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摘要：為了使在无功补偿电容投切时，减少涌流，延长电容及投切开关的使用寿命，利用可控硅、磁保持继电器及消谐电抗器相结合的方式，设计了一种新型过零智能消谐复合开关，该开关经现场使用及与同类投切开关性能对比测试，结论是本设计开关具有寿命长、节能及可靠性高等特点。
关键词：可控硅、磁保持继电器、复合开关
【分类号】：TM464
1 引 言
国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负荷的高速增长。与此同时，随着电力市场的开放，电力用户对电能质量的要求也在提高，电力生产与供应企业也比以往任何时候都重视电力系统运行的经济性和节能环保性。无功补偿作为一种最直接、最有效的节能技术，并且成为供电部门对用户的强制性要求，目前已得到了广泛的应用，在技术上也已经日趋成熟，科技含量在不断地提高。但是，近年来由于各种新颖的用电设备的投入使用，使电力负荷变得十分复杂，谐波污染增加，负载变化不定，为了满足这千变万化的用电系统的安全高质运行，电力设备制造企业和电力科研单位设计开发了各类电力电子产品，在借鉴和消化国外先进技术的同时，不断地创新改造。回顾我国在无功补偿领域所使用的电容器投切开关，历经了三个革命性的阶段，以原始的手动投切到交流接触器的自动投切；从交流接触器的投切到无触点开关过零投切；从无触点开关投切到智能复合开关即具触点通流功耗低的特点，又具无触点开关过零投切无涌流，无过电压的优点，但是也存在当电网谐波含量较高时无法正常工作的问题，而智能消谐型复合开关与交流接触器，可控硅和复合开关等开关元件相比较主要优点是将谐波抑制器和复合开关结合起来，解决目前现有复合开关应用中存在的问题，使智能消谐型复合开关应用范围更加广泛，目前国内无功补偿电容器投切装置所使用的开关元件比较：
（1）电磁式接触器：
由于电容器投切过程中产生较大的涌流和过电压，会导致接触器的触头烧结和电容器击穿，接触器本身和电容器的寿命较短，不适合频繁工作，但通流时功耗低，比较适合负荷波动不大的场合。
（2）晶闸管无触点开关：
晶闸管无触点开关投切电容器是利用电子开关反映速度快，采用过零触发电路，导通无涌流，切断无过电压的特点，但是，开关运行时会发热，需风机冷却，同时产生谐波污染电网，结间会产生一伏左右的压降，自身功率消耗大。
（3）复合开关：
复合开关是将高耐压大电流可控硅与磁保持继电器的触点相并联，通过微电脑控制，自动寻找最佳投入点和最佳切除点，实现电压过零投入和电流过零切除，通断瞬间由可控硅完成，运行通流由磁保持继电器经脉冲电压触发使触点吸合而完成，低功耗、不发热、无谐波、安全可靠；投切速度介于接触器和晶闸管无触点开关之间，适用范围大，但是该产品存在当供电网络存在谐波时，过零点出现畸变时无法跟踪过零点，导致复合开关无法正常工作。
（4）智能消谐型复合开关
智能消谐型复合开关，在保持原有的复合开关具有的功能基础上增加了消谐和温度检测功能，解决了复合开关在供电网络存在谐波无法正常工作的问题，同时可以检测电容器温升，电容器超过容许温升时进行报警和保护，达到延长电容器的使用寿命目的。
2 智能消谐型复合开关硬件电路的设计
智能消谐型复合开关硬件电路主要包括控制输入电路、工作状态指示电路、温度检测电路、485接口电路、微处理器电路、可控硅驱动电路、可控硅过零点采集电路、继电器驱动电路和继电器，如图1所示。
图1智能消谐型复合开关硬件电路
3 投切开关工作原理
无功功率自动补偿系统主电路主要由复合开关连接电力电容器构成，电路结构图如图2所示。Q为双向晶闸管，K0为继电器（可以选用交流接触器或磁保式继电器等），它们一起构成复合开关。Ra为限流电阻，采样过零信号时保护光电耦合器。C为需要投切的电力电容器，R1、C1组成阻容保护电路，防止晶闸管过电压，工作时电容C1吸收过电压，然后通过电阻R1释放掉。IC1为光电耦合器和二极管D2组成方波电路，用于采样电压过零点信号，送到单片机I/O口，R0为限流电阻，E3、E4为接入电网端子。
图2投切开关投切原理图
4 结 论
本低压动态无功功率自动补偿装置采用精简指令集的AVR系列中ATmega16单片机为核心控制器，对低压配电网无功功率进行自动动态跟踪补偿。具有控制简单、实时性、性能可靠、功能强大、界面友好、操作方便等特点。如果真正投入市场运行，对于改善配电站电压质量和提高配电站监控可靠性具有明显的社会效益和经济效益，具有广阔的市场前景。
参考文献
⑴ 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.
