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復(fù)合開關(guān)發(fā)展趨勢
發(fā)布時間：2015-06-10 22:59:06 發(fā)布人： (人氣： )
（一）交流接觸器：最先應(yīng)用于低壓電容器投切的開關(guān)是交流接觸器，這是一種傳統(tǒng)的電容器投切方式，由于三相交流電的相位互成120°，對交流接觸器投切控制，理論上不存在最佳操作相位點（即投切瞬時不可選擇性），使得它投入或切除
（一）交流接觸器：最先應(yīng)用于低壓電容器投切的開關(guān)是交流接觸器，這是一種傳統(tǒng)的電容器投切方式，由于三相交流電的相位互成120°，對交流接觸器投切控制，理論上不存在最佳操作相位點（即投切瞬時不可選擇性），使得它投入或切除電網(wǎng)時，要產(chǎn)生一個暫態(tài)的過渡過程，又因電容器是電壓不能瞬變的器件，并聯(lián)電容器由交流接觸器投切電網(wǎng)時，由于其相位點是隨機的，所以會產(chǎn)生幅值很大、頻率很高的浪涌電流（涌流最大時可能超過100倍電容器額定電流）。涌流不僅會對電網(wǎng)產(chǎn)生不利的干擾，對交流接觸器易產(chǎn)生電弧、易燒損觸頭，而且涌流、過電壓會加速電容器的失效，減少電容器的使用壽命，甚至爆炸，所以采用交流接觸器的投切方式諧波污染大、維護成本高、不適于頻繁操作。為了改善這些缺陷，出現(xiàn)了所謂投切電容器專用接觸器，就是在接觸器的主觸頭處并以帶電阻的輔助觸頭，在合閘時先合上輔助觸頭，然后再合上主觸頭，以此減低浪涌電流；而分閘時時序恰好相反，先分主觸頭，而后再分輔助觸頭，以此減輕電弧對觸頭的燒損。但這一措施僅僅是一種改良而已，并未在根本上解決問題，涌流、過電壓和諧波污染仍然存在，對電容器和裝置的壽命仍有很大的影響，所以其在低壓電容器投切領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越少。但由于其投資低、控制簡單，所以至今在不少技術(shù)要求低的地方仍在應(yīng)用，但可以預(yù)見，隨著電容器投切開關(guān)的發(fā)展，將逐步被淘汰。
（二）晶閘管開關(guān)：隨著電力電子器件應(yīng)用的發(fā)展和普及，后來人們研發(fā)出由可控硅為核心的晶閘管開關(guān)（固態(tài)繼電器)。其原理為通過電壓、電流過零檢測控制，保證在電壓零區(qū)附近投入電容器組，從而避免了合閘涌流的產(chǎn)生，而切斷又在電流過零時完成，避免了暫態(tài)過電壓的出現(xiàn)，這就從功能上符合了電容器的過零投切的要求，另外由于可控硅的觸發(fā)次數(shù)沒有限制，可以實現(xiàn)準(zhǔn)動態(tài)補償（響應(yīng)時間在毫秒級），因此適用于電容器的頻繁投切，非常適用于頻繁變化的負(fù)荷情況，相對于交流接觸器有了質(zhì)的飛躍。然而固態(tài)繼電器在應(yīng)用上有致命的弱點：就是在通電運行時可控硅導(dǎo)通電壓降約為1V左右，損耗很大（以額定容量100Kvar的補償裝置為例，每相額定電流約為145A，則可控硅額定導(dǎo)通損耗為145×1×3=435W），由于有大的功耗所以需要散熱以避免PN 結(jié)的熱擊穿，為了降溫就需要使用面積很大的散熱器，甚至需要風(fēng)扇進(jìn)行強迫通風(fēng)，另外可控硅對電壓變化率（dv/dt）非常敏感，遇到操作過電壓及雷擊等電壓突變的情況很容易誤導(dǎo)通而被涌流損壞，即使安裝避雷器也無濟于事，因為避雷器只能限制電壓的峰值，并不能降低電壓變化率。可控硅開關(guān)的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、損耗大、成本高、可靠性差，優(yōu)點是能實現(xiàn)過零投切、動作迅速、反應(yīng)快，多用于動態(tài)補償?shù)膱龊?，而不適用于常規(guī)低壓電容器投切的無功補償裝置中。
