新型复合开关在电能质量治理领域的典型应用

　　1 引言
　　电力开关设备在动作时关合或断开电路，不动作时连接或隔离电源，对电力系统运行起着控制和保护的作用。常规机械开关的分合闸时间较长，合闸时间一般大于40ms，分闸时间一般大于100ms，无法做到分相过零投切，难以避免合闸涌流和冲击电压，也不能频繁进行投切;以晶闸管开关为主的电力电子开关可以实现零电压接通和零电流关断，也比较容易做到分相控制，但它在导通时有较大(相对机械开关)的功率损耗，需要加装体积庞大的散热系统，投入和运行成本较高，经济性较差。因此，基于常规机械开关与电力电子开关技术的新型复合开关技术的出现，在开关性能及响应时间要求都较为严格的电能质量治理领域取得了一定应用与进展。
　　2 新型复合开关简介
　　新型复合开关是一个由机械开关(一般为高压真空接触器)和一个电力电子开关(一般为反并联的晶闸管阀串)相并联的电气结构，其把机械开关和晶闸管开关的各项优点结合起来。新型复合开关工作在自动工作方式下运行，平时晶闸管阀组不工作，当支路需要进行投切操作时，晶闸管阀组短时工作，实现零电压接通和零电流关断，作为电子开关来实现电路的无震荡开合;在持续导通过程中则由机械开关(高压真空接触器)进行工作，功率损耗几乎为零，晶闸管阀的冷却方式采用自然冷却就可满足运行条件，从而避免了晶闸管阀组工作带来的功率损耗和散热问题，不需要另外加装水冷或风冷设备，大大节约了运行成本和土地资源。新型复合开关的一次结构图如图1所示。


　　新型复合开关结合了机械开关和晶闸管开关的优点，具有响应速度快、损耗小、控制方式灵活、占地面积小、可以频繁投切等诸多优点。因此在对开关性能及响应时间要求较为严格的电能质量治理领域获得了广泛应用。
　　3 应用一：投切无功补偿电容器
　　随着经济的发展，电力用户对电能质量的要求越来越高。电压偏差与电压波动是电能质量的一个重要方面，一方面覆盖广、数量大的配电网系统存在供电半径大，结构不合理等现状，另一方面如轧机、电弧炉、精炼炉等大量的冲击性负荷接入电网，使得电压偏差与电压波动的问题越来越普遍，冲击性负荷功率因数降低，谐波畸变较大，严重影响电网的电能质量。
　　解决冲击性负荷无功补偿的一种先进可靠的技术是采用静止无功补偿装置(SVC)，如晶闸管投切电容器(TSC)等，但是SVC装置造价高、占地面积大、晶闸管阀组损耗大、运行的经济效果较差。在现有条件下很难在工业配电领域大规模推广应用，通常适用于一些具有特殊要求的有限场合。
　　目前普遍采用的治理手段是机械开关投切电容器组，通过无功补偿达到稳定电压，改善电能质量的目的。
　　机械开关投切电容器无法做到分相过零投切，当电容器电压和系统电压不相等时合闸必然会产生涌流，涌流大小通常会达到电容器额定电流的几倍甚至几十倍，且谐波分量很大，对电容器装置及供电系统的安全稳定运行均产生了极大威胁，如果不采取限制措施，机械开关与电容器的运行寿命将会大大降低;电容器分闸后端电压会保持一段时间(持续时间与电容器内部/外部放电元件的放电特性有关)，因此电容器分闸后机械开关断口会承受高电压，如果开关重燃就会产生对电容器有危害的过电压。同时机械开关响应速度慢，无法做到频繁投切，容易产生过补偿。
　　新型复合开关投切电容器组装置的电气接线如图2所示，在电容器投入和切除瞬间通过晶闸管阀组进行过渡性导通和切断，可以消除电容器投切瞬间的冲击，在实现晶闸管投切后由机械开关进行长期的导通和切除，则可以大大降低晶闸管的损耗，实现电容器开关的无冲击自动投切。


　　注：1——串联电抗器;2——高压并联电容器;3——放电线圈;4——真空接触器;5——晶闸管阀。
　　采用如上接线方式的优点是在A、C两相加装复合开关即可控制三相电容器组。
　　复合开关投入电容器组过程：
　　(1)电压过零点触发晶闸管，实现电容器组零冲击投入;
　　(2)晶闸管触发脉冲持续200ms，闭合真空接触器;
　　(3)晶闸管触发脉冲持续200ms，晶闸管关断。
　　复合开关退出电容器组过程：
　　(1)触发晶闸管;
　　(2)晶闸管触发脉冲持续200ms，拉开真空接触器;
　　(3)晶闸管触发脉冲持续200ms，晶闸管电流过零自关断。
　　根据复合开关的工作原理及控制策略，采用电力系统仿真分析软件PSCAD搭建复合开关投切无功补偿电容器的模型，仿真结果如图3所示。图4为实际工程中采用机械开关投切电容器组与采用复合开关投切电容器组的录波波形。