⑵ 涂春鸣.新型谐振阻抗型混合有源滤波器RITHAF研究[D].长沙：中南大学，2003.
⑶TANG Xin. High power series resonant injecting type hybrid active filter[D].Changsha：Central South University， 2005.
⑷ 韩俊玉，胡晓岑，郭来成.电容器组投切实验中产生振荡的分析[J].山西电力技术，1999，10（3）：40–41.
⑸ 孙南海，刘德喜等.基于单片机控制的功率因数监测与补偿系统〔J〕.湖南农机.2006（11）.
⑹ 姚舜，罗安等.低压配电网智能无功补偿系统软硬件设计〔J〕.电力自动化设备，2006（12），26-12.
⑺ 孙宏国.动态无功无级柔性补偿控制系统的研究[J].电力自动化设备，2002，22（12）：30-31.
⑻ 李民族，唐晓玲，李颖，等.新型电容无功补偿方法及其接线[J].电网技术，2004，28（16）：64-68.
⑼ 王见乐，王林虎.基于DSP的低压动态无功补偿装置的研制〔J〕.华北电力技术，2005（1）.
⑽ Eminent， S. Kitchen， R.H. Flicker meter results of simulated new and conventional TSC compensators for electric arc furnaces [J].Power Systems， IEEE Transactions on， Volume 8， Issue 3， Aug. 1993 Page（s）：914 – 919
⑾ Jacobson， D.A.N. Menses R.W. Comparison of thruster switched capacitor and voltage source GTO inverter type compensators for single phase feeders [J].Power Delivery， IEEE Transactions on， Volume 7， Issue 2， April 1992 Page（s）：776– 781
关键词：可控硅、磁保持继电器、复合开关
【分类号】：TM464
1 引 言
国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负荷的高速增长。与此同时，随着电力市场的开放，电力用户对电能质量的要求也在提高，电力生产与供应企业也比以往任何时候都重视电力系统运行的经济性和节能环保性。无功补偿作为一种最直接、最有效的节能技术，并且成为供电部门对用户的强制性要求，目前已得到了广泛的应用，在技术上也已经日趋成熟，科技含量在不断地提高。但是，近年来由于各种新颖的用电设备的投入使用，使电力负荷变得十分复杂，谐波污染增加，负载变化不定，为了满足这千变万化的用电系统的安全高质运行，电力设备制造企业和电力科研单位设计开发了各类电力电子产品，在借鉴和消化国外先进技术的同时，不断地创新改造。回顾我国在无功补偿领域所使用的电容器投切开关，历经了三个革命性的阶段，以原始的手动投切到交流接触器的自动投切；从交流接触器的投切到无触点开关过零投切；从无触点开关投切到智能复合开关即具触点通流功耗低的特点，又具无触点开关过零投切无涌流，无过电压的优点，但是也存在当电网谐波含量较高时无法正常工作的问题，而智能消谐型复合开关与交流接触器，可控硅和复合开关等开关元件相比较主要优点是将谐波抑制器和复合开关结合起来，解决目前现有复合开关应用中存在的问题，使智能消谐型复合开关应用范围更加广泛，目前国内无功补偿电容器投切装置所使用的开关元件比较：
（1）电磁式接触器：
由于电容器投切过程中产生较大的涌流和过电压，会导致接触器的触头烧结和电容器击穿，接触器本身和电容器的寿命较短，不适合频繁工作，但通流时功耗低，比较适合负荷波动不大的场合。
（2）晶闸管无触点开关：
晶闸管无触点开关投切电容器是利用电子开关反映速度快，采用过零触发电路，导通无涌流，切断无过电压的特点，但是，开关运行时会发热，需风机冷却，同时产生谐波污染电网，结间会产生一伏左右的压降，自身功率消耗大。
（3）复合开关：
