低压并联电容器投切开关、复合固态继电器

低压并联电容器投切开关、复合固态继电器

威海星佳电子有限公司乜连波陈义云

【摘要】本文研究了低压无功自动补偿装置常用的电容器投切开关，并对其性能、结构、体积和成本进行了比较，作者根据多年生产电容器投切开关积累的经验，提出了对于合理选择使用低压并联电容器投切开关的几点建议，以供参考。

关键词：低压无功补偿投切开关复合固态继电器

为了降低线损、提高功率因数，通常是通过低压无功自动补偿装置将低压电容器组接在配电变压器的二次侧和大功率感性负载的母线上，对变压器和感性负载自动进行无功补偿，使功率因数保持在0.9—0.95或更高，取得了较好的效果。

随着“两网改造”工作的深入开展，各种低压无功自动补偿装置的应用越来越广泛。装置中使用了交流接触器、投切专用交流接触器、可控硅功率模块、固态继电器、复合固态继电器等作为并联电容器的投切开关，由于并联电容器的投切开关对装置的性能具有决定性的影响，因而合理的选择投切开关就显得十分重要。本文就各种补偿装置中使用的这些投切开关做简单的介绍和比较，供选择时参考使用。

一、低压无功自动补偿装置中使用的投切开关

1、交流接触器和投切专用交流接触器

交流接触器是传统的低压补偿并联电容器的投切开关，优点是成本低、控制简单、使用方便，缺点是投切时会产生较大的涌流和过电压，其大小与感性负载的大小(如变压器的短路容量)、阻抗、电容器的容量，交流接触器的性能有关。切除时易产生电弧，触点易于烧毁、寿命较短，不适用于频繁投切的场合。

电容器投切专用交流接触器是为了减轻涌流对交流接触器的影响而设计的，其与普通交流接触器的不同之处是将普通接触器触点加以改善，配上抑制投切电流的电阻，采用并联开关分步投切的方法，先合上带电阻的开关再合上不带电阻的开关来减少投切过程中产生的涌流和过电压。由于其只能降低投切过程中产生的涌流和过电压，并不能从根本上解决问题，在电容器容量相对较大时，仍然会产生很大的涌流，因而其应用仍然受到一定的限制。

由于上述两种交流接触器在应用于低压并联电容器投切时存在着不可克服的涌流问题和触点的烧蚀问题，对电容器和装置的寿命有较大的影响，所以其在电容器投切领域的应用越来越少，正逐步被功率电子开关所替代。但由于其价格低廉，在某些技术要求较低、电网波形岐变严重不适于应用电力电子开关的场合仍有使用，需安排人巡查、定时更换。

2、可控硅开关、固态继电器

近年来，我国电力电子技术发展迅猛，可控硅开关、固态继电器等电力电子开关以其过“零"投切、有效阻止涌流和过电压现象产生的优良特性，越来越受到低压无功自动补偿装置生产厂商的重视，正逐渐的取代交流接触器而成为电容器的投切开关。

反并联可控硅开关加上具有过零检测功能的驱动电路，即成为一个典型的具有“零压差”投入，零电流退出功能的电力电子投切开关，具有较高的dV/dt和dI/dt承受能力，可有效的抑制电容器投入时的浪涌电流和过电压的产生及退出时的拉弧电流。常规的做法是将反并联的可控硅模块外部配装专用的触发线路板。

投切专用的固态继电器是将上述开关的反并联的可控硅模块及外部配装专用的触发线路板的全部器件以固态继电器的标准封装形式封装在一个壳体内，内置阻容吸收，故结构紧凑，综合成本较低，外形上有方型或长条型以适合不同用户的联接需要。具有体积小、耐蚀防潮、安装使用方便等特点，是目前可控硅开关的常用封装形式。

