复合开关在无功补偿装置中的应用

                       —— 吉林亚泰明城水泥有限公司 张华明 雷宇霆
                                             （此文章发表在《电世界》杂志社2007年9期）

一、前言：
    随着时代的不断进步 , 电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展 , 加快了低压无功补偿装置的技术进步，促进了补偿装置的开发和更新换代。原有的低压补偿装置已无法适应提高电能质量所提出的要求 ， 解决电网在运行中产生无功损耗的方法很多，其中使用并联电容器进行补偿是比较简便、经济的一种。电能是企业的必耗成本，与企业效益息息相关。装设无功补偿设备，提高功率因数。对于用电企业的降损节电、用电系统的安全可靠运行有着极为重要的意义。
二、并联电容器的投切开关
   根据调查统计，现在广泛应用的补偿柜中大部分是采用交流接触器或可控硅和大功率固态继电器作为并联电容器的投切开关，而它们作为投切开关都存在着一些问题。
2.1 、交流接触器作为投切开关：
    当交流接触器作为投切开关时，其缺点是：投入电容器时产生倍数较高的涌流，切断电容器时容易在接触器的触头处产生 电弧 ，烧损触头或粘连触头。
2.2 、可控硅和大功率固态继电器作为投切开关：
    当可控硅和大功率固态继电器作为投切开关时，其缺点是：虽然无触点开关具有响应速度快、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，甚至强制制冷。这样，既增大了补偿装置体积，也增加了成本。晶闸管电路的本身也是谐波源，大量的应用对低压电网有不良影响。
2.3 、复合开关作为投切开关：
    复合开关作为投切开关具有 电压过零时投入、过零时切断；开关接通后无功耗，不发热，不加散热片；输入信号与复合开关光电隔离；内置控制电源，无需外配电源；抗干扰能力强等特点。 是集传统电磁式继电器和无触点开关的优点于一体；既不存在电磁继电器通断时所产生的电弧，又不存在无触点开关长期工作时的功率消耗和谐波污染。
三、应用实例：
    作为水泥企业，我们公司——长春亚泰明城水泥厂的用电环境比较复杂，我们使用的低压无功功率补偿柜中，原来投切电容器的开关全部是交流接触器，一共 16 个支路，如图 1 所示：

                                                图 1

在  生产中，由于负荷变化比较大，需要经常投切，补偿柜中的交流接触器经常会出现触头粘连，控制信号撤除后仍然导通的现象，交流接触器经常损坏。据公司统计，平均每三个月就需要更换一批交流接触器。以 CJ19 系列接触器为例，一个接触器单价是 150 元，平均每三个月公司就得损失 3000 元左右。又测得补偿柜运行时的电流波形如图 2 所示：从图 2 的波形可以看出由于干扰，造成正弦波形变化并带有许多毛刺，而且电容器的运行电流也增加了，这样会缩短电容器的使用寿命。上述损失的费用如果再加上更换损坏的电容器，公司的损失就要超过四千元以上。这样不仅影响设备的正常运行，给企业造成不必要的经济损失，而且还增加了维护率和劳动强度。于是我们想到用可控硅来代替交流接触器作为电容器的投切开关，因为无触点开关具有响应速度快、涌流较小、分断无弧光的特点，但在运行中发现谐波量又有增加，发热量大必须强制风冷，而且还提高了运营成本。公司领导对此事非常重视，责成我们尽快解决这个问题。为了解决此问题，通过网络查询，我们与齐齐哈尔齐力达电子有限公司取得联系，请他们帮助我们解决这个问题。齐齐哈尔齐力达电子有限公司是生产、研制电力电子器件及其应用设备的专业生产厂家。在同行业中，有着良好的信誉和较高的知名度。齐力达公司对此事非常重视，派遣技术人员携带专用仪器到现场进行了实地测试并提出了解决方案。经现场测试发现电网中包含 5 次、 7 次、 11 次、 13 次、 17 次、 19 次谐波，如图 3 所示，从图 3 可以看出电网中谐波量比较大，而谐波中又以 5 次谐波为主，所以不益采用可控硅作为投切开关，因为这样会增加电网中的谐波含量并且还会造成波形畸变，甚至会产生谐振。据齐力达技术人员介绍目前，国内并联电容器配置的电抗器，其电抗率主要有以下 4 种类型： <0.5% 、 4.5% 、 6% 和 12% —— 13% 。采用电抗率为 6% 的串联电抗器可以抑制 5 次以上的谐波电流，于是根据测量结果齐力达提出用ＣＡＳＷ型复合式电力电子开关（以下简称复合开关）来替代原有的交流接触器并配备 6% 的电抗器的方案来解决这个问题。如图 4 所示：

                             图 4

此  复合开关是齐力达公司自行设计制造的最新一代开关元件。它是在这个公司专利产品——《 MHQ 型电子灭弧器》的技术基础上的又一次技术整合。有交直流两种控制方式：（ 1 ）、交流控制—— 220V ± 10% ；（ 2 ）、直流控制电压—— 4 至 32V 。其控制起来非常灵活、方便。复合开关的无触点开关采用进口单相可控硅芯片封装而成，其过载能力和可靠性远远高于塑封型双向可控硅所实现的复合开关。
    齐力达公司派遣工程师来到我们公司对无功功率补偿柜进行了现场改造，改造完毕后补偿柜投入运行并测量了电网中的谐波量如图 5 所示， 运行时的电流波形如图 6 所示。 从改造前与改造后的图形比较可以看出，电网中的谐波量减少了许多，电流波形有了明显的改善，从而进一步优化了运行环境，增加了设备的使用寿命，使设备可以正常运行。

        

图 3 （改造前）                               图 5 （改造后）

         

图 2 （改造前）                                 图 6 （改造后）

四、结束语：
    科技是第一生产力，企业的发展要靠先进的技术，经过齐齐哈尔齐力达电子有限公司对我公司无功功率补偿柜的改造，现在已成功运行一年以上，在运行的过程中再没有出现过上述问题，这样即节约了成本，又降低了维护率和劳动强度，给企业带来了经济效益，受到了我们公司的好评。感谢齐齐哈尔齐力达电子有限公司对我们公司的技术支持。此复合开关特别适用于负荷变化大需要经常投切和谐波量较大的场所。对提高配电系统的功率因数，稳定系统电压，降低能耗，具有重要的作用。随着电力电子技术的迅速发展，复合开关投切电容器技术更值得进一步深入研究和大力推广应用。