機(jī)電一體開關(guān)低壓無功補(bǔ)償裝置的開發(fā)和應(yīng)用

1、機(jī)電一體開關(guān)低壓無功補(bǔ)償裝置的開發(fā)和應(yīng)用劉連光1，林 峰2，姚寶琪21.華北電力大學(xué)（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(bǔ)償裝置應(yīng)用中存在的問題，開發(fā)、研制了一種基于機(jī)電一體開關(guān)投切電容器的低壓無功補(bǔ)償裝置。近千余臺裝置經(jīng)過近一年多時間的現(xiàn)場運(yùn)行、試驗(yàn)表明，這種無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行可靠性高、性能穩(wěn)定，能滿足絕大多數(shù)場合的應(yīng)用需要。本文主要對裝置機(jī)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(jìn)行詳細(xì)描述。關(guān)鍵詞 無功補(bǔ)償；電容器投切；機(jī)電一體開關(guān)；晶閘管開關(guān)1 概述用接觸器投切無功補(bǔ)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(dǎo)致接觸器觸頭燒損，影響無功補(bǔ)償裝置的正常運(yùn)行。近些年，廣泛采用的晶閘管投切電容器（TSC）無功補(bǔ)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(diǎn)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(fēng)扇和散熱器來解決裝置的通風(fēng)與散熱問題，而風(fēng)扇停運(yùn)會影響裝置的正常運(yùn)行，因此風(fēng)扇這種旋轉(zhuǎn)設(shè)備的使用，降低了TSC無功補(bǔ)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(bǔ)償技術(shù)開始在配電系統(tǒng)普及應(yīng)用。從靜態(tài)補(bǔ)償?shù)絼討B(tài)補(bǔ)償，從有觸點(diǎn)補(bǔ)償?shù)綗o觸點(diǎn)補(bǔ)償，都取得了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。大量的裝置運(yùn)行事例

3、和經(jīng)驗(yàn)表明，對于配電網(wǎng)大量使用的低壓無功補(bǔ)償裝置，由于安裝地點(diǎn)分散、數(shù)量大，運(yùn)行和維護(hù)不方便、工作量大，因此在無功補(bǔ)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(bǔ)償裝置應(yīng)用中暴露出的問題，北京電聯(lián)力光公司與華北電力大學(xué)（北京）合作，開發(fā)、研制了基于機(jī)電一體開關(guān)投切電容器的低壓無功補(bǔ)償裝置。近千臺裝置經(jīng)過近一年時間的現(xiàn)場運(yùn)行、試驗(yàn)表明，機(jī)電一體開關(guān)投切的無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行可靠性高、性能穩(wěn)定，能滿足絕大多數(shù)場合的應(yīng)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(jìn)行介紹。2 機(jī)電一體開關(guān)的組成和原理頁碼: 1機(jī)電一體開關(guān)由無功補(bǔ)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(jī)電一體開關(guān)由機(jī)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(jī)電一體開關(guān)控制單元控制，整個機(jī)電一體開關(guān)電路的組成和結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 機(jī)電一體開關(guān)的組成框圖 Fig.1 The sketch of mechatronic switch機(jī)電一體開關(guān)控制單元是機(jī)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(jī)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(jī)電一體開關(guān)控制單元，機(jī)電一體開關(guān)控制單元控制板的電路組成如圖2所示。機(jī)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(jī)進(jìn)

5、行處理，單片機(jī)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(yīng)的晶閘管和繼電器。圖2 機(jī)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(jī)電一體開關(guān)控制單元單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對機(jī)電一體開關(guān)的控制。從而使得機(jī)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(diǎn)；而在正常接通期間又具有接觸器無功耗的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)電一體開關(guān)控制單元單片機(jī)發(fā)出的控

6、制信號時序如圖3所示。圖3 機(jī)電一體開關(guān)控制單元單片機(jī)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(jī)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(shí)際應(yīng)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(jī)電一體開關(guān)來說，不僅可少用一只價(jià)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(jī)電一體開關(guān)的造價(jià)，而且用三相電容器組也有利于減小整個無功補(bǔ)償裝置的體積，使得這種接線方式成為最經(jīng)

7、濟(jì)、可行的接線方案。3 主電路設(shè)備選擇和分析計(jì)算低壓無功補(bǔ)償裝置主要用于10KV線路的配電變壓器低壓側(cè)，補(bǔ)償公用變、專用變低壓用戶設(shè)備運(yùn)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(jì)有30KVAR、45KVAR、60KVAR和90KVAR四種標(biāo)準(zhǔn)無功補(bǔ)償裝置供用戶選用，非標(biāo)準(zhǔn)容量的無功補(bǔ)償裝置特殊制造。對四種標(biāo)準(zhǔn)容量的無功補(bǔ)償裝置，大容量的裝置按4-2-1分組組合，可對無功功率實(shí)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(bǔ)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(bǔ)償裝置，采用的是固定補(bǔ)償加2-1分組組合的調(diào)節(jié)方式。其中，固定補(bǔ)償

