(shù)場合的應用需要。本文主要對裝置機電一體開關(guān)的組成原理、電路結(jié)構(gòu)和裝置的整體性能等進行詳細描述。關(guān)鍵詞 無功補償；電容器投切；機電一體開關(guān)；晶閘管開關(guān)1 概述用接觸器投切無功補償電容器，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，不僅會對電網(wǎng)造成干擾

2、，而且影響電容器使用壽命，另外，電容器從電網(wǎng)切除時產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，經(jīng)常導致接觸器觸頭燒損，影響無功補償裝置的正常運行。近些年，廣泛采用的晶閘管投切電容器（TSC）無功補償裝置，很好地解決了接觸器投切電容器裝置的問題，但TSC裝置最明顯的缺點是晶閘管元件有較大電壓降，不僅存在一定的功率損耗，也需要采用風扇和散熱器來解決裝置的通風與散熱問題，而風扇停運會影響裝置的正常運行，因此風扇這種旋轉(zhuǎn)設(shè)備的使用，降低了TSC無功補償裝置的可靠性。隨著人們對配電網(wǎng)降損問題重視程度增加，低壓無功補償技術(shù)開始在配電系統(tǒng)普及應用。從靜態(tài)補償?shù)絼討B(tài)補償，從有觸點補償?shù)綗o觸點補償，都取得了豐富的運行經(jīng)驗。大量的裝置運行事例

3、和經(jīng)驗表明，對于配電網(wǎng)大量使用的低壓無功補償裝置，由于安裝地點分散、數(shù)量大，運行和維護不方便、工作量大，因此在無功補償裝置的開發(fā)、研制中，裝置可靠性是最重要和迫切需要解決的問題。結(jié)合無功補償裝置應用中暴露出的問題，北京電聯(lián)力光公司與華北電力大學（北京）合作，開發(fā)、研制了基于機電一體開關(guān)投切電容器的低壓無功補償裝置。近千臺裝置經(jīng)過近一年時間的現(xiàn)場運行、試驗表明，機電一體開關(guān)投切的無功補償裝置運行可靠性高、性能穩(wěn)定，能滿足絕大多數(shù)場合的應用需要。本文主要對這種裝置的動作原理、電路結(jié)構(gòu)、主要性能等進行介紹。2 機電一體開關(guān)的組成和原理頁碼: 1機電一體開關(guān)由無功補償裝置控制器控制，控制器的每路輸出采

4、用12V直流電壓方式輸出。機電一體開關(guān)由機電一體開關(guān)控制單元和交流接觸器KM組成，交流接觸器KM受機電一體開關(guān)控制單元控制，整個機電一體開關(guān)電路的組成和結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 機電一體開關(guān)的組成框圖 Fig.1 The sketch of mechatronic switch機電一體開關(guān)控制單元是機電一體開關(guān)的核心部分，由正反向并聯(lián)晶閘管開關(guān)、阻容能量吸收元件和機電一體開關(guān)控制電路組成，這些元器件和電路板裝在一個殼體內(nèi)，組成一個整體，稱之為機電一體開關(guān)控制單元，機電一體開關(guān)控制單元控制板的電路組成如圖2所示。機電一體開關(guān)控制單元接收到控制器的投切命令，12 V直流電壓信號經(jīng)光電耦合器送到單片機進

5、行處理，單片機的輸出信號經(jīng)過功率放大電路和隔離電路，才能去觸發(fā)相應的晶閘管和繼電器。圖2 機電一體開關(guān)控制單元控制板的電路組成Fig.2 The circuit of mechatronic switch control board機電一體開關(guān)控制單元單片機按照電容器投入時，晶閘管開關(guān)先通，然后接觸器接通，再斷開晶閘管開關(guān)；電容器切除時，晶閘管開關(guān)先通，然后接觸器斷開，再斷開晶閘管開關(guān)的動作時序，經(jīng)光電耦合器和功率放大電路實現(xiàn)對機電一體開關(guān)的控制。從而使得機電一體開關(guān)在接通和斷開的過程中，具有晶閘管開關(guān)過零投切的優(yōu)點；而在正常接通期間又具有接觸器無功耗的優(yōu)點。機電一體開關(guān)控制單元單片機發(fā)出的控

