永磁真空开关投切低压无功补偿装置的研究和应用

刘建初

（中山供电局，广东 中山 528400）

1 引言

目前，中山配电网公用台区共安装4757台低压无功补偿装置，补偿容量为79.8万千乏，补偿率达21.6%。无功补偿装置的投切使用率较高，无功补偿装置对改善电压质量、减少线路损耗、提高配变容量利用率起到了积极作用，但目前使用的无功补偿装置故障率较高，特别是投切开关，为保持其正常运行，每年均需一定的维护费用，造成了无功补偿装置运行成本的升高，因此需要对现有的无功补偿装置的设计方案进行改进，提高投切开关的使用寿命，降低无功补偿装置的运行成本。

2 投切开关的选型

投切开关是低压无功补偿装置中最容易损坏的关键元器件，投切开关目前有三代产品，分别是交流接触器、晶闸管和复合开关。其中，交流接触器存在投切产生涌流和频繁投切容易烧坏触头的缺点，但其长期运行不发热；晶闸管存在投切产生谐波和长期运行发热烧坏的缺点，但其投切无浪涌且响应速度快[1]；复合开关虽然投切速度快，能实现过零投切，但对过压、过流较敏感，在出现雷电冲击和操作过电压时容易损坏，故障率较高，因此改进投切开关是提高无功补偿装置可用率的关键。

中山供电局与有关厂家合作，采用永磁真空开关作为无功补偿装置的投切开关。并将其与目前应用的三种投切开关进行性能对比。

以下为不同类型投切开关的性能对比（见表1）。

从表1可见，永磁真空开关与复合开关和可控硅比较，具有其合闸时间精度非常高（0.2ms）的优点，又能克服其开关寿命短、抗过电压、雷电、意外涌流冲击的能力差等缺点；各方面的性能明显优于交流接触器，非常适于作为动态无功补偿装置的投切开关。

3 永磁真空开关的结构

为了简化结构，永磁真空开关采用了永磁操作机构。永磁机构是目前结构最简单的一种操作机构，其所用的零件少，动作简单可靠，使用寿命超过十万次。永磁机构的磁路设计使合闸保持力增大了，同时减小了对合闸时线圈电流的要求，并且在分闸或合闸状态时开关的线圈均无需保持电流。由于开关线圈仅在合闸或分闸操作时通以一个小的脉冲电流，线圈的发热很小，从而延长了使用寿命[2]。

图1 低压永磁真空开关结构图

4 应用设计方式

4.1 一次原理图（图2）

其中，QF为主断路器、QF2～QF6为微型断路器或熔断器、ZK为永磁真空开关、RG1～RG4为永磁运行开关、FD为放点线圈、FV为避雷器。

从接线图可看出，电容器的投入和切除是通过永磁真空开关和永磁运行开关的相互配合来实现的，两者的协调控制由同步控制器负责。

4.2 补偿装置投切过程流程图（图3）

从上述流程图可看出电容器实现了同步过零开关技术，所谓同步过零开关技术是指断路器的动、静触头在电子控制系统的控制下，可在系统电压波形过零时关合；电流波形过零时分断，这样可使投入空载变压器、电容器和空载线路时，对自身和电力系统冲击最小[3]。控制开关的触头在电压零点闭合，在电流零点分离，即首先检测出电流或电压的零点，然后根据此开关的机械特性以及稳定的合分闸时间，精确控制合分闸的动作时刻，让它关合或开断在预定的相位。永磁真空同步开关的寿命远大于空气接触器，且通流能力及抗过压能力非常强，主回路结构相当简单，而且动作时间快，能适用于负荷变化比较频繁的地方做无功补偿装置的投切开关。由于电容器组投入时的暂态过程与投入时系统电压的相位密切相关，因此应用永磁真空同步开关在系统电压的指定相位角处投入电容器组（即同步关合技术）可以大大减小电容器组投入时的暂态过电压和涌流，提高无功补偿装置的可靠性及使用寿命。

表1 不同类型投切开关的性能对比表

图2 无功补偿装置一次接线原理图

图3 补偿装置投切过程流程图

5 效果分析

5.1 投切效果

图4为使用真空开关投入30kvar电容器时电流、电压波形；图5为使用真空开关切除30kvar电容器时电流、电压波形。从图4、5可见，使用真空开关投切电容器过程无振荡，无普通接触器投入电容器时出现触点弹跳、拉电弧，产生过流、过电压现象；真空开关投入电容器时，涌流非常小（约为电容器实际工作电流的1.22倍）；真空开关在同步控制器的控制下，可在电压过零点精准投入电容器，在电流过零点精准切除单容器。使机械开关实现可控硅过零投切的功能。

图4 使用真空开关投入30kvar电容器时电流、电压波形

图5 使用真空开关切除30kvar电容器时电流、电压波形

数据显示，目前记录的日最高投切次数为154次，月平均投切次数达到1000～2000次，无功补偿装置的工作仍然正常。

5.2 补偿效果

目前已安装永磁真空开关投切无功补偿装置431台，补偿方式包括集中补偿和分散补偿，补偿容量从120kvar到30kvar不等。

从这些台区中选取了6个各类用电性质（包括工业、商业、居民、鱼塘等）的用电台区作为实时数据采取点，采集台区的投切次数、电流、电压和功率因数变化波形、补偿前后的功率因数和电压值变化。数据显示，试点台区的功率因率跌到0.9以下时，同步控制器能及时跟踪，实时补偿至0.9以上，根据采集到的功率因数变化波形，各试点台区的功率因数均运行在0.9以上，效果非常理想。

图6为其中一个台区的补偿波形。

图6 板芙工业用电补偿的效果曲线图

6 效益分析

以中山供电局为例，经核算，目前现有的4757台低压无功补偿装置的投切开关每年的故障率接近20%，按每台维修成本1200元计算，每年的维修费用为4757×0.2×1200=1141680元，费用很大，部分装置因无法落实维修资金而停运。目前已使用的431台永磁真空开关投切低压无功补偿装置，每年节约的维修费用为431×0.2×1200=103440元，而设备价格与复合开关投切的基本相同，不需新增成本，因此经济效益可观。

以中山供电局10217台公变为例，若全部采用永磁真空开关投切低压无功补偿装置，相对复合开关投切，每年可节省维护费用10217×0.2×1200=2452080元，且能取得较好的补偿效果；若用于全省乃至全国，经济效益更加可观。

在社会效益方面，永磁真空开关投切低压无功补偿装置的应用，使低压无功补偿装置具备了较高的可用性，对改善电压质量、减少线路损耗、提高配变容量利用率起到了积极作用，符合国家的节能环保政策，可产生明显的社会效益。

7 结论

永磁真空开关作为投切电容组的执行元件，应用在无功补偿装置中，具有投切精度高、无涌流、寿命长等特点，能完全实现同步过零开关技术，使低压无功补偿装置具备了较高的可用性，具有其他的投切器件均不具备的明显的优势，应用效果和效益显著，在无功补偿领域具有广泛的发展前景，不仅用于低压无功补偿装置，还可用于中压及以上的设备过零投切。

[1] 李茂林. 浅谈低压无功补偿装置三大部件的选取与使用[J].电气应用(电力电气专刊),2007(2):S14-S15.

[2] 吴家庆. 无功补偿投切元件的选择[J]. 农村电工,2006(12).

[3] 钟国中. 永磁操作机构及其同步过零技术[J]. 地方电力管理, 2003(1):4.