复合开关在低压无功补偿中的应用
如何做好低压配电网无功补偿
如何做好低压配电网无功补偿【摘要】随着社会的发展、科学技术进步，城乡一体化逐步形成，人民生活水平不断提高，大量的用电设备进行办公室及普通家庭，要求低压配电网的供电可靠性和供电质量不断提高。
而无功补偿技术作为低压配电网电压质量的重要技术控制措施，在低压配电网中被广泛应用。
本文重点介绍低压配电网电容无功补偿的现状和今后发展趋势。
【关键词】无功功率产生；无功补偿现状；发展趋势一、配电网无功功率的产生在交流电力系统中，发电机在发有功功率的同时也发无功功率，它是主要的无功功率电源；运行中的输电线路，由于线间和线对地间的电容效应也产生部分无功功率，称为线路的充电功率，它和电压的高低、线路的长短以及线路的结构等因素有关。
电能的用户（负荷）在需要有功功率的同时还需要无功功率，其大小和负荷的功率因数有关；由此可见，无功功率在输、配电线、变压器中的流动会增加有功功率损耗，产生电压降落。
一般情况下，电力系统中发电机所发的无功功率和输电线的充电功率不足以满足负荷的无功需求和系统中无功的损耗，为了减少有功损失和电压降落，提高线路的供电能力，不希望大量的无功功率在网络中流动，所以在负荷中心需要加装无功功率电源，以实现无功功率的就地供应、分区平衡的原则。
二、低压配电网无功补偿的现状（一）目前低压电网无功补偿普遍采取在配电房集中补偿、分散就地补偿和个别补偿三种方式。
（二）无功信号的采集使用单相信号，利用三相电容器进行三相共补：现在控制信号采集一般在单相上进行，这种方式不能满足三相负荷量在同一时间不同变化要求。
三相共补偿方式适用于负荷主要是使用三相负载的地方，如工业开发区的工业用电。
多采用集中补偿和就地补偿，即随机补偿。
但对于当前的负载主要为居民用户，由于电源接入点不同和用电负荷不同，三相负荷很可能不平衡，各相无功需量也不同，采用这种补偿方式会在不同程度上出现过补或欠补。
（三）无功控制方法、投切方式及主要设备无功控制物理量多用电压、功率因数、无功电流，投切方式为：循环投切、编码投切。
三相智能复合开关在低压无功补偿中的应用
０ 引 言
目前 ， 功补 偿 装 置 主 要 有 以下 几 种 投 切 电 无
容器 组 。
（ ）智 能复 合开关 投 切 电容器 。能 够保 证 电 ３ 压 过零 时投入 、 除 ， 切 开关 接通后 无 功耗 ， 不发 热 ；
复合 开关 检测 到故 障 时 ， 合开关 拒 绝 闭合 ； 测 复 检 到空 载 时 ， 关 拒绝 闭合 ； 开 系统 检 测 到停 电时 ， 自 动跳 闸断开 。系 统使用 单 片机来 控 制磁保 持继 电 器 和 晶 闸管 ， 它 们分 时导 通 ， 分利 用 了它们 各 使 充 自的优点 ， 高 了开关及 电容器 的寿命 。 提
（ ）普 通 接 触 器 投 切 电容 器 。导 通 时 功 耗 １ 小、 可靠 ， 响应 速 度 较慢 ， 能保 证 它 在 过零 时 但 不
进行 投切 。合 闸 、 间 电网 电压 一般 不 为零 ， 瞬 这样
会产 生 比较大 的 电流 冲击 ， 仅对 电网造 成 巨大 不
的干 扰 ， 而且 严重影 响 电容 器 的寿命 。
Ｓｗｉｃ ｅ ｎ Ｎｏ． ｗｅ ｍ ｐｅ ｓ ｔｏ ｔｈ Ｕｓ ｄ ｉ Ｐｏ ｒ Ｃｏ ｎ ａｉｎ
Ｙ ＡＮ Ｇ ， ＺＨＡＯ ｅ ， Ｌ ＡＮＧ ｅｏ ｇ Ｌｉ Ｌｉ Ｉ Ｙｚ ｎ
（ ｕｏ ｔ ｎＩｓｔｔ， ｈ ｎＵ ｉ ｒｉ ｆ ｅｈ ｏｏｙ Ｗｕ ａ ３ ０ ０， ｈｎ ） Ａ ｔ ｉ ｎｔｕｅ Ｗｕ ａ ｎｖ ｓｙｏ ｔ ｎ ｌ ， ｈ ｎ４ ０ ７ Ｃ ｉａ ｍａ ｏ ｉ ｅ ｔ ｃ ｇ
电工电子技术在无功补偿自动控制中的应用