复合开关是将高耐压大电流可控硅与磁保持继电器的触点相并联，通过微电脑控制，自动寻找最佳投入点和最佳切除点，实现电压过零投入和电流过零切除，通断瞬间由可控硅完成，运行通流由磁保持继电器经脉冲电压触发使触点吸合而完成，低功耗、不发热、无谐波、安全可靠；投切速度介于接触器和晶闸管无触点开关之间，适用范围大，但是该产品存在当供电网络存在谐波时，过零点出现畸变时无法跟踪过零点，导致复合开关无法正常工作。
（4）智能消谐型复合开关
智能消谐型复合开关，在保持原有的复合开关具有的功能基础上增加了消谐和温度检测功能，解决了复合开关在供电网络存在谐波无法正常工作的问题，同时可以检测电容器温升，电容器超过容许温升时进行报警和保护，达到延长电容器的使用寿命目的。
2 智能消谐型复合开关硬件电路的设计
智能消谐型复合开关硬件电路主要包括控制输入电路、工作状态指示电路、温度检测电路、485接口电路、微处理器电路、可控硅驱动电路、可控硅过零点采集电路、继电器驱动电路和继电器，如图1所示。
图1智能消谐型复合开关硬件电路
3 投切开关工作原理
无功功率自动补偿系统主电路主要由复合开关连接电力电容器构成，电路结构图如图2所示。Q为双向晶闸管，K0为继电器（可以选用交流接触器或磁保式继电器等），它们一起构成复合开关。Ra为限流电阻，采样过零信号时保护光电耦合器。C为需要投切的电力电容器，R1、C1组成阻容保护电路，防止晶闸管过电压，工作时电容C1吸收过电压，然后通过电阻R1释放掉。IC1为光电耦合器和二极管D2组成方波电路，用于采样电压过零点信号，送到单片机I/O口，R0为限流电阻，E3、E4为接入电网端子。
图2投切开关投切原理图
4 结 论
本低压动态无功功率自动补偿装置采用精简指令集的AVR系列中ATmega16单片机为核心控制器，对低压配电网无功功率进行自动动态跟踪补偿。具有控制简单、实时性、性能可靠、功能强大、界面友好、操作方便等特点。如果真正投入市场运行，对于改善配电站电压质量和提高配电站监控可靠性具有明显的社会效益和经济效益，具有广阔的市场前景。
参考文献
⑴ 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.
⑵ 涂春鸣.新型谐振阻抗型混合有源滤波器RITHAF研究[D].长沙：中南大学，2003.
⑶TANG Xin. High power series resonant injecting type hybrid active filter[D].Changsha：Central South University， 2005.
⑷ 韩俊玉，胡晓岑，郭来成.电容器组投切实验中产生振荡的分析[J].山西电力技术，1999，10（3）：40–41.
⑸ 孙南海，刘德喜等.基于单片机控制的功率因数监测与补偿系统〔J〕.湖南农机.2006（11）.
⑹ 姚舜，罗安等.低压配电网智能无功补偿系统软硬件设计〔J〕.电力自动化设备，2006（12），26-12.
⑺ 孙宏国.动态无功无级柔性补偿控制系统的研究[J].电力自动化设备，2002，22（12）：30-31.
⑻ 李民族，唐晓玲，李颖，等.新型电容无功补偿方法及其接线[J].电网技术，2004，28（16）：64-68.
⑼ 王见乐，王林虎.基于DSP的低压动态无功补偿装置的研制〔J〕.华北电力技术，2005（1）.
⑽ Eminent， S. Kitchen， R.H. Flicker meter results of simulated new and conventional TSC compensators for electric arc furnaces [J].Power Systems， IEEE Transactions on， Volume 8， Issue 3， Aug. 1993 Page（s）：914 – 919
⑾ Jacobson， D.A.N. Menses R.W. Comparison of thruster switched capacitor and voltage source GTO inverter type compensators for single phase feeders [J].Power Delivery， IEEE Transactions on， Volume 7， Issue 2， April 1992 Page（s）：776– 781