　　从仿真结果和实测结果可以看出，采用机械开关投切电容器组时，有电压冲击，有合闸涌流，谐波含量高;采用复合开关投切电容器组时，无电压冲击、无合闸涌流、谐波含量低。
　　因此，利用新型复合开关可以有效抑制电容器投切过程中的电流冲击，保证电容器长期安全稳定运行，同时响应速度快，可以做到频繁投切，尤其适合作为大容量波动负荷的无功补偿投切装置。
　 　4 应用二：快速电源切换
　　暂态电能质量问题如电压暂降(Voltage Sags)和瞬时断电是对某些特殊用户影响较大的另外一个电能质量问题。电压暂降、瞬时供电中断等俗称“晃电”。对于石油、化工、半导体、多晶硅、冶金、煤炭、水利、制药、制造、纺织、光纤等连续性生产的行业企业，晃电会引起交流接触器释放、低压电机停转、电压软启动器和变频器停机等事故。导致生产波动、工艺流程中断、操作混乱，引起较大的经济损失，严重的还会造成重大人身伤亡和环境污染事故等。
　　传统处理方案有采用不间断电源(UPS)、安装机械开关备自投、安装自备发电机等，其中广泛采用的备用电源自投方式，一般都是用工作电源开关辅助接点直接(或经低压继电器、延时继电器)起动备用电源投入，这种方式无相频检测，厂用电切换成功率低或切换时间长，电动机易受冲击损坏或缩短寿命，而且大容量电动机残压切换时间过长，严重影响运行工况。另一方面，备用电源合上后，由于电动机成组自起动，电流很大，母线电压将可能难以恢复，从而导致自起动困难，或备用分支过流保护动作，厂用电中断。而且以上方案存在投入资金大、响应速度慢、结构复杂、损耗大等诸多问题。
　　利用新型复合开关技术设计的快速电源切换装置采用快速真空断路器和晶闸管阀体并联的形式，利用阀体在快速真空断路器断开和闭合过程中分流、灭弧作用，实现快速真空断路器的迅速断开和闭合，基于快速数学计算方法，辅以高速DSP芯片，3ms内完成现用电源侧电压异常快速判断及排出因负荷侧故障造成电压异常情况，实现15ms内从故障线路切换到正常线路，解决电压跌落和瞬时断电等问题，减少用户损失，保证用户的可靠供电。由新型复合开关组成的快速电源切换装置接线方式如图5所示。


　　快速电源切换装置在正常运行时，负荷电流从机械开关PS1中流过，晶闸管开关TH1、TH2不导通;当满足切换条件时，先打开PS1，同时给晶闸管TH1、TH2发触发命令。当PS1动作后，晶闸管阀两端建立起正向电压，晶闸管就会立刻导通，负荷电流开始从PS1转移到晶闸管阀。由于晶闸管的快速导通，机械开关PS1很快被熄弧;当检测到晶闸管中电流过零后，立刻触发备用电源侧的晶闸管开关单元，使电流转移到晶闸管TH3、TH4上来;然后闭合机械开关PS2，负荷电流最后转到PS2上，从而完成整个切换过程。当主供电源1恢复正常后，装置可以实现自动回切和手动回切功能。
　　整个切换过程如图6所示。


　　快速电源切换装置的切换过程表明，在正常运行时，负荷电流流经机械开关，晶闸管阀不导通;仅当进行切换时，晶闸管阀才导通，各个开关单元的晶闸管阀导通时间可能不一样，但其最大导通时间不超过100ms，因此可以忽略晶闸管阀的损耗。同时晶闸管阀的冷却方式采用自然冷却就可满足运行条件，不需要另外加装水冷或风冷设备。
　　某复合开关组成的电源切换装置现场录波波形如图7所示，从录波波形可以看出，当主电源1出现故障后，电源切换开关快速动作，负荷电流在一个周波之内迅速从电源1切换至电源2，真正实现了负荷端不间断供电。


　　基于新型复合开关技术的电源高速切换装置的切换速度快(≤15ms)，且开关过程中不产生电弧，大大提高了切换速度和开关的使用寿命，满足了重要敏感负荷对供电可靠性的苛刻要求，确保用户的正常供电不受影响，为用户带来了良好的经济效益和可靠的安全保证。其性能远远高于传统的备自投开关，是电源切换技术的巨大进步，在切换过程中能够确保所有敏感用电负荷的正常供电，可全面替代现有的备自投开关，极大程度的解决了部分暂态电能质量问题。
　　5 总结
　　以上介绍了利用新型复合开关技术投切无功补偿电容器和双电源快速切换这两种典型应用，从计算机仿真和实际应用的效果可以看出，新型复合开关有效结合了传统的机械开关、电力电子开关的各项技术优势，可以有效的解决某些传统的无功补偿问题和新需求下的暂态电能质量问题，并具有较强的针对性与运行经济性。随着对新型复合开关技术的进一步了解和掌握，其还可应用于其他任何对开关性能及响应速度要求较高的场合，应用前景十分广阔。