（三）復(fù)合開關(guān)：當(dāng)仔細(xì)分析研究了交流接觸器和可控硅開關(guān)的各自優(yōu)缺點之后發(fā)現(xiàn)，如果把二者巧妙地結(jié)合來，優(yōu)勢互補，發(fā)揮接觸器運行功耗小和可控硅開關(guān)過零投切的優(yōu)點，便是一個較為理想的投切元件，這就是開發(fā)復(fù)合開關(guān)的基本思路，這種投切開關(guān)同時具備了交流接觸器和電力電子投切開關(guān)二者的優(yōu)點，不但抑制了涌流、避免了拉弧而且功耗較低，不再需要配備笨重的散熱器和冷卻風(fēng)扇。要把二者結(jié)合起來的關(guān)鍵是相互之間的時序配合必須默契，可控硅開關(guān)負(fù)責(zé)控制電容器的投入和切除，交流接觸器負(fù)責(zé)保持電容器投入后的接通，當(dāng)接觸器投入后可控硅開關(guān)就立即退出運行，這樣就避免了可控硅元件的發(fā)熱。這種看似很理想的復(fù)合開關(guān)自從2002 年開始，由原來全國僅數(shù)家企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)，至今已擴展到數(shù)十家企業(yè)，雖外型結(jié)構(gòu)或電路有所不同，但內(nèi)在原理基本相同：用小形三端封裝的可控硅作為電容器的投入和切除單元，用大功率永磁式磁保持繼電器代替交流接觸器負(fù)責(zé)保持電容器投入后的接通，其過零檢測元件是一粒電壓過零型光耦雙向可控硅。從原理上看是理想的投切元件，但實際上并非如此，它存在下面一些缺陷：
（1）小形三端（TOP）封裝可控硅由于結(jié)構(gòu)性的原因，目前這類型式的可控硅其短時通流容量不能做得很低（低于60A ），反向耐壓一般也只能達(dá)到1600V 左右，這就限制了它的應(yīng)用范圍。由仿真和計算證明在38OV 的系統(tǒng)電壓下，電容器理想開斷時的穩(wěn)態(tài)過電壓就可能達(dá)到1600V ，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于380V （這是常有的情況）或非理想開斷時的暫態(tài)過電壓就可能遠(yuǎn)大于可控硅的反向耐壓位1600V，眾所周知可控硅是一種對熱和電沖擊很敏感的半導(dǎo)體元件，一旦出現(xiàn)沖擊電流或電壓超過其容許值時，就會立即使其永久性的損壞。實際運行情況已經(jīng)表明了復(fù)合開關(guān)的故障率相當(dāng)高。
（2）由于采用了可控硅等電子元器件其結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本上升，與交流接觸器在價格上難以相比。
（3）復(fù)合開關(guān)的過零是由電壓過零型光耦檢測控制的，從微觀上看它并不是真正意義上的過零投切，而是在觸發(fā)電壓低于16V～40V 時（相當(dāng)于2～5電度）導(dǎo)通，因而仍有一點涌流。
（4）復(fù)合開關(guān)技術(shù)既使用可控硅又使用繼電器，于是結(jié)構(gòu)就變得相當(dāng)復(fù)雜，并且由于可控硅對dv/dt的敏感性也比較容易損壞。
由上述分析比較可見，各種電容器投切開關(guān)并非十分完美，有必要進(jìn)一步研究開發(fā)出一種更為理想的電容器過零投切開關(guān)。
（四）選相開關(guān)（又稱同步開關(guān)）：是近年來最新發(fā)展起來的高性能投切開關(guān)，不僅可擔(dān)當(dāng)無功補償裝置中的電容器投切開關(guān)（如技術(shù)比較成熟的LXK系列智能選相開關(guān)），還可擔(dān)當(dāng)任何需要同步操作負(fù)荷設(shè)備的投切開關(guān)（如高壓同步開關(guān)，或高壓選相開關(guān)），是傳統(tǒng)的機械開關(guān)與現(xiàn)代微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它吸收了交流接觸器控制結(jié)構(gòu)簡單，復(fù)合開關(guān)零電壓投入、零電流切除等優(yōu)點，成功地將投入、切除時瞬間涌流控制在3倍額定運行電流以內(nèi)，徹底解決了在電容器投切過程中出現(xiàn)的高電壓諧波和大涌流等問題；選相開關(guān)以單片機為核心，輔以高精度的采樣回路和合理的程序設(shè)計來替換復(fù)合開關(guān)中最易損壞的可控硅元件，不僅避免了可控硅組件所容易出現(xiàn)的故障，還將選相精度從原來復(fù)合開關(guān)的2～5電度角提高到1～3電度角，真正意義的做到了無涌流，實現(xiàn)了理想的過零投切；為了更進(jìn)一步抑制電容器投切開關(guān)開斷時的暫態(tài)過電壓，選相開關(guān)增設(shè)了有效的放電回路，將過電壓限定在安全區(qū)內(nèi)，使其能安全可靠的適用于頻繁投切；由于選相開關(guān)應(yīng)用了單片機技術(shù)，不僅能通過RS485通訊控制方式對多至64路電容器進(jìn)行控制，還具備通訊功能，可將基層單位的電測量信息實時發(fā)送到上級電網(wǎng)，為發(fā)展智能化電網(wǎng)作好準(zhǔn)備；選相開關(guān)可以實現(xiàn)共補和分補，以適應(yīng)用戶的不同需求；由于選相開關(guān)的驅(qū)動功耗僅有1-3W，最大限度的做到了節(jié)約能源；選相開關(guān)不僅廣泛適用于低壓無功補償裝置，或在特殊場合下作為開關(guān)元件使用，還特別適用于南方戶外夏天高溫潮濕(+60℃以上)、北方戶外低溫寒冷(-40℃以下)的惡劣環(huán)境溫度下長期運行。