低压电力电容器过零投切开关的设计

王祝华，张士钱

（龙岩学院 机电学院，福建 龙岩364012）

近年来随着电网中非线性负荷和感性负荷的剧增，无功功率也大量增多，导致受电端电压下降，功率因数偏低，严重影响供电质量。因此，必须装设无功补偿设备来满足低压配电网无功功率的需求。低压电网无功补偿最常用的方法是采用电力电容器进行补偿，合理选用投切开是无功补偿的重要环节。交流接触器投切电容：投切电容器时会有很大的冲击涌流，可能烧毁触头，触头容易粘结，分合闸时间长，不能分相过零投切。晶闸管投切电容器：在过零时触发导通无涌流，切断无过电压，但导通时还有较大的导通压降，仍存在发热和电能损耗的问题。复合开关投切电容：响应速度较快，投切无涌流，触点无烧结，但是耐电压电流的冲击性较弱，容易损坏，安全稳定性较弱，机械触点存在烧坏可能性，接触器在正常运行时一直处于接通状态，线圈始终通电，增加了电能的损耗。

从投切开关的性能对比可知，目前普遍使用的电容器投切开关在运行中仍存在的一些缺陷，需要在提高开关的安全稳定性方面进行改进。新型过零投切开关通过改进电路结构，不存在可控硅损坏和单触点磁保持烧坏现象，不会产生电弧预燃和重燃，长期运行故障率低，实现过零无涌流投切，达到快速精确补偿的目的。

1 过零投切原理

过零投切原理依据电容器特性，如果投入电容器时电容器端电压uC与电网电压uS相差较大时，电容器电压突变会产生很大的合闸涌流，很可能会毁坏晶闸管，因此要求必须是在电容器当前端电压uC与电网电压uS相等的时刻投入电容器。低压电力电容器过零投切原理图和电力电容器投切的失效率分别如图1、2所示，在过零点投切电容器，无涌流、无功耗产生。

图1 低压电力电容器过零投切原理图Figure 1 The schematic diagram of zero

图2 电力电容器投切的失效率Figure 2 Loss of efficiency of power capacitors throw of low voltage power capacitor

2 过零投切系统

低压电力电容器过零投切系统主要由电压电流互感器、滤波电路、采样电路、数字信号处理器、微控制器、磁保持继电器驱动电路、过零检测与触发电路、补偿电容器、过零投切开关、RS-485通信、人机接口、电容状态指示、温度检测等组成。电容器过零投切系统框图如图3所示，数字信号处理器和单片机，主要功能是电力参数的计算和电能质量参数的分析，以及电容状态指示、事件记录、故障报警等；人机接口主要由显示器和键盘构成，可实现系统参数设置和电力参数显示。

2.1 参数采样与投切控制器

低压电容器过零投切采用高性能、高精度TMS320C28x系列32位定点处理器DSP和低功耗、高性能STC89C53微控制器。STC89C53微控制器通过电压电流互感器、滤波电路、采样电路获取低压电网的三相电压和电流参数，经DSP实时计算出无功功率Q、功率因数λ、有功功率P、频率f、电容值C等电力运行参数，根据用户的需求设定的各电力运行参数控制门阀通过单片机判断是否需要进行电容器组无功补偿。微控制器STC89C53通过RS-485通信可实现与处理器DSP之间的高速数据交换，以满足系统的实时性要求。

2.2 过零投切开关

低压电容器过零投切开关由大功率磁保持继电器、双向晶闸管和阻容吸收电路等组成。由单片机控制过零点投切开关实现电力电容器的投切。电容器投入时：在检测到双向晶闸管两端电压为零时的时刻，单片机发出触发脉冲导通双向晶闸管的指令，电容器投入使用。然后再发出闭合大功率磁保持继电器的指令，大功率磁保持继电器导通后，单片机在检测到双向晶闸管电流过零时的时刻发出触发脉冲断开双向晶闸管的指令。电容器切除时：由单片机发出指令使双向晶闸管导通，双向晶闸管导通后发出断开大功率磁保持继电器的指令，再发出断开双向晶闸管的指令。大功率磁保持继电器在开关正常运行时维持通断状态，而双向晶闸管只在开关投切瞬间导通工作，这样避免了电容器投切的涌流冲击，减小了运行中的电能损耗。

