許家寶

（安徽工程大學(xué)，安徽蕪湖 241000）

電網(wǎng)電能質(zhì)量涉及面很廣，主要包括無功補(bǔ)償、抑制諧波、降低電壓波動和閃變以及解決三相不平衡等方面，在這些方面無功補(bǔ)償系統(tǒng)無疑是保證電網(wǎng)高質(zhì)量、穩(wěn)定運行的一種主要手段。

1 無功補(bǔ)償裝置的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

就無功補(bǔ)償而言，隨著技術(shù)進(jìn)步，無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，從手動到自動的發(fā)展過程，更加符合無功功率補(bǔ)償要求的新的技術(shù)裝備不斷涌現(xiàn)。如靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）就是一種綜合治理電壓波動和閃變、諧波以及電壓不平衡的重要設(shè)備

無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了從同步調(diào)相機(jī)→開關(guān)投切固定電容→靜止無功補(bǔ)償器（SVC）→直到今天引人注目的靜止無功發(fā)生器SVG（STATCOM）的幾個不同階段。

同步調(diào)相機(jī)相當(dāng)于空載運行時的同步電動機(jī)。至今在無功補(bǔ)償領(lǐng)域中這種裝置還在使用，但是旋轉(zhuǎn)運行損耗和噪聲都比較大，響應(yīng)速度慢，維護(hù)復(fù)雜，價格較高，技術(shù)上己顯落后。靜止無功發(fā)生器SVG（STATCOM），是一種更為先進(jìn)的新型靜止型無功補(bǔ)償裝置。目前技術(shù)上有局限性，具體應(yīng)用少，但SVG是靈活柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）技術(shù)和定制電力（CP）技術(shù)的重要組成部分，它代表著現(xiàn)代無功功率補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。

2 傳統(tǒng)投切開關(guān)

由于電力系統(tǒng)中感性負(fù)載居多，為了補(bǔ)償無功，低成本的電容器并聯(lián)作為無功補(bǔ)償裝置無疑是個好選擇。在無功補(bǔ)償裝置中，非常重要的是電容器組投切過程。

傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器組的投入運行，最早其投切主要采用刀閘開關(guān)，人工手動切換的。電容器采用這種的投切方式，必然導(dǎo)致無功補(bǔ)償實時性非常差，不能平滑的對電網(wǎng)進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償，功率因數(shù)和電壓質(zhì)量波動很大。

采用接觸器投切電容器時，響應(yīng)時間較手工方式短些，且接觸器觸點開關(guān)導(dǎo)通容量大，無波形畸變的；但存在投切中出現(xiàn)嚴(yán)重的沖擊電流，造成電網(wǎng)劇烈的波動，接觸器觸頭易出現(xiàn)電弧燒毀等問題。這種方式任然屬于傳統(tǒng)開關(guān)投切的范疇，是種機(jī)械式投切補(bǔ)償電容器的方式，必然存在響應(yīng)慢，連續(xù)可控能力差等問題。

3 晶閘管開關(guān)

伴隨電力電子技術(shù)的發(fā)展，在無功補(bǔ)償領(lǐng)域里，一些新型的電力電子器件得到應(yīng)用，在無功補(bǔ)償裝置中開始采用電子開關(guān)作為投切開關(guān)。

用于投切電容器的開關(guān)閥采用雙向晶閘管的無觸點開關(guān)電路（又稱固態(tài)繼電器）原理接線如圖1（a）所示。取代了傳統(tǒng)的交流接觸器投切開關(guān)，其優(yōu)點是投切動作時無拉弧，動作時間短，可做到任意時刻投入，特別適合于繁投切的場合；這個器件在導(dǎo)通狀態(tài)下存在較大的壓降，器件自身功率損耗導(dǎo)致與溫升，易產(chǎn)生晶閘管損壞，造成無功補(bǔ)償裝置可靠性下降，這是它的不足。

有時出于成本的考慮也可以用二極管替代其中的一個晶閘管，這時晶閘管和二極管反向并聯(lián)。這種開關(guān)電路與雙晶閘管電路相比，技術(shù)性能相近，可制造成本較低，如圖.1（b）。

圖1 投切開關(guān)的結(jié)構(gòu)

4 機(jī)電復(fù)合開關(guān)

通過上述比較分析，作為控制投切補(bǔ)償電容器的開關(guān)部件。在工程應(yīng)用中，為了揚長避短，可以由晶閘管和接觸器并聯(lián)構(gòu)成復(fù)合開關(guān)。復(fù)合開關(guān)其基本思想是以快速動作的晶閘管來控制補(bǔ)償電容器投切瞬間，實現(xiàn)了快速投切，避免接觸器等機(jī)械觸點投切瞬間，產(chǎn)生較大沖擊電流與拉弧等問題；補(bǔ)償電容器投入補(bǔ)償穩(wěn)定運行后，由接觸器機(jī)械觸點來通過連續(xù)電流，這樣就避免了晶閘管的導(dǎo)通損耗問題。由于既使用了電力電子器件又使用了機(jī)械接點，因此稱為復(fù)合開關(guān)。