綜上所述，選相開關(guān)不僅大大提高了電容器投切開關(guān)的安全可靠性，還很節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟耐用，是交流接觸器及復(fù)合開關(guān)理想的換代產(chǎn)品，專家普遍認(rèn)為：選相開關(guān)必將替代復(fù)合開關(guān)和交流接觸器成為無功補償電容器投切開關(guān)的主流。
（二）晶閘管開關(guān)：隨著電力電子器件應(yīng)用的發(fā)展和普及，后來人們研發(fā)出由可控硅為核心的晶閘管開關(guān)（固態(tài)繼電器)。其原理為通過電壓、電流過零檢測控制，保證在電壓零區(qū)附近投入電容器組，從而避免了合閘涌流的產(chǎn)生，而切斷又在電流過零時完成，避免了暫態(tài)過電壓的出現(xiàn)，這就從功能上符合了電容器的過零投切的要求，另外由于可控硅的觸發(fā)次數(shù)沒有限制，可以實現(xiàn)準(zhǔn)動態(tài)補償（響應(yīng)時間在毫秒級），因此適用于電容器的頻繁投切，非常適用于頻繁變化的負(fù)荷情況，相對于交流接觸器有了質(zhì)的飛躍。然而固態(tài)繼電器在應(yīng)用上有致命的弱點：就是在通電運行時可控硅導(dǎo)通電壓降約為1V左右，損耗很大（以額定容量100Kvar的補償裝置為例，每相額定電流約為145A，則可控硅額定導(dǎo)通損耗為145×1×3=435W），由于有大的功耗所以需要散熱以避免PN 結(jié)的熱擊穿，為了降溫就需要使用面積很大的散熱器，甚至需要風(fēng)扇進(jìn)行強迫通風(fēng)，另外可控硅對電壓變化率（dv/dt）非常敏感，遇到操作過電壓及雷擊等電壓突變的情況很容易誤導(dǎo)通而被涌流損壞，即使安裝避雷器也無濟于事，因為避雷器只能限制電壓的峰值，并不能降低電壓變化率。可控硅開關(guān)的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、損耗大、成本高、可靠性差，優(yōu)點是能實現(xiàn)過零投切、動作迅速、反應(yīng)快，多用于動態(tài)補償?shù)膱龊?，而不適用于常規(guī)低壓電容器投切的無功補償裝置中。
（三）復(fù)合開關(guān)：當(dāng)仔細(xì)分析研究了交流接觸器和可控硅開關(guān)的各自優(yōu)缺點之后發(fā)現(xiàn)，如果把二者巧妙地結(jié)合來，優(yōu)勢互補，發(fā)揮接觸器運行功耗小和可控硅開關(guān)過零投切的優(yōu)點，便是一個較為理想的投切元件，這就是開發(fā)復(fù)合開關(guān)的基本思路，這種投切開關(guān)同時具備了交流接觸器和電力電子投切開關(guān)二者的優(yōu)點，不但抑制了涌流、避免了拉弧而且功耗較低，不再需要配備笨重的散熱器和冷卻風(fēng)扇。要把二者結(jié)合起來的關(guān)鍵是相互之間的時序配合必須默契，可控硅開關(guān)負(fù)責(zé)控制電容器的投入和切除，交流接觸器負(fù)責(zé)保持電容器投入后的接通，當(dāng)接觸器投入后可控硅開關(guān)就立即退出運行，這樣就避免了可控硅元件的發(fā)熱。這種看似很理想的復(fù)合開關(guān)自從2002 年開始，由原來全國僅數(shù)家企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)，至今已擴展到數(shù)十家企業(yè)，雖外型結(jié)構(gòu)或電路有所不同，但內(nèi)在原理基本相同：用小形三端封裝的可控硅作為電容器的投入和切除單元，用大功率永磁式磁保持繼電器代替交流接觸器負(fù)責(zé)保持電容器投入后的接通，其過零檢測元件是一粒電壓過零型光耦雙向可控硅。從原理上看是理想的投切元件，但實際上并非如此，它存在下面一些缺陷：
