杭州浙泰電氣有限公司　張勝雷

天津電氣科學(xué)研究院有限公司　段毅 王沙 孟蝶

新型電容器投切開關(guān)設(shè)計(jì)
——智能同步開關(guān)

杭州浙泰電氣有限公司張勝雷

天津電氣科學(xué)研究院有限公司段毅 王沙 孟蝶

本文在對現(xiàn)有的復(fù)合投切開關(guān)進(jìn)行了簡要介紹，分析出復(fù)合投切開關(guān)的自身缺點(diǎn)，引出了設(shè)計(jì)新產(chǎn)品——智能同步開關(guān)的必要性。首先對智能同步開關(guān)的工作原理進(jìn)行了簡要介紹，提出其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于能否實(shí)現(xiàn)同步閉合和分?jǐn)?。通過對同步閉合和同步分?jǐn)嗟纳钊敕治鲋?，系統(tǒng)闡述了智能同步開關(guān)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件及軟件設(shè)計(jì)。解決了目前復(fù)合開關(guān)，接觸器，晶閘管投切開關(guān)所存在的自身缺點(diǎn)，提高投切器件的可靠性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)控和傳輸功能，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償真正智能化。

復(fù)合投切開關(guān) 智能同步 無功功率補(bǔ)償

0　引言

無功功率補(bǔ)償是提高電網(wǎng)質(zhì)量，節(jié)約電能的一種重要手段，廣泛應(yīng)用于輸配電線路和各個用電行業(yè)。而電力電容器作為無功補(bǔ)償?shù)闹饕?，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接關(guān)系到輸配電線路運(yùn)行和用電質(zhì)量。電力電容器的投入、切除作為影響其穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，必然會成為一個熱門課題。

目前電力電容器的投切器件主要有：切換電容器接觸器、晶軋管投切開關(guān)和復(fù)合投切開關(guān)。切換電容器接觸器作為早期的主要投切器件目前依然大量存在，其缺點(diǎn)在于動作相位是隨機(jī)的，在投入和切除容性負(fù)載時，會產(chǎn)生較大涌流和過壓，影響電容器壽命和供電線路安全。晶軋管投切開關(guān)很好地解決了交流接觸器的缺點(diǎn)，在電壓為零點(diǎn)時投入電容器，在電流為零點(diǎn)時切除電容器，可以將涌流限制在額定電流的1倍左右。但是晶軋管作為電力電子器件，存在發(fā)熱大、體積大、過載能力小等缺點(diǎn)。使用在強(qiáng)電環(huán)境下，成本高，可靠性低，一般只適合使用在動態(tài)補(bǔ)償場合下。復(fù)合投切開關(guān)則綜合了交流接觸器和晶軋管投切開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，在投切瞬間利用晶軋管特性實(shí)現(xiàn)小涌流投切，長期投入時則利用交流接觸器或繼電器，從而實(shí)現(xiàn)低發(fā)熱、低功耗。復(fù)合投切開關(guān)作為目前的主要投切器件被應(yīng)用廣泛。

但是復(fù)合投切開關(guān)并沒有完全解決晶軋管的自身缺點(diǎn)，在使用中依然會存在可控硅擊穿現(xiàn)象。由于成本限制，目前復(fù)合投切開關(guān)內(nèi)的可控硅多為小功率晶軋管，從而進(jìn)一步放大了電力電子器件過載能力小的缺點(diǎn)。尤其在諧波場合：當(dāng)諧波較大時，電壓、電流重復(fù)過零，晶軋管會重復(fù)截止和導(dǎo)通，由于容性負(fù)載電壓和電流存在相位差所以會產(chǎn)生較大的電壓、電流上升率，當(dāng)上升率大于晶軋管極限值時，晶軋管會瞬間擊穿。使用的可靠性比較差。并且由于晶軋管耐壓的限制，對于像525V，660V這樣的使用場合更是無法使用。

本論文所闡述智能同步開關(guān)產(chǎn)品，目的就是解決目前復(fù)合開關(guān)，接觸器，晶軋管投切開關(guān)所存在的自身缺點(diǎn)，提高投切器件的可靠性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)控和傳輸功能，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償真正智能化。

1　原理闡述

智能同步開關(guān)的工作原理就是在沒有晶軋管的情況下，精準(zhǔn)控制繼電器觸點(diǎn)在電壓零點(diǎn)時刻同步閉合、在電流零點(diǎn)時刻同步分?jǐn)啵瑥亩鴮?shí)現(xiàn)開關(guān)接點(diǎn)的無電弧分?jǐn)?。這樣完全避免了晶軋管的缺點(diǎn)而繼承了晶軋管的優(yōu)點(diǎn)。其設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于能否實(shí)現(xiàn)同步閉合和分?jǐn)?。這需要考慮電壓、電流的零點(diǎn)檢測、觸點(diǎn)動作時間、觸點(diǎn)損耗等一些變量的影響。