电工电子技术在无功补偿自动控制中的应用无功补偿是电力系统中一种应用相对广泛的技术，其在电气自动化、电工电子等领域中具有良好的使用效果。
并且在当前科学技术持续发展进步的背景下，电工电子技术逐渐在无功补偿自动控制中得到应用，在很大程度上提高了电网运行的效率和质量。
标签：电工电子技术;无功补偿;自动化控制1 无功补偿装置、原理及作用概述1.1 无功补偿装置众所周知，我国很多电网运行都需电力系统供应充足的电力负荷，在整个供应过程中，会给电力设备造成较大的感性负荷，进而影响整个电力系统的稳定性。
为了确保整个电力系统的安全性、稳定性及有效性，这就需要安装无功补偿装置，用来吸收多余的无功功率，降低设备的能源消耗和磨损率，维持电力系统的稳定性。
因此，无功补偿装置在电力系统中的应用越来越广泛。
1.2 无功补偿装置的原理及作用首先，无功补偿装置的原理。
电力设备在使用过程中，由于型號、用电方式等不同，其功率也会存在差异。
如白炽灯、热水器等常用的电力设备，由于它们在使用过程中电压和电流相同相位，有功功率的获得便是电压与电流二者的乘积。
在电力系统运行过程中，这些设备往往需要电力系统建立一个与之对应的磁场，致使能量消耗无法转化成有功功率，而成为无功功率。
一般情况下，电力系统变配电设备的选择依据是由视在功率决定的。
视在功率分为有功功率和无功功率，其中，无功功率在电力传输过程中产生的负荷会直接影响电网的正常的运行，其不仅会增加运行负荷，也会使电网的整体损耗更严重，影响整个电力系统的稳定性。
而解决这一问题的有效措施就是对输电系统进行补偿，进而从整体上维持电力系统的稳定性和有效性。
通常情况下，在高压设备的电网系统中都会安装无功补偿装置。
其次，无功补偿装置的作用。
2 电工电子技术的应用现状分析一般而言，针对超远距离和超大容量的电能传输都会选择高压直流输电技术，高压直流输电技术相较于交流传输电能而言是一种非常经济的输电方式，具有造价低、损耗少的优势。
用户端低压无功补偿装置及其应用
用户端低压无功补偿装置及其应用无论是工业负荷还是民用负荷，大多数为感性负荷。
是感性负荷就有无功功率的消耗，提供这些无功功率有两条途径：一是直接由供电系统提供，但将造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的使用效率；另一是进行无功功率的补偿。
目前无功功率的补偿的方法有几种，采用并联电容器补偿是有效的手段之一，但使用哪几种无功补偿装置，是采用MSC无功补偿装置、TSC无功补偿装置还是采用MSC+TSC无功补偿装置，现介绍如下。
1低压无功补偿装置及其工作原理1.1MSC装置的投切采用机械开关投切电容器的无功补偿装置（MSC），即通过控制器取样，电容式交流接触器（或断路器）作为电容器的投切元件，熔断器（或微型断路器）、热继电器作为保护的一种并联电容器补偿装置，可以手动投切或自动投切。
自动投切是由控制器以无功功率（或无功电流等）为物理量，通过循环投切（先接通的先分断，后分断的后接通）方式控制电容器的投切。
因电容器的初始电压为0，在交流接触器触点闭合的瞬间，电网的电压极少为0，但电容器的电压不能突变，因而产生非常大的电流冲击即合闸涌流。
根据试验表明，电容式交流接触器的合闸涌流一般是电容器额定电流的20倍左右。
同时，由于交流接触器不能在短时间内频繁投切，使得该种无功补偿有级的、定时的，补偿装置的响应时间一般大于10s，且频繁地投切使交流接触器的触头受电弧作用而损坏，增大运行维护工作量。
1.2TSC装置的投切近年来随着电子工业的不断发展，出现了集微机、电子、机电为一体的新产品——TSC无功补偿装置，即投切回路中由晶闸管替代电容式交流接触器投切电容器。