（1）小形三端（TOP）封裝可控硅由于結(jié)構(gòu)性的原因，目前這類型式的可控硅其短時通流容量不能做得很低（低于60A ），反向耐壓一般也只能達(dá)到1600V 左右，這就限制了它的應(yīng)用范圍。由仿真和計算證明在38OV 的系統(tǒng)電壓下，電容器理想開斷時的穩(wěn)態(tài)過電壓就可能達(dá)到1600V ，當(dāng)系統(tǒng)電壓高于380V （這是常有的情況）或非理想開斷時的暫態(tài)過電壓就可能遠(yuǎn)大于可控硅的反向耐壓位1600V，眾所周知可控硅是一種對熱和電沖擊很敏感的半導(dǎo)體元件，一旦出現(xiàn)沖擊電流或電壓超過其容許值時，就會立即使其永久性的損壞。實際運行情況已經(jīng)表明了復(fù)合開關(guān)的故障率相當(dāng)高。
（2）由于采用了可控硅等電子元器件其結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本上升，與交流接觸器在價格上難以相比。
（3）復(fù)合開關(guān)的過零是由電壓過零型光耦檢測控制的，從微觀上看它并不是真正意義上的過零投切，而是在觸發(fā)電壓低于16V～40V 時（相當(dāng)于2～5電度）導(dǎo)通，因而仍有一點涌流。
（4）復(fù)合開關(guān)技術(shù)既使用可控硅又使用繼電器，于是結(jié)構(gòu)就變得相當(dāng)復(fù)雜，并且由于可控硅對dv/dt的敏感性也比較容易損壞。
由上述分析比較可見，各種電容器投切開關(guān)并非十分完美，有必要進(jìn)一步研究開發(fā)出一種更為理想的電容器過零投切開關(guān)。
（四）選相開關(guān)（又稱同步開關(guān)）：是近年來最新發(fā)展起來的高性能投切開關(guān)，不僅可擔(dān)當(dāng)無功補償裝置中的電容器投切開關(guān)（如技術(shù)比較成熟的LXK系列智能選相開關(guān)），還可擔(dān)當(dāng)任何需要同步操作負(fù)荷設(shè)備的投切開關(guān)（如高壓同步開關(guān)，或高壓選相開關(guān)），是傳統(tǒng)的機械開關(guān)與現(xiàn)代微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它吸收了交流接觸器控制結(jié)構(gòu)簡單，復(fù)合開關(guān)零電壓投入、零電流切除等優(yōu)點，成功地將投入、切除時瞬間涌流控制在3倍額定運行電流以內(nèi)，徹底解決了在電容器投切過程中出現(xiàn)的高電壓諧波和大涌流等問題；選相開關(guān)以單片機為核心，輔以高精度的采樣回路和合理的程序設(shè)計來替換復(fù)合開關(guān)中最易損壞的可控硅元件，不僅避免了可控硅組件所容易出現(xiàn)的故障，還將選相精度從原來復(fù)合開關(guān)的2～5電度角提高到1～3電度角，真正意義的做到了無涌流，實現(xiàn)了理想的過零投切；為了更進(jìn)一步抑制電容器投切開關(guān)開斷時的暫態(tài)過電壓，選相開關(guān)增設(shè)了有效的放電回路，將過電壓限定在安全區(qū)內(nèi)，使其能安全可靠的適用于頻繁投切；由于選相開關(guān)應(yīng)用了單片機技術(shù)，不僅能通過RS485通訊控制方式對多至64路電容器進(jìn)行控制，還具備通訊功能，可將基層單位的電測量信息實時發(fā)送到上級電網(wǎng)，為發(fā)展智能化電網(wǎng)作好準(zhǔn)備；選相開關(guān)可以實現(xiàn)共補和分補，以適應(yīng)用戶的不同需求；由于選相開關(guān)的驅(qū)動功耗僅有1-3W，最大限度的做到了節(jié)約能源；選相開關(guān)不僅廣泛適用于低壓無功補償裝置，或在特殊場合下作為開關(guān)元件使用，還特別適用于南方戶外夏天高溫潮濕(+60℃以上)、北方戶外低溫寒冷(-40℃以下)的惡劣環(huán)境溫度下長期運行。綜上所述，選相開關(guān)不僅大大提高了電容器投切開關(guān)的安全可靠性，還很節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟耐用，是交流接觸器及復(fù)合開關(guān)理想的換代產(chǎn)品，專家普遍認(rèn)為：選相開關(guān)必將替代復(fù)合開關(guān)和交流接觸器成為無功補償電容器投切開關(guān)的主流。
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