6、制信號時序如圖3所示。圖3 機電一體開關(guān)控制單元單片機輸入、輸出控制時序圖Fig.3 SCMs output and input time sequence diagram of mechatronic switch圖2中的機電一體開關(guān)控制單元采用兩只正反向并聯(lián)晶閘管，沒有用B相晶閘管開關(guān)。因此，在實際應用中，可采用只控制A、C兩相的接線方式，電容器采用三角形接線三相電容器。這種接線方式對每個機電一體開關(guān)來說，不僅可少用一只價格昂貴的正反向并聯(lián)晶閘管，又可采用最普通的三相電容器組；因此不僅可以降低機電一體開關(guān)的造價，而且用三相電容器組也有利于減小整個無功補償裝置的體積，使得這種接線方式成為最經(jīng)

7、濟、可行的接線方案。3 主電路設(shè)備選擇和分析計算低壓無功補償裝置主要用于10KV線路的配電變壓器低壓側(cè)，補償公用變、專用變低壓用戶設(shè)備運行中需要的無功功率。這些公用變、專用變的容量一般在500KVA以下，設(shè)計有30KVAR、45KVAR、60KVAR和90KVAR四種標準無功補償裝置供用戶選用，非標準容量的無功補償裝置特殊制造。對四種標準容量的無功補償裝置，大容量的裝置按4-2-1分組組合，可對無功功率實現(xiàn)7級階梯式調(diào)節(jié)；小容量的裝置可采用2-1分組組合和固定補償加2-1分組組合的調(diào)節(jié)方式。圖4給出的是總?cè)萘繛?0KVAR無功補償裝置，采用的是固定補償加2-1分組組合的調(diào)節(jié)方式。其中，固定補償

8、容量為15KVAR，采用BSMJ0.4-15-3型電容器；單元1的補償容量也是15KVAR，電容器型號與固定補償電容器相同；單元2的補償容量為30KVAR，用BSMJ0.4-30-3型電容器。補償裝置分組容量和接線確定之后，依據(jù)各回路中的額定電流，主電路設(shè)備不難選擇和確定，主電路設(shè)備、元件選擇的原則是保證補償裝置能可靠工作。對本例補償裝置的主開關(guān)為DZ20J-200型125A的空氣斷路器；與單元1和單元2配合的交流接觸器，分別為CJ20-40和CJ20-63型接觸器；裝置熔斷器、避雷器、導體等器件的正確選擇，都是保證裝置可靠工作的前提。圖4 60KVAR無功補償裝置主電路接線圖Fig.4 Ma

9、in circuit diagram of 60KVAR compensation device本例機電一體開關(guān)控制單元無功補償裝置，電容器組采用A、C兩相控制的三角形接線方式，機電一體開關(guān)單元的晶閘管元件總是在電流過零時斷開，所以斷開電容器上的電壓常處于最大值（或正或負），由于電容器內(nèi)部裝設(shè)的放電電阻自放電現(xiàn)象，電容器上的電壓會逐漸降低。因此，在晶閘管重新投入時，需要考慮電容器上的剩余電壓，當系統(tǒng)電壓和電容器殘壓相等時，就是晶閘管開關(guān)投入的觸發(fā)點。否則由于電容器兩端的電壓不能突變，在系統(tǒng)電壓和電容器殘壓差值較大時觸發(fā)晶閘管會產(chǎn)生很大的沖擊電流（這種現(xiàn)象在有觸點開關(guān)投切電容器中是不可避免的），

10、這一沖擊會直接損壞晶閘管。晶閘管投入時的電流沖擊主要體現(xiàn)在電流變化率和沖擊電流最大值上，依投入回路有 （1）式中L為回路的等值電感；Us(t)為晶閘管觸發(fā)時的系統(tǒng)電壓；Uc(t)為晶閘管觸發(fā)時的電容電壓。通?；芈分械牡戎惦姼蠰很小，即使考慮為限制諧波電流而串聯(lián)的電抗器，回路的等值電感值也不是很大。因此，由上式可知，在電壓差較大時觸發(fā)晶閘管產(chǎn)生的電流變化率di/dt就很大，最嚴重的情況是在Us(t)與Uc(t) 差值出現(xiàn)最大值時刻觸發(fā)晶閘管，產(chǎn)生的沖擊電流非常危險。以本例單元2為例，補償容量QC=30KVAR，設(shè)配變?nèi)萘縎=315KVA，變壓器短路電壓百分值UK=7%，系統(tǒng)線電壓U=400V，則

