对0.4kV无功补偿装置投切开关的探讨

摘　要：本文简述了无功补偿装置的分类及其投切开关的发展历程，发展无功补偿对节能减排的实际意义。诠释了一种全新节能的无功补偿投切开关——永磁真空同步开关，并给出了具体的设计方案。

关键词：无功补偿;　　永磁真空同步开关;　　节能减排
一、前言
　　2009年12月，在哥本哈根峰会上中国承诺“到2020年单位GDP碳排放减少40％至45%”。随着全球能源的日益紧缺，节能减排，降低能源消耗受到越来越多的世人关注，无功补偿装置作为一种投资少，见效快的重要节能形式变得尤为重要，其意义主要在以下几个方面：
提高功率因数，避免罚款，减少工矿企事业单位电费开支，降低生产成本；
减少电气设备中的电流损耗，节约电能；
可降低电力系统电压损耗，减少电压波动，改善电能质量；
增加变压器及电网的利用率，节省电气设备的建设投资，挖掘原有电气设备的潜力。
二、无功补偿基本原理
　　电网输出的功率包括两部分：一是有功功率；直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能等,这部分功率称为有功功率；二是无功功率：不消耗电能；只是把电能转换为另一种形式的能,这种能在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率。电流在电感元件中作功时,电流滞后于电压900。而电流在电容元件中作功时,电流超前电压900。在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差1800。如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小。无功补偿正是利用电路的这一特点来实现的。
三、无功补偿装置的分类
　　无功补偿发展到现在已有50多年的历史，从简单到复杂，从手动到自动，按照不同的标准模式，各种分类不尽相同，其主要存在以下几种分类：
按安装地点的不同分为：
(1)高压集中补偿  补偿效果不如后两种补偿方式，但初投资较少，便于几种运行维护。如目前市场上使用SVC、MCR、SVG、TBB等产品。
(2)低压集中补偿  补偿效果较高压集中补偿方式好，特别是它能减少变压器的视在功率，从而可使变压器容量选小，因而在实际工程在广泛应用。(3)分散就地补偿  补偿效果好，应优先采用。但这种补偿方式总的投资较大，且电容器组在补偿的设备停运时，它也将一并切除，因此其利用率较低。
按投切时间不同分为：
(1)延时投切方式：即俗称的""静态""补偿方式。
(2)瞬时投切方式：即人们俗称的""动态""补偿方式。
四、无功补偿投切开关的发展历程
　　低压电容器投切开关由简单到精细经历了4个发展阶段：
　　(一)交流接触器：这是一种传统的电容器投切方式，由于三相交流电的相位互成120°，对交流接触器投切控制，理论上不存在最佳操作相位点(即投切瞬时不可选择性)，使得它投入或切除电网时，要产生一个暂态的过渡过程，又因电容器是电压不能瞬变的器件，并联电容器由交流接触器投切电网时，由于其相位点是随机的，所以会产生幅值很大、频率很高的浪涌电流。涌流不仅会对电网产生不利的干扰，对交流接触器易产生电弧、易烧损触头，而且涌流、过电压会加速电容器的失效，减少电容器的使用寿命，甚至爆炸，所以采用交流接触器的投切方式谐波污染大、维护成本高、不适于频繁操作。
　　(二)可控硅开关：其原理为通过电压、电流过零检测控制，保证在电压零区附近投入电容器组，从而避免了合闸涌流的产生，而切断又在电流过零时完成，避免了暂态过电压的出现，从功能上符合了电容器的过零投切的要求，另外由于可控硅的触发次数没有限制，可以实现准动态补偿(响应时间在毫秒级)，因此适用于电容器的频繁投切。然而可控硅在应用上有致命的弱点：就是在通电运行时可控硅导通电压降约为1V左右，损耗很大，晶闸管对电压变化率(dv/dt)非常敏感，遇到操作过电压及雷击等电压突变的情况很容易误导通而被涌流损坏。所以多用于动态补偿，要求频繁投切的场合，而不适用于常规低压电容器投切的无功补偿装置中。
　　(三)复合开关：就是将晶闸管与继电器接点并联使用，由晶闸管实现电压过零投入与电流过零切除，由继电器接点来通过连续电流，这样就避免了晶闸管的导通损耗问题，也避免了电容器投入时的涌流。但是复合开关技术既使用晶闸管又使用继电器，于是结构就变得相当复杂，并且由于晶闸管对dv/dt的敏感性也比较容易损坏等一些因素。由此可见，该电容器投切开关并非十分完美，有必要进一步研究开发出一种更为理想的电容器过零投切开关。
　　(四)同步开关：是近年来最新发展起来的高性能投切开关，是传统的机械开关与现代微电子技术结合的产物。它吸收了交流接触器控制结构简单，复合开关零电压投入、零电流切除等优点，成功地将投入、切除时瞬间涌流控制在3倍额定运行电流以内，彻底解决了在电容器投切过程中出现的高电压谐波和大涌流等问题。同步开关以单片机为核心，辅以高精度的采样回路和合理的程序设计来替换复合开关中最易损坏的可控硅元件，不仅避免了可控硅组件所容易出现的故障，还将选相精度从原来复合开关的2~5电度角提高到1~3电度角，真正意义的做到了无涌流，实现了理想的过零投切；同时同步开关增设了有效的放电回路，将过电压限定在安全区内，使其能安全可靠的适用于频繁投切。由于同步开关应用了单片机技术，不仅能通过RS485通讯控制方式对多至64路电容器进行控制，还具备通讯功能，可将基层单位的电测量信息实时发送到上级电网，为发展智能电网作好准备。同步开关的驱动功耗仅有1~3W，最大限度的做到了节约能源。其不仅广泛适用于常规环境下，还特别适用于南方户外夏天高温潮湿(+60℃以上)、北方户外低温寒冷(-40℃以下)的恶劣环境温度下长期运行。有关专家普遍认为：同步开关必将替代复合开关和交流接触器成为无功补偿电容器投切开关的主流。
五、BTK1-15永磁真空同步开关低压无功补偿装置的设计
1-15技术性能
　　BTK1-15同步开关适合在额定工作电压400V，额定绝缘电压500V，额定频率50Hz，额定电流≤200A的情况下使用。
　　BTK1-15永磁真空同步开关，配长寿命真空灭弧室，无重击穿，无电弧外逸；触点永不氧化，耐过压，过电流能力强。分、合闸操作时，以毫秒级电流脉冲，分、合闸操作完成后，无需保持电流，靠永磁体吸力使开关保持在分合闸位置，彻底杜绝线包发热，因此装置自身耗能低，发热量小，节能。配用专门设计的永磁机构

