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低压电容器投切开关的发展历程及趋势
发布者: 发布时间:2020-10-22 阅读:129

关于无功补偿

无功补偿就是要提高电能利用效率、降低电网损耗、营造绿色电力环境,保护生态环境,达到节能减排的目的。通过改变并联电容器的容量来改变无功功率是当前最基本和被普遍采用的经济有效的方法,这一方法也是电力系统中提高使用效率最基本最有效的手段之一,也是最容易实现的方法。无功补偿装置中最主要的元件是投切开关和电容器,而投切开关的性能直接影响到电容器的使用寿命及补偿效果,所以其性能至关重要。

 

低压电容器投切开关的发展历程及趋势

    低压电容器投切开关的应用经历了一个由简单粗犷到理性精细的发展过程,下面是目前使用的各种低压补偿电容器投切开关的分析比较:

交流接触器

最先应用于低压电容器投切的开关是交流接触器,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(涌流最大时可能超过100倍电容器额定电流)。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。为了改善这些缺陷,出现了所谓投切电容器专用接触器,就是在接触器的主触头处并以带电阻的辅助触头,在合闸时先合上辅助触头,然后再合上主触头,以此减低浪涌电流;而分闸时时序恰好相反,先分主触头,而后再分辅助触头,以此减轻电弧对触头的烧损。但这一措施仅仅是一种改良而已,并未在根本上解决问题,涌流、过电压和谐波污染仍然存在,对电容器和装置的寿命仍有很大的影响,所以其在低压电容器投切领域的应用将越来越少。但由于其投资低、控制简单,所以至今在不少技术要求低的地方仍在应用,但可以预见,随着电容器投切开关的发展,将逐步被淘汰。

可控硅开关(固态继电器)

随着电力电子器件应用的发展和普及,后来人们研发出由可控硅为核心的固态继电器。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,这就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,非常适用于频繁变化的负荷情况,相对于交流接触器有了质的飞跃。然而固态继电器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(以额定容量100Kvar的补偿装置为例,每相额定电流约为145A,则可控硅额定导通损耗为145×1×3=435W),由于有大的功耗所以需要散热以避免PN 结的热击穿,为了降温就需要使用面积很大的散热器,甚至需要风扇进行强迫通风,另外可控硅对电压变化率(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,即使安装避雷器也无济于事,因为避雷器只能限制电压的峰值,并不能降低电压变化率。可控硅开关的缺点是结构复杂、体积大、损耗大、成本高、可靠性差,优点是能实现过零投切、动作迅速、反应快,多用于动态补偿的场合,而不适用于常规低压电容器投切的无功补偿装置中。

复合开关

当仔细分析研究了交流接触器和可控硅开关的各自优缺点之后,发现如果把二者巧妙地结合来,优势互补,发挥接触器运行功耗小和可控硅开关过零投切的优点,便是一个较为理想的投切元件,这就是开发复合开关的基本思路,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二者的优点,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。要把二者结合起来的关键是相互之间的时序配合必须默契,可控硅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,当接触器投入后可控硅开关就立即退出运行,这样就避免了可控硅元件的发热。这种看似很理想的复合开关自从2002 年开始,由原来全国仅数家企业研发生产,至今已扩展到数十家企业,虽外型结构或电路有所不同,但内在原理基本相同:用小形三端封装的可控硅作为电容器的投入和切除单元,用大功率永磁式磁保持继电器代替交流接触器负责保持电容器投入后的接通,其过零检测元件是一粒电压过零型光辊双向可控硅。从原理上看是理想的投切元件,但实际上并非如此,它存在下面一些缺陷:

1)小形三端(TOP)封装可控硅由于结构性的原因,目前这类型式的可控硅其短时通流容量不能做得很低(低于60A ),反向耐压一般也只能达到1600V 左右,这就限制了它的应用范围。由仿真和计算证明在38OV 的系统电压下,电容器理想开断时的稳态过电压就可能达到1600V ,当系统电压高于380V (这是常有的情况)或非理想开断时的暂态过电压就可能远大于可控硅的反向耐压位1600V ,众所周知可控硅是一种对热和电冲击很敏感的半导体元件,一旦出现冲击电流或电压超过其容许值时,就会立即使其损坏,而且是永久性的损坏.实际运行情况已经表明了复合开关的故障率相当高。