上述两种电力电子投切开关的工作原理完全相同，都是以具有零检测功能的触发电路控制反并联的可控硅无触点开关。优点是投切电容器时“零压差"投入、零电流切除，实现无涌流或小涌流投切，提高了电容器寿命，无触点无拉弧，开关速度高、反应时间快，干扰小、体积小、耐腐蚀，寿命长、可靠性高，易于与计算机接口、适用于智能型无功控制器或配电综测仪对电网进行动态无功补偿和远程控制。另外可方便地实现单相分相补偿或三相共补。缺点是工作中功耗较大，使用时需加装散热器，成本也比适用交流

接触器高许多。但由于其性能优越，应用者众多。

3、复合投切开关、复合固态继电器

交流接触器投切开关压降小、发热少，但涌流大、寿命短，电力电子投切开关涌流小、寿命长，但压降高、功耗大、需要散热，各有优缺点。能否整合它们的优点，优势互补，制造出具有“零压差”投入、零电流切除、低压降保持特性的投切开关？科技人员采用电力电子开关负责控制电容器的投入和切除，交流接触器负责保持电容器投入后的接通的方法制造出了复合投切开关。这种投切开关同时具备了交流接触器和电力电子投切开关的优点，不但抑制了涌流，避免了拉弧，而且功耗较低，不再需要配备笨重的散热器和冷却风扇。尤其是复合固态继电器将复合投切开关集成一体，体积小、重量轻、性能优良，是低压无功自动补偿装置中并联补偿电容器的理想投切开关。

经过几年的开发研究，复合投切开关完成了两种模式三代产品的变换，下面逐一加以介绍：

(1)、两种模式：

第一种模式：一只复合投切开关只负责一组补偿电容器的投切，补偿装置由若干个复合投切开关组成。分为分补和共补两种，共补的又分为三相两控和三相三控两种结构形式。优点是控制精度高，反映速度快，缺点是成本高。目前市场产品多属于此种模式。

第二种模式：由一只电力电子投切开关和若干个由切换交流接触器、保持交流接触器组组成的复合投切开关负责全部补偿电容器组的投切，采取循环扫描的方法，逐级投入和切除电容器组。当需要几组电容器同时投切时，它只能先投入一组，由该组保持交流接触器保持补偿电容器的连接，然后电力电子投切开关退出，同时通过切换交流接触器切断与该组电容器的联接并连通下级电容器，开始下一级的投切，依次执行。这种模式优点是使用可控硅数量少，造价较低。但缺点是可控硅一旦有损坏就不能实现过零投切，另外内部联接复杂、投切动作时间较长，不能及时补偿，而且只适合三相共补，不能实现分相补偿。较少使用。

(2)、三代产品：

第一代产品是将可控硅模块，交流接触器和由检测、触发电路，延时、转换电路以及相应的保护电路、电源变换电路组成的控制线路板组装在机壳里，做成一种小装置形式。大都由低压无功自动补偿装置的生产厂家根据自己的需要制成各种外型。选材各异，互不通用，性能、质量差异较大，成本也较高。

第二代产品是由固态继电器代替可控硅开关部分，其余相同。体积较第一代产品有所减小，可靠性有所提高。

第一、二代产品都属分立型产品，虽实现了复合投切的功能，但还存在着体积大、接线复杂、耐蚀防潮性能差、提高可靠性难度大等缺点。

第三代产品就是为针对一、二代产品的缺点，为改进产品性能研发的新一代产品，其显著的特点就是集成一体化，将复合投切开关的全部器件优化组合封装成一具有特定功能的专用模块。与一、二代产品相比，在保持原有功能的前提下，体积、重量减小，成本下降，可靠性提高，性能优良，是低压无功自动补偿装置中并联补偿电容器的理想投切开关。

威海星佳电子有限公司生产的专利产品——SGDF系列复合固态继电器即为第三代产品。其结构上采用固态继电器的模式，在与底部镀锌紫铜底板焊接的电子陶瓷基板上采用国际先进工艺用进口高压单向可控硅芯片烧结反并联功率开关，中间放置专为本产品制作的专用机械继电器，上部放置控制、触发电路和阻容吸收电路等，国际标准模块外形(长×宽为94×34mm)。该产品巧妙的利用固态继电器的“零压差”开通和零电流关断的优良特性及机电继电器保持开通时的低功耗特性，也就是通常大家所希望的用固态继电器接通和断开负载，用机械继电器保持负载接通。即避免了有些场合单独使用机械继电器投入瞬间的浪涌电流和退出时产生的拉弧现象，通、断干扰，又避免了固体继电器、可控硅开关运行过程中压降功耗所产生的高温。经过多家用户的多年的使用，效果良好。