8、容量為15KVAR，采用BSMJ0.4-15-3型電容器；單元1的補(bǔ)償容量也是15KVAR，電容器型號與固定補(bǔ)償電容器相同；單元2的補(bǔ)償容量為30KVAR，用BSMJ0.4-30-3型電容器。補(bǔ)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(bǔ)償裝置能可靠工作。對本例補(bǔ)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(dǎo)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(bǔ)償裝置主電路接線圖Fig.4 Ma

9、in circuit diagram of 60KVAR compensation device本例機(jī)電一體開關(guān)控制單元無功補(bǔ)償裝置，電容器組采用A、C兩相控制的三角形接線方式，機(jī)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(fù)），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(dāng)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(diǎn)。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(diǎn)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(yán)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(xiǎn)。以本例單元2為例，補(bǔ)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(bǔ)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(dāng)t=T/4=235.5µs時，沖擊電流達(dá)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(dá)1501A。按照正常負(fù)載電流2.5倍選擇本例晶閘管電流應(yīng)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(bǔ)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(jī)電一體開關(guān)控制單元的控制板上，設(shè)計(jì)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(bǔ)償裝置控制器的投切信號，經(jīng)光電耦合器送PIC16C54單片機(jī)進(jìn)行處理，給出對應(yīng)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(diǎn)開關(guān)兩端電壓經(jīng)電阻降壓也送MOC3083光電耦合器，當(dāng)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(yīng)的晶閘管導(dǎo)通，晶閘管一經(jīng)觸發(fā)就保持導(dǎo)通，電容器便投入運(yùn)行。晶閘管導(dǎo)通后兩端電壓接近為零，只要單片機(jī)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(dǎo)通。當(dāng)單片機(jī)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(jī)下次發(fā)出投入指令才選擇電壓過零點(diǎn)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(bǔ)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(bǔ)償裝置箱體內(nèi)的控制器來實(shí)現(xiàn)，控制器是保證整個裝置正確、可靠運(yùn)行的核心和關(guān)鍵。根據(jù)原電力部的標(biāo)準(zhǔn)1，無功補(bǔ)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(jì)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(jìn)行無功控制的方法已經(jīng)很少見了。本文基于機(jī)電一體開關(guān)的無功補(bǔ)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(fù)合控制方法?；究刂撇呗匀缦拢寒?dāng)電網(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(dāng)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(dāng)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(bǔ)不切的控制策略。當(dāng)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(bǔ)則切的控制策略。當(dāng)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(bǔ)則切。實(shí)際電網(wǎng)的情況比較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中可能有特殊情況需要處理，因此在控制器程序設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能按照標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)償裝置的投切時間間隔控制上，原電力部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：電容器組投切應(yīng)滿足投切動作時間間隔大于300s1。這主要是從機(jī)械觸電開關(guān)控制出發(fā)和考慮電容器組放電

16、時間、運(yùn)行時投切的隨機(jī)性和循環(huán)投切等要求。對本文機(jī)電一體開關(guān)的無功補(bǔ)償裝置，經(jīng)試驗(yàn)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(yīng)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(bǔ)償裝置應(yīng)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(biāo)，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(jìn)行控制，這種處理對保證裝置和電容器的安全、可靠運(yùn)行是必要的。對于無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)，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(diǎn)在于介紹機(jī)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(hù)等功能的實(shí)現(xiàn)，以及控制器軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問題本文不再詳細(xì)介紹。5 機(jī)電一體開關(guān)無功補(bǔ)償裝置的試驗(yàn)和應(yīng)用機(jī)電一體開關(guān)投切電容器無功補(bǔ)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(fēng)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(diǎn)，而在正常接通期間又具有接觸器無功耗的優(yōu)點(diǎn)；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(yàn)證機(jī)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(jìn)行過長期的額定條件下的投切試驗(yàn)。試驗(yàn)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(jìn)行投切試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中時間繼電器整定時間間隔為15秒鐘投、切一次，該試驗(yàn)進(jìn)行了

18、三個多月時間，共計(jì)完成了30多萬次的機(jī)電一體開關(guān)帶負(fù)荷投、切試驗(yàn)，機(jī)電一體開關(guān)在試驗(yàn)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(jī)電一體開關(guān)無功補(bǔ)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(shí)際應(yīng)用表明，機(jī)電一體開關(guān)投切電容器無功補(bǔ)償裝置與晶閘管投切電容器無功補(bǔ)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(bǔ)償裝置，由于安裝地點(diǎn)分散、數(shù)量大，運(yùn)行和維護(hù)工作量大，對裝置的可靠性要求高，因此機(jī)電一體開關(guān)無功補(bǔ)償裝置是配電臺變無功補(bǔ)償?shù)淖罴堰x擇。參考文獻(xiàn)1 DL/T.597-1996，低壓無功補(bǔ)償控制器訂貨技術(shù)條件S，北京，1996DL/T.59

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20、 李曉明，劉會金等，低壓配電網(wǎng)動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的研制J，武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)（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(xué)和科

21、研工作。北京德外朱辛莊華北電力大學(xué)，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