2)由于采用了可控硅等电子元器件其结构复杂成本上升,与交流接触器在价格上难以相比。

3)复合开关的过零是由电压过零型光耦检测控制的,从微观上看它并不是真正意义上的过零投切,而是在触发电压低于16V~40V 时(相当于2~5电度)导通,因而仍有一点涌流。

4)复合开关技术既使用可控硅又使用继电器,于是结构就变得相当复杂,并且由于可控硅对dv/dt的敏感性也比较容易损坏。

由上述分析比较可见,目前使用于低压补偿装里中的各种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。

选相开关(又称同步开关)

    选相开关是近年来最新发展起来的专用无功补偿电容器投切开关,是传统的机械开关与现代微电子技术的完美结合产物。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,完美地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;选相开关拒绝使用可控硅,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电度角,真正意义的做到了无涌流,实现了理想的过零投切;为了更进一步抑制电容器投切开关开断时的暂态过电压,选相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;由于选相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,为发展智能化电网作好准备;选相开关可以实现共补和分补,以适应用户的不同需求;由于选相开关的驱动功耗仅有1-3W最大限度的做到了节约能源;选相开关不仅广泛适用于低压无功补偿装置,或在特殊场合下作为开关元件使用,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。综上所述,选相开关不仅大大提高了电容器投切开关的安全可靠性,还很节能环保,经济耐用,是交流接触器及复合开关理想的换代产品,专家普遍认为:选相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。

 

 

 

 

 

 

 

选相开关

——优于复合开关和交流接触器的6大理由

经济耐用

+ 系统运行成本低:选相开关投切精度高、无冲击,大大延长了补偿电容器的使用寿命,降低了投切开关和补偿电容器的长期运行成本。

+ 产品性价比高:选相开关的生产制造成本高于普通交流接触器,但低于复合开关和高档交流接触器。

+ 能节约补偿装置的生产制造成本:选相开关抗干扰和抗谐波的能力强,在恶劣的用电环境下不加电抗器仍能正常工作,从某种意义上讲,可大大节约补偿装置的生产制造成本。

+ 选相开关的触点使用寿命长交流接触器的触点寿命约为1万到几万次,复合开关约为几十万次,选相开关为100万次以上。

+ 被投切的补偿电容器寿命长:选项开关投切精度高、无冲击,大大延长了补偿电容器的使用寿命。

安全可靠

+ 无涌流:选相开关接通负载时电压过零,所以无涌流。

+ 无电弧:选相开关切除负载时电流过零,所以无电弧。

+ 抗谐波能力强:选相开关采用单片机控制磁保持继电器实现无涌流投切,而放弃使用对电压变化率(dv/dt)非常敏感的可控硅,故抗谐波能力强。

+ 抗干扰能力强:选相开关输入与输出回路之间光电隔离,保证了输入与输出之间的绝缘电阻高达10MΩ,耐压在4000V以上,具有优良的隔离性,可以抑制干扰消除噪声。

+ 过载能力强:为了更进一步抑制电容器投切开关投切时的暂态过电压,选相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。

+ 无可控硅组件故障:选相开关拒绝使用可控硅,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,避免了可控硅组件所容易出现的故障。

+ 理想的过零投切:选相开关通过合理的程序设计将选相精度从原来的2~5电度角提高到1电度角,真正意义做到了无涌流,实现了理想的过零投切。

+ 完善的保护措施:选相开关有自诊断故障保护电源电压缺相保护停电保护功能。

节能环保

+ 节约原材料、节约能源、减少污染排放:因为选相开关的控制系统结构精简,系统运行寿命长,节约了制造和运行维护所使用的原材料及能源,减少了因制造产品所产生的污染排放;

+ 保持工作噪音小:选相开关采用的磁保持继电器控制触点,抗干扰能力强,比交流接触器采用交流线圈控制触点的工作噪音更小。

+ 无电源污染:选相开关在闭合和分断瞬间无高电压谐波和大涌流,相比交流接触器而言不会给电网造成谐波污染。

+ 驱动功耗低、不发热:交流接触器的驱动功耗为10-100W,复合开关为3-10W,而选相开关为1-3W。因选相开关无可控硅大功率发热元件,所以不会发热。

省心

+ 可减少对电容器投切开关的维护次数:选相开关投切电容器时无高电压谐波和大涌流,也无可控硅被击穿的隐患,故障率低、寿命长;

+ 可减少对补偿电容器的维护次数:选相开关投切精度高、无冲击,大大延长了补偿电容器的使用寿命;