TSC无功补偿装置的原理是：自动补偿控制器通过对电网无功电流的快速检测，经比较、判断后以编码工作方式向晶闸管发出通断信号，进行投切控制，控制回路接到通断信号后采用过零触发电路投切电容器，即电路检测到施加在晶闸管两端的电压为零时，发出触发信号使晶闸管导通；当电路检测到晶闸管为零电流时断开晶闸管。
一种实用的智能型复合开关
近年来，随着电力电子的发展，复合开关逐渐应用在低压无功补偿装置中电容器组投切、运行工作中。
复合开关通过控制芯片控制，在检测电压过零时先发出双向可控硅导通信号，导通双向可控硅然后再发出继电器导通信号，接通磁保持继电器，从而消除了开关接通时的电容器的瞬间涌流。
此控制过程中电压过零检测尤其重要，必须准确检测且不受干扰，才能保证可控硅在电压过零点导通，实现无涌流投切。
1 复合开关的设计方案本复合开关包括在电网电压过零时接通的可控开关和可控硅，可控开关与电网连接构成闭合回路，可控硅的控制端连接在闭合回路中，可控开关接通时，电网所在回路接通，可控硅的控制端得电进而控制可控硅导通。
应用以上技术方案，可控开关可直接通过对电网电压的过零检测实现对可控硅的导通控制，无需通过电压比较器和控制器来实现，避免了电网电压在转换时产生的误差，保证了可控硅在电压过零点时立即投入工作，不会造成电容器和电路中的电压差和电压叠加，进而避免了因涌流而发生的各种问题，延长了无功补偿装置的寿命和减小了对其他用电设备的冲击。
图1复合开关设计方案框图复合开关设计方案框图如图1所示，主要由可控硅、可控硅开关、磁保持继电器、继电器驱动电路，控制器等组成。
2 控制系统的硬件电路、原理基于单片机STM32控制的复合开关接到控制信号后有两部分控制电路。
一部分控制触发可控硅，一部分控制使磁保持继电器触点闭合或断开。
当复合开关接到投入信号后需触发可控硅，为了使电容器组的投入对电网的影响降到最小，在检测到电网电压为零时刻触发可控硅。
电容器组投入以后，由于磁保持继电器靠强磁力就可使触点闭合，工作时无需给线圈持续供电，这样可以减小功耗。
但由于强磁力的存在，要改变触点状态，需给线圈加反向直流脉冲电压，设计上就要求有一个正负脉冲极性转换电路。
该复合开关的可控硅与磁保持继电器触点采用并联结构，它们的导通切除需要有一个很好的时序配合才可消除涌流现象，延长其使用寿命。
2.1可控硅触发电路图2 可控硅触发电路原理框图光电双向可控硅驱动器内部有电压过零检测的功能，光电双向可控硅驱动器上有12V使能信号的情况下，假如电网电压为正半轴正向电压时，可控硅SCR1两端电压，阳极A1的电压大于阴极K1的电压，当电压过零时，驱动电流方向为可控硅SCR2的阴极K2---二极管D1---光电双向可控硅驱动器---电阻R12---可控硅SCR1的控制极G1，可控硅SCR1的控制极G1和阴极K1形成压差，可控硅SCR1正向导通，可控硅SCR2反向关断。
低压智能复合开关在无功赔偿中的运用
低压智能复合开关在无功赔偿中的运用低压智能复合开关在无功赔偿中的运用
低压电网处于电网的最完毕，因而赔偿低压无功负荷是电网赔偿的要害。
搞好低压赔偿，不光能够减轻上一级电网赔偿的压力，并且可早年进用户配电变压器的运用率，改进用户功率因数和电压质量，并有用下降电能扔掉。
低压赔偿对用户及供电有些都有利。
低压无功赔偿的方针是完毕无功的就地平衡，通常选用的办法有三种：随机赔偿、随器赔偿、盯梢赔偿。
复合开关有共补复合开关和分补复合开关两种，共补开关用于投切三相电容器，即角型接法的电容器；分补开关用于投切单相电容器，即别离接三只单相电容器的一端（另一端需接中性线）。
投切电容器因为选用了复合开关，投切时的浪涌电流小，无触点粘住之忧，能够较再三地投切，因而，能够添加投切电容器的组数早年进赔偿精度。