最近，跟踪用户反馈，又加以技术上的完善和改进，改进型产品增加了防止误触发电路，进一步提高了产品的可靠性。

二、可控硅开关、固态继电器、复合固态继电器使用中应该注意的事项：

1、半导体器件大都对温度较为敏感，使用时尤其要注意散热问题，温度升高时有些技术参数会大幅度下降，例如可控硅的dv／dt参数是决定投切开关抗干扰性能的重要参数，其数值在20℃和100℃时有很

大的差异，因而在20℃时可靠稳定工作的开关在100℃时就不一定工作稳定可靠，对于投切电容器来讲就意味着可能出现涌流，涌流的出现轻则降低开关的寿命，重则将导致开关损坏。

2、可控硅开关、固态继电器产品在使用时建议配用合适的散热器和快速熔断器，并在散热器和固态继电器之间涂有导热硅脂，设计时要留有合适的风道，必要时应采用强制风冷。散热器的选择和是否需要强制风冷，可以查阅威海星佳电子有限公司的产品说明书。

复合固态继电器虽可不加散热器，但建议使用厚度3毫米以上的铝板作承载板，多只复合固态继电器紧固的固定在铝承载板上，增加热容量，利于频繁投切时的热量散发。复合固态继电器之间要留有5毫米以上的间隙。

3、自己制作复合投切开关时，建议不采用塑封双向可控硅作功率开关，理由是a、dv／dt较单向可控硅低许多，易失控。b、阻断电压低(800—1000V)、电流小(40A以下)、功率余富量太小。实践证明，实验室试验可用，但现场使用时寿命较短，损坏率高。

保持用的交流接触器建议选用质量好的交流接触器或专用的继电器，不推荐使用磁保持继电器，如必须使用时应注意以下几点：a、振动会影响它的正确位置，b、停电时不能自动复位，c、控制电路上电暂态过程易造成误触发。上述三点都会造成复合投切开关的瞬时误动作，形成涌流，缩短开关和电容器的寿命，目前正在寻找有效的解决方法。

4、一定要选择质量好的并联电容器，由于目前的并联电容器大都是自愈式，自愈式电容器通过短路点的大电流烧蚀作用的自愈功能对电力电子开关来讲是灾难性的，其短路点烧蚀自愈过程的很可能造成可控硅损坏。现场表现为开关损坏，负载电容器完好，可控硅解剖分析表现为过电流烧蚀，电容器容量精确测试表现为容量减小。

5、在电容器上串联适当的电感器，并联合适的放电电阻，选择好的功率因数补偿控制器，电网电压过高、电网谐波分量较高时禁止投切等措施的采用，对提高装置可靠性、延长投切开关和并联电容器的寿命都是非常必要的。

6、电网谐波分量较高时会影响投切开关对电压“零点’’检测的准确性，易造成电路的误工作和造成电容器的损坏。所以在安装低压无功自动补偿装置前，最好检测一下补偿现场电网波形，如果谐波分量较高，波形崎变严重，建议不要使用或在安装滤波装置净化电网后再使用低压无功自动补偿装置。

如谐波分量较高，暂时不具备安装滤波装置进行电网净化的条件，又必须进行无功补偿的场合，建议试用简易的用交流接触器作为投切开关的无功补偿装置，并定期检查、更换交流接触器和并联补偿电容器。

参考文献：

1、陆安定主编《电动机节能改造实用手册》上海科学技术出版社1995年出版

2、乜连波《复合固态继电器》实用新型专利ZL 02 2 67451.9

3、扬风开《低压并联电容器的投切开关》

4、乜连波《使用指南》电力半导体器件产品手册