+ 适应能力强:选相开关抗干扰和抗谐波的能力强,就算是在用电环境极差的情况下仍能正常工作,还能在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安全运行。

专业的出厂检验

选相开关生产厂家一般都配有专业的低压电容器投切开关检测设备,拥有成熟、先进的检测手段,针对每一只选相开关进行温升、涌流测试,老化测试,综合测试等一系列的出厂检验,以确保每件产品出厂后都经得起市场的考验。

好的运行业绩

由于复合开关刚问世时频频出现故障,给复合开关后来的发展带来了许多负面影响,因此目前研发生产选相开关的厂家都非常注重产品技术的成熟、出厂检验和足够长时间的市场应用经历,所以从根本上消除了用户对新产品质量担忧的顾虑。

 

【选相开关的现状】

选相开关凭借其安全可靠、经济耐用的核心技术优势,使得全国各大低压无功补偿电气生产厂家都陆续开始研发选相开关,希望能在市场上赢得先机。然而,由于高技术壁垒使得拥有成熟选相开关技术的厂家屈指可数,而真正研发成功而且其产品已经应用在电力系统中的公司更是寥寥无几,到目前为止笔者在市面上真正亲眼所见在电力系统中能安全稳定运行使用的选相开关仅有“雷尔斯”这1个牌子,好像是重庆的一家科技公司。但近年来一些不道德的生产厂为了抢占市场,借着人们对选相开关技术优势的看好,将不成熟的选相开关产品投放到市场,有的甚至将复合开关进行简单的结构、外观修改后,直接冒充选相开关投放到市场,使得广大用户并未真正体验到选相开关的核心技术优势,也未能从选相开关的技术优势中受益,有的甚至还会因质量问题给用户带来损失,导致人们对选相开关的技术优势并无深刻认识,误以为跟复合开关相比并无差别。

    因此,用户在选用前应对选相开关的核心技术优势做全面的了解,选用时也应认真仔细的辨明产品真伪和质量优劣,确保选相开关的技术优势真正意义被体验到,实实在在的从选相开关的技术优势中受益。

对比项目

交流接触器

复合开关

选相开关

系统运行成本

有电弧,较高的浪涌电流及开关过电压,补偿电容易击穿,需经常检修更换,长期运行成本高。

单触点磁保持结构,机械及电寿命短,可控硅容易损坏,不易检查触点烧坏情况,长期运行成本较高。

无电弧,补偿电容使用寿命长,单触点磁保持结构,无可控硅半导体元件,故障率低,长期运行成本极低。

安全稳定性

在控制电压较低或较高时易烧线圈,可导致电容器击穿,总闸跳闸,安全稳定性差。

可控硅电压变化率敏感,对过电流的承受能力不强,存在击穿隐患,安全稳定性仍较弱

采用微处理器驱动磁保持继电器控制触点,拒绝使用可控硅,杜绝了因可控硅被击穿的带来的隐患,大大提高了安全稳定性。

产品成本

较高

适中

涌流

不检测电压是否过零,涌流达20倍以上

电压过零触发无涌流

电压过零接通无涌流

电弧

不检测电流是否过零,电弧强

电流过零切除无电弧

电流过零切除无电弧

过载能力

较强

控制系统

简单

复杂

简单

保持工作噪音

电源污染

启动和分断瞬间有谐波污染

驱动功耗

10W100W

3-10W

1-3W

可靠性

只起开关作用,无保护功能。

有缺相保护、开关不到位保护等

具有自诊断故障保护电源电压缺相保护停电保护功能。

补偿电容寿命

较长

使用寿命

额定触点寿命短,约一万次到几万次。

触点寿命及机械寿命约几十万次,可控硅工作时间较长,所需承受电压高,易损坏。

触点寿命及机械寿命约一百万次,使用寿命长

抗谐波能力

抗干扰能力

操作频率

每小时百次到千次

每小时几十到百次

每小时百次到千次

应用电压等级

400V

400V

400V时可使用继电器

高压时可使用断路器

驱动形式

交流线圈驱动

可控硅驱动直流线圈磁保持继电器

微处理器驱动直流线圈磁保持继电器

触点结构

桥式结构

机械式

继电器单触点结构

机械半导体并联式

继电器单触点结构

机械式

可控硅受压

——

线电压

——

 

交流接触器、复合开关及选相开关——性能参数

 
 

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