在实习运用中，经过操控器准确操控投切，可使功率因数坚持在0.96～0.99之间。
运用复合开关不只跋涉了可靠性，还跋涉了电能质量。
复合开关是用于操控电容器投切的器件。
将晶闸管与继电器接点并联运用，由晶闸管完毕电压过零投入与电流过零切除，由机械接点来经过接连电流，这么就避免了晶闸管的导通损耗疑问，也避
免了电容器投入时的涌流。
可替代传统的交流触摸器，复合开关处理了触摸器投切涌流大、触点易烧结和晶闸管无触点开关能耗大，发热大、发作谐波的疑问；确保过零投切、无涌流、触点不烧结、能耗小，不发热、不发作谐波污染；完毕了电容器组的滑润投切，延伸运用寿数，跋涉电能质量；一同开关方案具有缺相维护、失压维护、空载维护与自确诊缺陷维护等功用，是低压无功赔偿设备电容器投切、作业的一种既节能环保又安全可靠的志趣商品。
自动无功补偿用复合开关电路
自动无功补偿用复合开关电路随着电网供电的日趋紧张，进一步挖掘供电潜能，节能降耗，已是摆在供电部门和用电客户面前的一个亟待解决的问题。
对低压配电变压器来讲，对其加装自动无功补偿装置是一种有效的节能降耗措施。
在上一代的无功补偿控制装置中，为防止在电压峰值处投入电容，通常采用具有过零触发的固态继电器作为其功率开关器件，但固态继电器却有如下缺陷：1.固态继电器导通时，其结压降约为2.3V,但流过的电流却为数十安，因此，一个固态继电器导通时将产生几十瓦的功耗，三相将产生近200W的功耗。
无功补偿通常要补偿2~6组电容，故所有固态继电器的功耗将超过1000W。
为此，不但需要在自动无功补偿装置中加足够大的散热器，还要加装风扇进行散热。
否则，过高的温度会使固态继电器损坏。
2.易受温度及辐射的影响，参数稳定性较差，对瞬变干扰比较敏感，需要加装保护器件。
3.当被投切的电容发生短路故障时，固态继电器通常因过流而损坏。
4.当电网电压因谐波而突然升高时，固态继电器也易损坏。
这样导致的突出问题是产品可靠性差，功率开关器件和补偿电容容易损坏，投资收益比高，直接影响了该产品的推广。
为克服这一问题，我们设计了自动无功补偿装置专用的复合开关，很好地解决了这一问题。
第1页，共4页所谓复合开关，就是将固态继电器和交流接触器按一定时序配合下有序工作的两个功率开关。
固态继电器的优点是过零触发，对补偿电容的冲击小，缺点是其导通时功耗大;交流接触器的优点是其导通时功耗小，缺点是不能确保过零导通。
我们取两者之优点，回避其缺点，所制作的复合开关就能确保不但能过零触发，对补偿电容的冲击小，而且导通时功耗小。
省掉了无功补偿装置中的笨重的散热器和风扇，降低了成本。
图1：复合开关原理图第2页，共4页具体工作过程如图示，当需要投入补偿电容C1时，自动无功补偿装置发出一个控制信号经电阻R1、D2、R12输入到CPUU4P89LPC901的4脚，即管脚P1.5,该管脚的功能为：它可作为低有效复位输入或数字输入口。
复合式开关在低压无功补偿装置中的应用
复合 式开关 在低 压无功补 偿装 置 中的应用
雷 宇霆 齐 齐 哈 尔 齐 力 达 电 子 有 限 公 司 齐 齐 哈 尔 １ ０ ０６ ６１
【 摘 要 】 因种 种 原 因 ，城 市供 电 系统 的三 相 电很 不 平 衡 ， 需要 进 行 功 率 补 偿 ，利 用智 能 化 复合 开 关 即可 解 决低 压 无功 补 偿 应 用 中 电 容 器投 切 存 在 的 问 题 。 【 键 词 】 无 功 补 偿 涌 流 大 功 率 磁 保 持 继 电 器 关 中 图 分 类 号 ：ＴＭ ７ ４１ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１ ０ ． ０ ７ ２ ） ６ ３ ２ ０ ９ ４ ６ （ ０１ ０ — ９ ２ ０ ０