图3 电容器过零投切系统框图Figure 3 The block diagram of the capacitor's zero-drop system

2.3 磁保持继电器驱动电路

大功率磁保持继电器的承载能力强，在运行过程中无功耗产生，其内部装有永久磁钢和线圈，继电器触点的动作执行，通过单片机发出脉冲信号来控制。磁保持继电器选用HFE9型，具有双线圈，驱动电压为12 V，继电器驱动电路图如图4所示。合（分）闸过程：主控芯片输出高电平，三极管 Q1、Q3（Q2、Q4）饱和导通，12 V电压加在合（分）闸线圈上，持续时间大于50毫秒后，主控芯片输出低电平，磁保持继电器触头动作，完成合（分）闸过程。图4中，续流二极管D1、D2，用以保护三极管Q3、Q4不被过电压击穿。

图4 大功率磁保持继电器驱动电路Figure 4 Driver circuitof high powermagnetic holding relay

2.4 晶闸管过零检测与触发电路

为了防止电容器组投切的瞬间出现合闸涌流和过电压冲击，必须保证双向晶闸管两端电压为零或电流过零时刻投切电容器，因此，要求选择具有过零检测与触发能力强、理想的芯片来驱动双向晶闸管。晶闸管过零检测与触发电路主要由两个光电耦合器、双向可控硅、电阻、电容器等组成。如图5所示，驱动芯片MOC3083是新型光电耦合器件，内置过零检测的电路，当晶闸管被检测到端电压为零或电流过零时，MOC3083发出触发脉冲给晶闸管导通或断开。图5中，阻容吸收电路由R1、C1构成，可有效避免电路过电压的冲击；压敏电阻RV能承受较大冲击能量，可抑制电路的异常过电压。

图5 晶闸管过零检测与触发电路Figure 5 The thyristor has zero detection and trigger circuit

2.5 补偿方式

投切电容器组的补偿方式可灵活采用共、分补优化组合，解决了低压电网负荷的变化，三相负荷不平衡的无功功率补偿的问题。负载平衡时采用共补方式，在负载波动大或严重不平衡时，采用先共补再各相单独补偿的方式。由于居民用电基本都是单相负载，变动极大，会导致三相负载严重不平衡，且各相要求补偿的电容量都不一样，无功补偿差异大，这时如果采用各相单独进行补偿，不会造成欠补或过补资源浪费的现象，便能得到最合理的补偿。

3 投切流程设计

低压电力电容器组过零投切控制投切依据是无功功率Q和功率因数λ，其中无功功率Q作为主要投切依据，而功率因数λ作为辅助投切依据。由采样电路获取低压电网的电力运行参数，通过DSP实时计算出无功功率Q，并与设定的无功功率投切门限值Q切进行比较，再计算出需要投入或切除补偿电容器组的电容量值C。需要投切的电容器按循环投切的方式来选择，即按照投入时间顺序来操作，让先投入的电容器先撤出，后投入的电容器则后撤出，这样投切可以很好地减小电容器的温度，提高电容器的使用寿命。循环投切流程图如图6所示，这种控制投切精确，可克服以往只以单一功率因数λ为投切依据，重复投切的振荡现象。

图6 循环投切流程图Figure 6 Cyclic casting flow chart

4 测试结果

某380 V低压配线路，补偿前负荷电流为421 A,功率因数为0.65，采用过零投切开关对10组三角形接线的电力电容器进行投切，单组电容量为20 F。在投切过程中无涌流产生，投入后设备运行稳定，负荷电流减小，功率因数提高，达到了预期的补偿效果。测试数据如表1所示。

表1 测试数据表Table 1 Test data

5 结语

所设计的低压电力电容器过零投切开关，综合了电子开关和机械开关的各项优势，通过测试，可实现无涌流、无功耗的快速准确过零点投切，具有成本低，损耗小，控制方式灵活，维护方便，电容器的使用寿命长的优点。同时投切电容器组可灵活采用共、分补优化组合的补偿方式，解决了低压电网负荷的变化，三相负荷不平衡的无功功率补偿的问题。

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