11、可求得補償電容C、回路等值電感L和沖擊電流周期T分別為：；一般當t=T/4=235.5µs時，沖擊電流達到最大值Im，這時回路等值電感上的電壓為零，假設(shè)交流電壓在這樣短的時間內(nèi)不變，則晶閘管兩端最大電壓差Um=Us(t)-Uc(t)=1131V，因此有 （2）由上式可求：可見，忽略系統(tǒng)電阻，在最大電壓差時觸發(fā)晶閘管開關(guān)，最大沖擊電流可達1501A。按照正常負載電流2.5倍選擇本例晶閘管電流應為108A，雖然晶閘管具有短時承受8-10倍過電流的能力，但也難以承受這樣大的過電流。增加串聯(lián)電抗器可以降低沖擊電流，或者選擇大容量的晶閘管，但都需要增加補償裝置的投資，因此只有在控制上采用電壓過

12、零觸發(fā)來解決問題。4 晶閘管電壓過零觸發(fā)和電容器投、切控制策略在機電一體開關(guān)控制單元的控制板上，設(shè)計有一種晶閘管電壓過零觸發(fā)電路，給出的C相電壓過零觸發(fā)電路原理示意圖如圖5所示。來自補償裝置控制器的投切信號，經(jīng)光電耦合器送PIC16C54單片機進行處理，給出對應圖3所示的時序控制信號，經(jīng)功率放大送MOC3083光電耦合器。晶閘管無觸點開關(guān)兩端電壓經(jīng)電阻降壓也送MOC3083光電耦合器，當系統(tǒng)電壓Us(t)與電容器殘壓Uc(t)相等時晶閘管兩端電壓為零，這時光電耦合器可輸出觸發(fā)信號，觸發(fā)對應的晶閘管導通，晶閘管一經(jīng)觸發(fā)就保持導通，電容器便投入運行。晶閘管導通后兩端電壓接近為零，只要單片機輸出的投

13、入信號存在，光電耦合器就一直有觸發(fā)信號輸出，保證了晶閘管可靠導通。當單片機輸出的投入信號撤消時，便停發(fā)觸發(fā)信號，晶閘管則在電流過零時關(guān)斷，直到單片機下次發(fā)出投入指令才選擇電壓過零點重新投入。圖5 C相晶閘管電壓過零觸發(fā)電路原理示意圖Fig.5 Principle diagram of C phase thyristor zero-voltage trigger circuit整個無功補償裝置的分組投切控制和對配電變系統(tǒng)的監(jiān)測，都由安裝在補償裝置箱體內(nèi)的控制器來實現(xiàn)，控制器是保證整個裝置正確、可靠運行的核心和關(guān)鍵。根據(jù)原電力部的標準1，無功補償控制器控制電容器組的投、切依據(jù)，可以是某單一物理量，

14、也可以是依據(jù)多個物理量。近年，由于對控制和監(jiān)測功能要求的提高，以及在算法上計算電網(wǎng)的有功功率P和無功功率Q及其符號不難獲得，所以依據(jù)單一物理量進行無功控制的方法已經(jīng)很少見了。本文基于機電一體開關(guān)的無功補償裝置，采用以電網(wǎng)無功功率Q為基本量，以電網(wǎng)電壓高低為參考量的復合控制方法?；究刂撇呗匀缦拢寒旊娋W(wǎng)電壓U低于欠電壓門限UL時，電容器組快速切除。這主要是考慮到電網(wǎng)電壓過低，這一控制原則也包括缺相和控制器允許正常工作的電壓范圍。當電網(wǎng)電壓U高于過電壓門限UH時，電容器組快速切除。這主要是避免電容器組在過高電壓下工作，引起電容器組過熱和絕緣老化損壞。當電網(wǎng)電壓U高于欠電壓門限UL，但低于低電壓上限

15、ULM時，表明上級電網(wǎng)的無功缺乏，可采取缺無功則投，少量過補不切的控制策略。當電網(wǎng)電壓U低于過電壓門限UH，但高于高電壓下限UHM時，表明上級電網(wǎng)不缺無功，可采取少量缺無功不投，過補則切的控制策略。當電網(wǎng)電壓U低于高電壓下限UHM，而高于低電壓上限ULM時，缺無功則投，過補則切。實際電網(wǎng)的情況比較復雜，實際應用中可能有特殊情況需要處理，因此在控制器程序設(shè)計中，應盡可能按照標準做到各種電壓控制門限、無功功率控制門限和投切動作延時時間等定值可調(diào)。在電容器補償裝置的投切時間間隔控制上，原電力部標準規(guī)定：電容器組投切應滿足投切動作時間間隔大于300s1。這主要是從機械觸電開關(guān)控制出發(fā)和考慮電容器組放電