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，可确保开关电寿命和机械寿命均为100 万次。配合专用电力综合测控仪,实现永磁真空同步开关的同电位关合，无涌流，无需每个周期触发，没有半导体元件压降引起的交越失真，显著提高电容器寿命和系统稳定性。
2.工作原理
　　装置通过采集主系统的电流、电压，以“无功功率控制，电压限制”的方式工作；真空同步开关按照电力综合测控仪发出的指令，在电压零点投入电容器，使得系统不产生涌流并且得到最佳补偿效果。专门设置的放电模块使电容器在断电后2~8 S 内由放电回路将电容电压降至20V 以下。其原理图如下：

　　工作原理图
应用永磁真空开关以上原理，根据使用场合的要求不同，设计出2款产品；
1系列无涌流户外低压无功补偿装置主要用于户外柱上作无功补偿用。产品符合标准GB/T15576-1995低压无功功率静态补偿装置总技术条件 、DL/T842-2003 低压并联电容器装置使用技术条件及相关IEC标准。
系列低压户内无涌流无功补偿装置主要安装于户内。适用于石油、化工、冶金、纺织、高层建筑等行业的配电系统。产品符合GB7251《低压成套开关设备和控制设备》、GB/T15576《低压无功功率静态补偿装置总技术条件 》、JB/T9661《低压抽出式开关设备》、IEC60439-1《低压成套开关设备和控制设备》标准。
六、效益分析
1.效益分析
　　如某矿山厂在安装无功补偿装置前，经常存在电器设备绝缘损坏、熔断器爆炸、设备无故停运等故障，每小时多耗200kW，一年累计损失超过四十多万元。经专业部门测试，该企业平时运行功率因数在0.70~0.85之间，远低于我国《供电营业规则》规定的功率因数0.90要求。后对设备进行了改造，加装了NJ无功补偿装置,其带来了显著的经济效益，提高了生产效率,主要反映在以下几方面:
(1)将功率因数提高到0.92以上，减少供电部门的罚款；
(2)稳定了电压波动与无功波动，提高了产品质量；
(3)滤除了部分谐波，减少了谐波对变压器、电机、电缆、电容等电气设备的损害；
(4)提高了电能质量，减少了保护装置的误动作，稳定生产；
(5)增加低压配电系统的裕度,充分挖掘出了发供电设备的潜力。
结束语
　　综上所述，要使用无功补偿装置真正实现节能减排，提高生产效率，提高生产设备的使用寿命，必须对现有的无功补偿方案进行变革。永磁真空同步开关作为无功补偿装置中的执行元件，将在无功补偿节能设备领域引起一场新的技术革命。
参考文献：
[1] 翁双安主编 《供电工程》北京：机械工业出版社，2004.5
[2] 黄绍平等编著《成套电器技术》北京：机械工业出版社，2005.9
[3] 颜睿等 《应用永磁真空同步开关的低压无功补偿装置》电压技术交流研讨会论文集 2006.4

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