二 、 智 能 化 复 合 开 关 的 特 点
在智 能 化复 合 开 关设 计 中 ， 无触 点开 关 和交 流 接触 器 的优 点 融为 一 将 体 。 能 化复 合 开 关有 如 下特 点 ： 智 ● 电压 过零 时 投入 、 零 时切 断 ， 过 ● 补 偿 电容器 采用 三 角形接 法 ； ● 开 关 接通 后 无功 耗 ， 发热 ，不加 散 热片 ； 不
一
小 的特点 ， 但存 在功 耗大 的 缺点 ， 在大 电流 工作 的 电容器 投切 中 ， 热严 重 ， 发 需加 散 热器 ， 至 强制 制 冷 甚 这样 ， 既增 大 了 补偿 装置 体 积 ， 增加 了 成本 。 也 晶 闸管 电路 的 本身 也 是谐 波 源 ， 量的 应 用对 低压 电网 的波 形不 利 。 大 因此 ， 了适 应 发展 ， 足用 户 的 需求 ， 高供 电的 可靠 性 和效 率 ， 为 满 提 我 们 研 制了 智能 化复 合开 关 。
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复合开关在低压无功补偿中的应用
摘要：该文总结了传统的电容器投切开关存在的主要问题，设计了基于单片机控制的复合开关，并对其硬件设计、软件实现进行了详细介绍。
还介绍了复合开关在低压电容器无功补偿中的应用，指出使用复合开关不仅可以增加投切电容器组数，而且提高功率因数，提高电网质量。
关键词：复合开关；电容器投切开关；
无功补偿无功补偿是电力系统运行的基本要求，为了实现电力系统运行中的无功平衡，必须对各种电力负荷所需的无功进行补偿。
无功补偿的方法有调相机补偿、电容器组补偿等多种，其中最为有效和易于实施的是在靠近负荷点的地方进行就地无功补偿。
由于无功补偿挂接在电网上是通过自动投入和切除电力电容器来达到补偿效果的，因此控制电容器投切的开关元件的性能对整个装置的质量和稳定性起着非常关键的作用。
目前国内的无功补偿产品的控制器普遍都是交流接触器或双向可控硅作为开关元件来控制电容器通断。
都不可避免地存在着功耗大、温升高，产生被称作“电污染”的谐波成分等影响设备的长期安全运行的问题，整个装置的寿命和可靠性不能有效保障，甚至会影响整个电网的正常运行。
本文设计的基于单片机控制的智能化复合开关是较理想的投切开关，详细介绍了硬件设计、软件实现及其在低压无功补偿中的应用。
1传统的电容器投切开关存在的主要问题
传统的电容器投切开关主要存在的问题有：以可控硅和大功率固态继电器作为无触点开关虽然具有响应速度快、涌流较小的特点，但存在功耗大的缺点，在大电流工作的电容器投切中，发热严重，需加散热器，甚至强制致冷。
这样既增加了补偿装置体积，也增加了成本。
对投切电容器的专用交流接触器，由于它在主回路中接人了限流电阻，从而起到限制涌流的作用，这与用不饱和聚酯树脂浇注成型的干式限流电抗器相比，成本虽然降低，减少耗电量，但仍有较大的涌流，对电网或电容器有较大冲击。
2基于单片机控制的智能化复合开关
复合开关采用智能控制技术和最新的电子元器件，适用于对交流380V无功补偿电容器的通断控制。
基本工作原理是将可控硅与接触器并接，使复合开关在接通和断开的瞬间具有可控硅过零投切的优点，而在正常接通期间又具有接触器无功耗的优点，同时具有智能监控、自诊断故障保护、缺相保护、空载保护等完善的保护措施，且功耗小、无谐波。
控制信号常用12V和5V。
硬件框图如图1所示。
控制器采用Intel公司研制的80C196KB单片机。
该单片机特别适用于实时性要求较高的控制系统。
为了控制可控硅在电压过零时投入，选用了Motorola公司的过零触发控制芯片MOC3083。
其控制电路如图2所示。
由于MOC3083的驱动是电流型的，要求大于5mA。