16、時間、運行時投切的隨機性和循環(huán)投切等要求。對本文機電一體開關(guān)的無功補償裝置，經(jīng)試驗投切時間間隔可控制在幾秒鐘以內(nèi)，裝置的投切速度（響應速度）在0.2秒鐘以內(nèi)。但需要說明的是對一般供電系統(tǒng)，投切電容器無功補償裝置應以降低系統(tǒng)網(wǎng)損、提高配電變的利用率、改善電網(wǎng)電壓合格率為主要目標，為保證和提高電容器的使用壽命，電容器投切時間間隔不宜過快。另外，控制器初次上電后也需要100s200s的延時才能進行控制，這種處理對保證裝置和電容器的安全、可靠運行是必要的。對于無功補償控制器的設(shè)計，在控制方法、策略、功能等方面需要考慮的問題很多，由于本文重點在于介紹機電一體開關(guān)單元和整體裝置的開發(fā)、研制，限于篇幅對控制

17、器監(jiān)測、通信、保護等功能的實現(xiàn)，以及控制器軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計等問題本文不再詳細介紹。5 機電一體開關(guān)無功補償裝置的試驗和應用機電一體開關(guān)投切電容器無功補償裝置，投切開關(guān)接通后基本無功耗、不發(fā)熱，不需要加裝體積較大的散熱器和冷卻風扇；在開關(guān)接通和斷開的瞬間具有晶閘管開關(guān)的優(yōu)點，而在正常接通期間又具有接觸器無功耗的優(yōu)點；可有效地降低裝置故障率，提高裝置的可靠性和使用壽命。為驗證機電一體開關(guān)的的可靠性和使用壽命，裝置開發(fā)完成之后進行過長期的額定條件下的投切試驗。試驗方法是用一組容量為30KVAR的裝置，采用時間繼電器來控制裝置進行投切試驗，實驗中時間繼電器整定時間間隔為15秒鐘投、切一次，該試驗進行了

18、三個多月時間，共計完成了30多萬次的機電一體開關(guān)帶負荷投、切試驗，機電一體開關(guān)在試驗中沒發(fā)現(xiàn)任何問題。另外，在開發(fā)完成后的一年多時間里，已經(jīng)交付用戶使用的機電一體開關(guān)無功補償裝置有1000多臺，用戶使用也沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。一年多的實際應用表明，機電一體開關(guān)投切電容器無功補償裝置與晶閘管投切電容器無功補償裝置相比，故障率低，可靠性和使用壽命高。用于配電臺變的無功補償裝置，由于安裝地點分散、數(shù)量大，運行和維護工作量大，對裝置的可靠性要求高，因此機電一體開關(guān)無功補償裝置是配電臺變無功補償?shù)淖罴堰x擇。參考文獻1 DL/T.597-1996，低壓無功補償控制器訂貨技術(shù)條件S，北京，1996DL/T.59

19、7-1996，LV reactive power compensation controller contract technic condition,Beijing,19962 石新春，楊梅玲等，一種采用零壓型開關(guān)的TSC低壓無功補償裝置J，電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（12）：41-44SHI Xin-chun,YANG Mei-ling, A new TSC reactive power compensation device adopting zero-voltageSwitch technology, Power System Technology, 2000，24（12）：41-443

20、 李曉明，劉會金等，低壓配電網(wǎng)動態(tài)無功補償裝置的研制J，武漢水利電力大學學報，1998，31（5）：40-43LI Xiao-ming,LIU Hui-jin, Development of dynamic reactive power compensation facility for low Voltage network, J. Wuhan Univ. of Hydr. & Elec. Eng., 1998，31（5）：40-43作者簡介：劉連光(1954-)，男，吉林汪請人，華北電力大學（北京）電力自動化技術(shù)研究所所長助理，從事供配電系統(tǒng)自動化、電能質(zhì)量監(jiān)測與控制方面的教學和科

21、研工作。北京德外朱辛莊華北電力大學，102206；E-mail：llguang林 峰(1954-)，男，福建霞浦人，北京電聯(lián)力光電氣有限公司總經(jīng)理，從事供配電系統(tǒng)自動化等方面的科技開發(fā)工作。北京市海淀區(qū)上地國際科技創(chuàng)業(yè)園103號樓16層B，100085；E-mail：bjdllgMechatronic Switch LV Reactive Power Compensation Device'sDevelopment and Its ApplicationLIU Lian-guang,LIN Feng,YAO Bao-qi(1. Dep.of Electrical Engineering, North China Electric Power University,Beijing,102206;2. Beijing Dianlian-liguang