1.1同步閉合

觸點(diǎn)在電壓為零時同步閉合，可以有效防止觸點(diǎn)預(yù)燃、減小瞬態(tài)涌流?？刂七^程如圖1所示。

圖2.1

開關(guān)在T1時刻檢測到閉合信號后開始檢測電壓零點(diǎn)，在T2時刻檢測到電壓零點(diǎn)，后根據(jù)觸點(diǎn)行程時間在T3時刻釋放驅(qū)動信號，觸點(diǎn)在經(jīng)過T5行程時間段后，最終在預(yù)計(jì)零點(diǎn)處T4閉合。

1.2同步分?jǐn)?/p>

觸點(diǎn)在電流為零時同步分?jǐn)?，可以有效防止觸點(diǎn)重燃、避免瞬態(tài)過壓。控制過程如圖所示。

圖2　

開關(guān)在T1時刻檢測到分?jǐn)嘈盘柡箝_始檢測電流零點(diǎn)，在T2時刻檢測到電流零點(diǎn)，后根據(jù)觸點(diǎn)驅(qū)動延遲時間在T3時刻釋放驅(qū)動信號，在經(jīng)過T5延遲時間段后，最終在預(yù)計(jì)零點(diǎn)處T4分?jǐn)唷?/p>

2　智能同步開關(guān)的設(shè)計(jì)

2.1總體結(jié)構(gòu)

智能同步開關(guān)的功能框圖如圖3所示。

主要功能為：各個模擬量的實(shí)時采集計(jì)算

實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)反饋同步控制

實(shí)現(xiàn)通訊控制功能

檢測開關(guān)和電容的狀態(tài)，及時保護(hù)

圖3　

2.2硬件設(shè)計(jì)

智能同步開關(guān)以ST公司的32位arm微控器為核心，外圍主要分為電源、信號采集處理和驅(qū)動控制三大部分。

2.2.1微控器系統(tǒng)和電源的設(shè)計(jì)

微控器是智能同步開關(guān)的核心部件，擔(dān)負(fù)著各個模擬量的采集、計(jì)算和精準(zhǔn)控制繼電器觸點(diǎn)的任務(wù)。并且還要處理人機(jī)界面、外部通訊。ST公司的STM32采用32位cortex-m3內(nèi)核，比普通微控器具有：運(yùn)行速度快、實(shí)時運(yùn)算能力強(qiáng)、片內(nèi)外設(shè)功能豐富、完善的輸入輸出控制等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

微控器中已經(jīng)集成了內(nèi)部看門狗和復(fù)位電路，簡化了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，提高了微控器整體抗干擾能力。

圖4

圖4是電源部分原理圖，電源是電子系統(tǒng)的心臟，直接影響整個系統(tǒng)穩(wěn)定性。電源部分的器件均為關(guān)鍵器件。本系統(tǒng)中，微控器為3.3V供電，而有些外圍器件需要5V供電。在這種混合電壓系統(tǒng)中需要注意邏輯接口的電平匹配問題。本系統(tǒng)中使用1117-3.3為微控器供電，使用7805為外圍器件供電。

2.2.2 信號采集電路的設(shè)計(jì)

電壓、電流信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓信號，這些信號需經(jīng)過一定的比例放大才能為微控器所用。

2.2.3 驅(qū)動控制電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用了專用芯片BL3083作為繼電器驅(qū)動，具有電路簡單、體積小、故障率低等特點(diǎn)。

3　軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)要求軟件完成以下主要功能：實(shí)時采集電壓、電流信號；實(shí)時檢測零點(diǎn)相位；在得到投切指令時，控制繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)；在投切過程中實(shí)時檢測觸點(diǎn)的動作時刻；在檢測到過流、掉電等情況時，實(shí)時切除電容器?？梢姳鞠到y(tǒng)對于實(shí)時性要求比較高，這也是軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

本系統(tǒng)使用多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)作為軟件框架，基于多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)可以將各個功能模塊作為獨(dú)立任務(wù)運(yùn)行，并且可分優(yōu)先級，優(yōu)先級高的任務(wù)可以打斷優(yōu)先級低的任務(wù)，優(yōu)先級相同的任務(wù)可以分時運(yùn)行，這樣就可以及時運(yùn)行重要功能，在宏觀上各個功能處于并發(fā)運(yùn)行。從而達(dá)到系統(tǒng)對于實(shí)時性的要求。

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的智能同步開關(guān)可通過12V直流電平或RS485總線通訊控制，最大控制容量共補(bǔ)30kvar電容器、分補(bǔ)3×10kvar電容器。開關(guān)內(nèi)部擁有檢測模塊來監(jiān)測開關(guān)內(nèi)部元件的工作情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)開關(guān)內(nèi)部元件異常的時候，開關(guān)自動退投。其中RS485總線通訊控制可實(shí)現(xiàn)最多64路電容器控制運(yùn)行，并可與控制器實(shí)現(xiàn)485接口聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線監(jiān)控和傳輸功能，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償真正智能化。