摘要：补偿电容器组可以减少供电系统的网络损耗，提高区域电网电压以及功率因数，改善供电质量。但投切并联电容器组时会产生暂态过电压、高频振荡和高频涌流，缩短用户设备和电容器组本身的寿命。本文首先阐述了目前投切电容器组时主要采用的交流接触器、晶闸管和复合开关的优缺点，之后，介绍了同步开关技术的原理，并结合其难点提出了对应的解决方法。
引言
东莞供电局2017年年中工作会议指出，用户通过全国电力监管投诉热线12398对东莞供电局的投诉中，电能质量问题仍处第一位。无功补偿装置是现有最主要的电能质量控制措施之一，能有效的提高电能质量，但目前机械式触点投切电容器组因其成本低、电路简单仍占有较大市场，变电站中的补偿电容器组在投运后2~3年后就会出现损坏，检修工作量很大。电容器组的投切会造成的暂态过电压、高频振荡和高频涌流除导致用户设备损坏外，对站用低压设备会造成更直接的影响，所以采用更为有效的投切元件进行控制，具有重要意义。
1补偿电容器组常用投切元件优缺点
1.1 接触器
接触器结构简单、成本低，在工作现场仍有较多应用。但其在投切电容器组时不对相位进行检测，无法对补偿需求进行快速响应，在设计上未进行电弧的预燃和重燃控制，动作后产生较大涌流，易造成触头黏连，对安全运行和电容器组寿命影响较大。
1.2 晶闸管
晶闸管作为硅整流器件具备在高电压、大电流场合工作的性能，用于电容器组投切中，可以实现在电压零点和电流零点分别投入和切除，降低了合闸涌流，提高了投切响应速度。但晶闸管成本高、过载能力低、功耗大需要增加散热片或散热系统、易受电压波动而损坏等缺点制约了其在电容器组投切中的应用。
图1 同步开关合闸控制时序图
1.3 复合开关
复合开关是将晶闸管和接触器并联，晶闸管仅在电容器组投切时工作，电容器组正常运行时的电流则由接触器承担。复合开关有效降低了晶闸管的发热，提高了对补偿需求的响应速度。但复合开关的复杂结构对工艺要求较高。目前工程中使用的复合开关常使用小功率晶闸管，导致晶闸管过载能力小的缺点被放大，在谐波较大的场合极易被击穿。
2 提升同步开关工作性能的探讨
依赖于电子技术的发展，同步开关基于单片机控制，利用采样回路检测电压和电流的过零点，程控回路结合控制命令对电容器组进行投切。
首先，简要介绍同步开关工作原理。之后，结合其工作原理和应用中的难点问题，提出针对性的解决方法。
2.1 同步开关工作原理
同步开关的分合闸控制方式相同，此处仅介绍其合闸控制过程。其在电压零点合上断路器的原理如图1所示：同步开关在t1时刻接收到随机投入电容器组命令，在t2时刻检测到第一个电压过零点，延时Tr在t3时刻向断路器机构发出合闸驱动命令，经断路器合闸耗时Tc，于电压零点t4合闸。
延时时间Tr的计算公式为
(1)
其中T为0.5个周波的时间，即10ms。
2.2 提升同步开关工作性能的措施
为尽量在零点投切电容器组减轻电弧预燃和重燃现象，同步开关应用中存在的三个难点及其改进措施如下：
第一，需要提供给同步开关准确的断路器分合闸耗时。由于断路器机构的机械特性受电压波动、机械损耗、驱动机构压力等因素影响，每次断路器分合闸的耗时不尽相同。利用同步开关控制器中的EEPROM动态记录断路器前若干次分合闸的耗时，之后根据存储数据的概率分布计算出加权平均值，赋值给合闸耗时Tc（或分闸耗时To），可从统计学角度减小断路器分合闸耗时误差。
第二，需要缩短断路器分合闸耗时。断路器触点行程过长，触点间电压高于恢复电压会造成预燃或重燃的可能性大大增加。缩短断路器的分合闸耗时，可从提高断路器分合闸线圈电压着手，由于低压设备绝缘提高较容易，且分合闸线圈不是处于长期工作状态，增设升压电路以缩短断路器分合闸耗时具有可行性。
第三，需要考虑电压波动准确对断路器发出驱动信号。由于断路器分合闸耗时受线圈驱动电压影响，故亦会受电压波动的影响。同步开关控制器可以增设对分合闸线圈电压值的检测，与参考电压值对比，根据差值正负适当提前或延后向断路器机构发出的分合闸驱动命令时间。
结束语
同步开关用于电容器组无功补偿，避免了接触器投切方式的涌流问题、晶闸管投切方式的过热问题和复合开关投切方式的结构复杂问题。改进后的同步开关结构简单、工作可靠性高、成本较复合开关低，能有效抑制电容器组投切过程中的过电压和涌流，是新一代电容器组投切元件的理想选择。
参考文献
[1] 徐永海, 兰巧倩, 洪旺松. 交流接触器对电压暂降敏感度的试验研究[J]. 电工技术学报, 2015, 30(21):136-146.
[2] 刘会金, 彭疆南, 陈孜孜,等. 电容器并补大功率晶闸管阀的研究[J]. 电力系统及其自动化学报, 2001, 13(1):31-34.
[3] 魏孟刚, 李鹏, 何砚德,等. 复合开关投切无功补偿电容器的研究[J]. 电力电子技术, 2013, 47(8):96-98.
[4] Liu J, Li L, Huang X, et al. Dynamic characteristics of the blisk with synchronized switch damping based on negative capacitor[J]. Mechanical Systems & Signal Processing, 2017, 95(1):425–445.
作者简介
钟世杰（2004从业至今），男，工程师，从事电力设备运行维护。
论文作者:钟世杰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/16
标签：电容器论文; 断路器论文; 电压论文; 晶闸管论文; 接触器论文; 过电压论文; 零点论文; 《电力设备》2017年第32期论文;