故为了可靠驱动，在系统设计中使用达林顿MC1413来驱动它，并设计驱动电流为l0mA。
图1硬件框图图2光电隔离控制电路在电容器的投切过程中，对触点型开关，往往会在其触点间产生较强的电弧，损伤触点，致使触头接触不良，甚至会发生触点熔融的现象；对可控硅和大功率固态继电器等无触点型开关，因其功耗大，散热问题尤为突出。
针对上述情况，复合开关设计时，增加了延时电路。
在开通时，可控硅先导通，延时2~3个周期后，接触器闭合，可控硅关断，负载工作电流由接触器提供；在关断时，接触器先关断，可控硅延迟2~3个周期后关断。
这样，从根本上解决了接触器在接通和关断时出现的涌流及触头间拉弧现象，也消除了无触点开关的散热问题，使开关的使用寿命接近其机械寿命，既大大延长了开关的使用寿命，又提高了系统运行的可靠性。
软件主程序流程如图3所示。
图3主程序流程图为了达到理想的工作状况，可控硅和接触器的开、断有时序要求，假设复合开关的投入命令高电平为有效，则切断命令为低电平有效；开关(可控硅、接触器)闭合用高电平有效表示，则开关断开用低电平有效表示，其各信号状态如图
4所示图4复合开关工作状态图在图4中t1为复合开关接收到投入命令时间，t2是复合开关接收到切断时间。
当复合开关接收到投入命令时，可控硅的触发信号准备就绪，只要电压过零就立刻触发可控硅，而接触器在接到投入命令后，要延时一段时间，此时间在设计时必须保证：只有当可控硅导通后，才能闭合接触器。
当复合开关接收到切断命令后，接触器立即断开，经过一段时间可控硅触发信号消失，当通过可控硅阳极电流过零时，自然关断。
3复合开关的特点
复合开关有如下特点：·过零投入，过零切断；·开关接通后低功耗，不用外加散热片；·无需外接串联电抗器；·输入信号与开关光电隔离；·可直接与任何无功补偿控制器配合使用；·内置控制电源，无需外配电源；·具有开关状态指示灯，电容器接通时，指示灯亮；·抗干扰能力强，大容量电容器工作可靠。
4复合开关在无功补偿中的应用
低压电网处于电网的最末端，因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。
搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，而且可以提高用户配电变压器的利用率，改善用户功率因数和电压质量，并有效降低电能损失。
低压补偿对用户及供电部门都有利。
低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡，通常采用的方式有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。
复合开关有共补开关和分补开关两种，共补开关用于投切三相电容器，即角型接法的电容器；分补开关用于投切单相电容器，即分别接三只单相电容器的一端（另一端需接中性线）。
其接线图如图5所示。
(a)分补接线图(b)共补接线图图5复合开关投切电容器由于采用了复合开关，投切时的浪涌电流小，无触点粘住之虞，可以较频繁地投、切，因此，可以增加投切电容器的组数以提高补偿精度。
在实际应用中，通过控制器精确控制投切，可使功率因数保持在0.96～0.99之间。
使用复合开关不仅提高了可靠性，还提高了电能质量。
5结束语
本文的创新点是基于单片机控制的复合开关工作时损耗小，不增加电网谐波，并具有无冲击、低功耗、长寿命等显著优点，可替代接触器或晶闸管开关，是投切电容器较理想的产品，应广泛用于低压无功补偿领域。
并且使用复合开关可以增加投切电容器组数，提高功率因数，提高电网质量。
参考文献
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