如圖1（c）所示，對于集合了交流接觸器于晶閘管（固態(tài)繼電器）二者優(yōu)點的機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)是一種新型的補(bǔ)償電容器投切開關(guān)，擁有較好的性能優(yōu)勢。

5 過零投切

對于并聯(lián)無功補(bǔ)償電容器來說，過零投切是指電壓過零投入和電流過零切除。復(fù)合開關(guān)的基本工作原理是將晶閘管開關(guān)與磁保持繼電器并接，原理上能實現(xiàn)電壓過零導(dǎo)通和電流過零切斷，

在電源電壓與電容器電壓相等的瞬間將電容器接入系統(tǒng)，這樣就不會產(chǎn)生涌流；電容器的電壓與電流有90度的相位差，因此在某相電壓的峰值時刻（某相電流為零）斷開，就可以實現(xiàn)電容器電流過零切除。從而實現(xiàn)開關(guān)接點的無電弧分?jǐn)?/p>

電壓過零投入，電流過零切除的好處：無過電壓、無火花、無干擾。過零投切使復(fù)合開關(guān)在接通和斷開的瞬間具有晶閘管開關(guān)的優(yōu)點，而在正常接通期間又具有接觸器開關(guān)無功耗的優(yōu)點。其實現(xiàn)方法是：投入時是在電壓過零瞬間晶閘管先過零觸發(fā)，穩(wěn)定后再將磁保持繼電器吸合導(dǎo)通；而切出時是先將磁保持繼電器斷開，晶閘管延時過零斷開，從而實現(xiàn)電流過零切除。

6 智能開關(guān)技術(shù)

智能開關(guān)的基本定義可以理解為利用控制開關(guān)和電子元器件的組合及編程構(gòu)成的，可以實現(xiàn)電路智能化導(dǎo)通與關(guān)斷的相關(guān)設(shè)備的總和。具有開關(guān)功能與控制動作等基本功能的設(shè)備都可以認(rèn)為是控制開關(guān)的范疇。

在無功補(bǔ)償裝置中，投切開關(guān)控制著低壓無功補(bǔ)償電容器的導(dǎo)通與關(guān)斷，對在高性能的動態(tài)實時無功補(bǔ)償起著關(guān)鍵作用。為了實現(xiàn)機(jī)電復(fù)合開關(guān)控制補(bǔ)償電容器時的過零投切，可以在復(fù)合開關(guān)的基礎(chǔ)上，增加自動控制，過零觸發(fā)電路等電路，對復(fù)合開關(guān)實現(xiàn)智能化控制。

智能復(fù)合開關(guān)的基本原理就是利用了電力開關(guān)器件通斷是可控的無觸點通斷，以及電磁式交流接觸器觸點接觸電阻小，負(fù)載能力強(qiáng)，無保持損耗的優(yōu)點。是在普通復(fù)合開關(guān)的基礎(chǔ)上，綜合機(jī)電特性，具有一定智能的新一代低壓無功補(bǔ)償裝置中的電容投切開關(guān)。

嚴(yán)格的講，智能復(fù)合開關(guān)還不是嚴(yán)格意義上的“智能開關(guān)”，但它已具智能開關(guān)的雛形，智能開關(guān)在無功補(bǔ)償裝置中適用于無功補(bǔ)償中的電容投切，以及自動化控制。智能可實現(xiàn)無需等待電容放電，在短時間內(nèi)無沖擊電流投入補(bǔ)償電容，快速頻繁投切不影響補(bǔ)償電容的使用壽命，可做到無涌流投切，可靠性高、響應(yīng)速度快，使用壽命長。同時具備完善的保護(hù)功能，能夠智能監(jiān)控可控部件，電源和負(fù)載的運行狀況，具有較為完善的護(hù)功能。

電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置中智能開關(guān)技術(shù)是一種智能化的新型控制執(zhí)行部件，與無功補(bǔ)償系統(tǒng)聯(lián)系密切。在無功補(bǔ)償控制領(lǐng)域，它的開發(fā)與研究，可以結(jié)合無功補(bǔ)償控制器進(jìn)行。二者有機(jī)結(jié)合，將使智能開關(guān)更具生機(jī)與活力。

適用于無功補(bǔ)償電容的通斷控制，智能電容投切開關(guān)原理簡如圖.3所示。主要是機(jī)電復(fù)合開關(guān)的基礎(chǔ)上，檢測電網(wǎng)參數(shù)，通過嵌入式微處理器（MCU）對電網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，通過邏輯判斷，自動尋找電壓過零點投入和電流過零點切除。還可同時具有電壓異常保護(hù)，運行指示等功能。

7 結(jié)語

智能開關(guān)技術(shù)的研究是無功補(bǔ)償裝置領(lǐng)域發(fā)展趨勢之一。電力可控開關(guān)器件（如晶閘管）是智能復(fù)合開關(guān)的重要易損器件。以智能測控為核心的MCU系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)，起著指揮與協(xié)調(diào)作用，決定著智能開關(guān)在無功補(bǔ)償裝置中的發(fā)展方向。

圖3 智能開關(guān)原理見圖

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