摘要： 本文介绍动态投切电容器组新型相控开关。原理：对电容器预充电，在电网电压的峰点投切开关。定位：扭转中压动补领域TCR+FC一统天下的局面；克服TSC的价格高，耗能大的缺点；突破传统相控开关的慢速限制，无冲击1秒钟开闭一次，结构2控3型，效果如TSC，节能环保。中、高压均可应用。已通过机理试验。

关键词：晶闸管控制电抗器（TCR）+电容器和电抗器组成的滤波电路（FC），晶闸管投切电容器组（TSC），相控开关或者称为同步开关，新型相控开关

1．动态无功补偿的重要性

我们国家的国情是南水北调、西电东送。对于远距离的送电，有功可以，无功只能就近平衡，据称在远距离大功率的输电系统，用电端每要10MVAR的无功功率，发电端要输送约10倍的无功功率。用电端的负载基本为电感性，因为电磁效应，在用有功功率的同时，必然产生无功功率。瞬间大的有功冲击影响电网的频率，大的无功冲击造成电网电压波动。

负载侧动态补偿可以稳定受端电压；负载侧补偿可以增加原有输电线路的输送能力达50%；在线路中间点加装动态无功补偿装置可以提高线路输送容量达2倍（理论值）。

我国电网的无功补偿问题：无功补偿容量不足和配备不合理；可调节的无功容量不足； 快速响应无功调节设备更少。【1】

   现在无功补偿和谐波滤波在低压端治理厂家很多，今后无功补偿和谐波滤波技术的竞争应该在中压电网系统。

2．现有的无功补偿的技术问题

2.1  机械开关投切电容器组的问题

投切电容器组的简单、价格低的方式为机械式触点投切开关，机械式触点三相开关在随机不确定的电网电压点投切电容器，电流冲击大，最少数倍的额定电流，引起电网电压畸变。还存在合闸机械触点弹跳，打开触点重燃的危险概率，弹跳重燃使得电容器组过电压，损坏电容器，容易造成事故。机械开关投切电容器组，畸变的电压有可能危机敏感负载用户，造成严重经济损失。

10KV电网用普通真空开关投入电容器时的冲击波形如图1：合闸的瞬时，电流的冲击使电压产生畸变。

图1

     电容器分闸即使过零分闸，电压也有冲击， 图2

                         图2

机械式触点投切开关解决的是固定不轻易开合的补偿，不能解决动态补偿无功功率的问题。

目前对于常规机械开关存在的问题解决的技术路线有两条：相控开关和晶闸管投切电容器组技术

2.2   相控开关：

为解决合闸冲击分闸重燃问题，开发了相控开关也称为同步真空开关或者同步开关。2

2005年国际大电网会议曾对选相控制断路器调查。相控开关的64％应用于电容器投切。

国内开发126kV真空断路器选相控制永磁操作机构。行程为50～80mm，运动速度3.5~4m/s,驱动合闸力5000～6000N/相。

现在工程上应用的相控开关，如日本专利文件“同步开关”，专利号：ZL98808789.8，日本专利文件“相位控制开关装置”，专利号：ZL99118416.5,日本专利文件：“相控制开关设备”，申请号：00137229.7讲述的，也有3点不足：同步开关元件多、只是减少了闭合冲击电流、动作时间和普通机械式触点投切开关相同太慢。所述的投切电容器组的相控开关或者称为同步真空开关均有三个开关，开关元件多了；相控开关投切电容器组的工作原理，开关均在正弦波电压的过零点闭合。在电容器上没有电压时，只有这点投切电容器的效果好。在正弦波的过零点，电压变化率{zd0}，这就要求同步开关的精度必须高。专利文件“同步开关”说明书的15/19页讲：开关的精度为过零点的±1ms时，产生的冲击水平为普通机械式触点开关的一半，相当于串联电阻投切电容器的水平，精度越高，冲击越小。由此可以看出，还是有不小的冲击；开关打开后，需要等待电容器上的充电电压降到零，才可以再闭合，等待的时间几分钟，开关的投、切动作时间为分钟级别，不能快速无冲击电流投切电容器组

2.3    晶闸管投切电容器（TSC）：

晶闸管投切电容器（ TSC ）电路可以准确、快速投入电容器，没有电流冲击。不存在弹跳、重燃的问题。但是，中压 TSC 电路，晶闸管要承受大约3倍的电网有效值电压，晶闸管的耐压只有几 KV ，需要多只晶闸管串联，晶闸管导通存在 2V 左右的管压降，几百安培的电流流过晶闸管，一套中压TSC 电路导通时产生几个 KW 的热量。这么大的热量需要由风冷、水冷、热管等来散热，有1%的耗能，耗能大。实际应用一套系统需要几组开关，TSC成本高，用户投入太大。

晶闸管投切电容器组和相控开关技术的出现都有近30年的历史，工程上有应用，但是应用量都不大。

2.4    晶闸管控制电抗器（TCR）+电容器和电抗器组成的滤波电路（FC）技术

中压动态补偿的技术手段，国内外公认为TCR+FC技术，TCR是晶闸管控制电抗器技术，国内荣信公司号称做到了装机容量世界{dy}。

但是TCR有缺点。TCR完成电网补偿，需要再做一套与需要滤除的无功功率同样大小的无功功率，用晶闸管控制无功的大小。这样，用户投资大，TCR本身需要约120元/KVAR.，占地大，耗能大，公认为3%，有人测试到5%。100MVAR的TCR有3MW的能耗，真是不少。TCR工作时产生谐波，靠FC滤除。只是目前没有更好的方法代替TCR。

还有一种磁控电抗器（MCR）技术，用少量的晶闸管控制饱和电抗器，与TCR相似，不多述。

3．新的技术思路和方法――用普通器件做低、中、高压动态投切电容器组特殊型选相开关。

它的定位：扭转中压动态补偿领域TCR+FC一统天下的局面；克服晶闸管投切电容器组（TSC）的价格高，耗能大的缺点；突破常规相控开关的速度慢的限制，将动作时间缩短，由打开到闭合完成一次动作，时间在1秒钟内，闭合不产生电流冲击，打开电流为零；减少传统的三相相控开关采用三个独立开关的结构，只采用两只独立的开关就完成了三相开闭动作，称为2控3；采用新型动作原理【2】，对电容器预充电，在电网电压的峰点，开关的零电位投切动作，开关精度比传统相控开关低，效果比传统相控开关好，这意味着成本低，质量高，用户好接受。节能环保，没有能耗，符合时代要求。

开关形式为2控3型零点开关型或者2控3型开关型，原理框图如图4：

                             图3：零点开关

该项构思已经于2008，12，12做完了三相机理试验，效果很好。

下面为投切电容器的电压电流波形。没有冲击电流，开关和电容器串联，开关也没有冲击电流，时间<1秒， 从投切波形看非常象TSC在工作。

图4

展开波形

图5

新开关经过一次23天停止、另一次14天停止再投入工作，测试数据正常，意味着没有常规选相开关存在的长期停滞不用，再工作投切不准的问题，这是相控开关面临的技术难题。

从试验波形看：预期目标已经看到了曙光。

该项技术国内外没有，它是在我的已有专利的基础上的又一项专利技术，已经申报中国专利。   

4．投切电容器的新型开关应用的场合

应用电网电压范围广泛：

 低压：1KV开关

中压：6KV、10kV、35kV并联补偿投切电容器。

高压：110KV投切开关、高压串联补偿投切电容器:。

应用领域广泛：

冶金行业，煤矿、电气化铁路、变配电站电网、高压可控串补。

电路形式为2控3零点开关、2控3开关、三角形内开关、单相电路开关。

5．实施的几个层次

首先主要作10kV并联补偿投切电容器零点开关：补偿变电站和工业场合。成功了，再做35kV并联补偿投切电容器开关和电气化铁路投切等等。

10KV投切开关实施的步骤

1). 系统订货和10KV电网电压产品样机同步进行。

2). 用订货款做产品认证

6.   新型开关的技术功能和指标

     采用智能控制的技术，根据真空接触器投切点的变化，自动调节投切时间。前后两次投切时刻相差过大，判断开关不正常，报警停机

     自动检测永磁磁路的工作点，保持在合理的区间

     根据温度变化，自动调节投切准确。

     记录投切次数，达到预订的20万次报警，30万次停机换新开关。

     自动判断相序，相序错封锁。

     电流过载和过流报警封锁。

     具有电容器组矢量不平衡保护功能。

     具有显示功能：显示三相电流、三相电压、报警故障代码。

     根据用户要求可以具备联网功能，上传电流电压功率等参数

     投切瞬间没有过电压和电流冲击。

     动作次数与真空接触器相同，30万次。投入、切断、再投入的时间<1秒。

     适用电网电压等级为6kV、10kV、20KV、35KV、66KV、110KV。

     额定电流等级 160A、250A、400A、630A。接通电流为10倍的额定电流值。

     切断短路电流31.5kA。依靠熔断器开断。零点开关没有相间短路电流。

     开关主回路没有能耗，控制回路采用永磁操作机构，耗能很少。

     柜体采用铠装离开式金属封闭结构。方便检修和调试，开关柜没有噪声。

     具有开关柜五防功能。

     开关是作为补偿系统提供市场的，不是仅仅卖开关。

7.  横向比较各种开关特点。

表1：10KV4.8MVAR补偿方式比较

性能上与TSC相似，价格上比普通真空开关稍稍高些，低于同步开关，远远低于TSC和TCR的价格，同时达到没有能耗、动作快速。

  8. 结论：

20ms变化的冲击无功功率的解决手段只能为晶闸管方式，其余稍慢些的动态无功功率补偿的技术手段，都应该用机械开关方式。应用新技术原理，新型选相开关作为执行元件直接动态投切电容器组，可以不用TCR+FC和TSC方案。新型相控开关快速无冲击投切电容器效果如同TSC，，没有能耗，价格低。在中压动态补偿领域有望打破TCR+FC一统天下的局面。

                                            2009-1-21

参考文件：

1.“大容量动态无功补偿新技术及其应用”,  电科院 汤广福

2. TJE Miller ?《电力系统无功功率控制》 [M] ? 胡国根译 ? 北京水利电力出版社