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智能开关电容器问世,开启无功补偿新时代!

作者:卡卡  来源:www.summitthink.com  更新时间:2020-03-25 15:59:59  点击次数:

  智能开关电容器问世,开启无功补偿新时代!

  电能是通过长距离的线路传输过来的,而电力传输线上又有许多的开关,控制电力传输的方向并保护用电的安全,可以说电线和开关就构成了输电线路。

  我们在用电的时候也是闭合开关启动一个用电设备,断开开关就停止了其工作,可以想象开关在输电线路中是多么的重要。

  大家也许觉得开关就是两个导体(铜片)触点,合上就是开关接通,分开就是开关断开,而实际上就是在开关触点的闭合、断开的一瞬间就出现了许多问题:开关在闭合时会打火(产生涌流),断开时会拉弧(出现过电压)。开关闭合时的打火会烧坏开关的触点,而开关在断开时的拉弧问题更是难解决,如果开关断开时电离空气产生的电弧不能熄灭,会造成开关的烧坏甚至是开关无法断开。

  上世纪初的交流电和直流电之争最后被交流电赢了,很重要的因素是由于交流电可以容易的解决开关灭弧的问题,而直流电开关断开时电离空气产生的电弧很难熄灭。而开关控制的电流越大、电压越高,灭弧的问题就越难解决。

  开关在动作时产生电弧有两个条件,一个是空气,一个是电流。传统的开关就是在开关动作时去掉触点附近的空气,并且同时借助交流电过零时电流为零就可以把电弧灭掉。如果能有一种办法让开关在交流电的零点瞬间(电流为零)动作,这样开关动作是就不会产生电弧了。交流电的周期只有20毫秒,让开关触点在过零点的微秒级的时间内准确完成动作,现有的机械开关肯定是做不到的的,而电子开关却可以实现这个任务。

  电子开关可以保证切断电流的准确时间,一般常用的电子开关是晶闸管和IGBT,在交流开关上一般都是使用晶闸管开关,也称之为固体开关或固态继电器。但晶闸管也有很大的缺点,第一是成本高、第二是功耗大,而更大的问题是电子开关的可靠性比较差,dv/dt很高时晶闸管会误导通,而di/dt很高时晶闸管无法关断,所以只有特殊的场合才使用电子开关。在高压的场合可以用多支晶闸管串联组成高压电子开关,如何让所有的晶闸管同时动作也是有一定困难的。

  为了解决电子开关的上述问题,国内又出现了一种所谓复合开关的概念,其原理就是在机械开关上并联一个小电流可控硅电子开关:在开关闭合瞬间让电子开关找零点先动作,之后再闭合机械开关;在开关断开时也是先断开机械开关,然后让电子开关找零点断开。这似乎解决了电子开关成本高和功耗大的问题,但却更加暴露了电子开关不可靠的问题,由于可控硅的响应速度很低,在闭合时只能起到降低开关涌流的作用,无法消除主开关闭合前抖动产生的涌流。所以复合开关在电力开关上几乎没有使用的领域,在国际电工行业根本不认可复合开关。

  国源容开国际科技(北京)股份有限公司,在世界上首次完整提出了智能开关的概念,并解决了智能开关的许多技术问题,在近十年的研发过程中,进行了大量的试验并申请了多项发明及实用新型专利。

  智能开关:一种使用二极管作为开关触点的保护电路,真正实现了开关在接通和断开时无电火花、无电弧,不但大大延长了开关的寿命,并且抑制了由于开关打火、拉弧对电网造成的污染。开关闭合时是机械触点导通,开关断开时是机械触点断开。这种开关使用微处理器控制开关的闭合和断开过程,可以准确的控制开关触点闭合和断开的时间,闭合时不打火无涌流,断开时不拉弧,低功耗高可靠性,具有过流保护(过电流可调整)、过热保护(过热温度可调整)和短路保护的功能,还具有定时开关、遥控开关、轻触开关及计算机远程控制等功能,因此我们称它为智能开关-Smart Switch。

  图1

  开关的原理如图1所示,接触器K、辅助继电器K1、二极管D、电流互感器TA、微处理器MCU和电流互感器组成智能开关。Z为智能开关控制的负载,可以是电阻负载、电感性负载或电容性负载。微处理器MCU控制接触器K和继电器K1,接触器K和继电器K1分别控制常开触点S和辅助触点S1,智能开关的工作过程如下:

  开关S闭合过程:当微处理器MCU接到开关闭合指令后,MCU控制继电器K1在电压的负半周通电,继电器触点S1在电压负半周的时候稳定闭合,由于二极管D反向偏置,触点S1闭合过程中没有电流通过;当电源电压过零后,二极管D迅速导通,负载Z开始有电流流过,同时MCU控制接触器K通电,触点S在二极管D正向导通期间完成稳定闭合,即完成了智能开关的闭合过程。在触点S闭合的过程中,触点之间的距离从完全断开的最大到完全闭合期间,触点承受的电压仅为二极管D的正向电压0.7V,这么低的电压,触点承受的功率很小,不会发生打火。即使负载为电容,由于二极管在电压过零点导通,也不会产生浪涌电流。微处理器MCU通过1、2可以检测到交流电压的幅度和相位,通过3、4可以检测到交流电流的幅度和相位。

  开关S断开过程:当微处理器MCU接到开关断开指令后,MCU先控制继电器S1闭合,由于S处于闭合状态,S1闭合后没有电流通过;在电路电流为正半周时,MCU控制接触器K断电,接触器K的触点S将断开,随着S触点距离的增加,触点两端的电压也增加,当电压超过二极管的导通电压时,二极管D将导通,并把触点S分离过程中触点承受的电压钳位在0.7V以下,触点S在电流正半周内完全断开;当电流为负半周期时,MCU控制辅助继电器K1断开,在电流的负半周期,二极管D反向偏置不导通,没有电流通过负载Z,辅助继电器K1在电流负半周期内完成断开,即智能开关完成了开关的断开过程。在开关断开的过程中,触点S承受的电压不超过0.7V,触点不会发生拉弧。辅助继电器在断开时由于没有电流通过,而且反向电压都加在二极管上,所以辅助继电器在断开时触点也不会产生拉弧。

  图2是智能开关接通时通过接触器触点S、辅助继电器触点S1和负载的电流波形,图3是智能开关断开时通过接触器触点S、辅助继电器触点S1和负载的电流波形,期中其中Uac是交流电压的波形,Ik1和Ik分别是通过辅助继电器K1和接触器K线圈的电流波形,IS1是通过辅助继电器触点S1的电流波形,Is是通过接触器触点S的电流波形,Iz是通过负载Z的电流波形。

  从图中可以看到:

  开关接通:Is和Is1出现断续的波形,这是由于触点在闭合是时抖动造成的,在触点S没有闭合时,电流通过触点S1;当触点S闭合的瞬间,通过S1的电流变为0,触点S由于弹力的作用闭合后又会弹开,S分开的瞬间Is的电流为0,这时电流通过S1加到负载Z上,之后S又会闭合,则Is1又为0,这样反复几次触点S振动的幅度越来越小,直到稳定接触,而通过负载Z的电流是完全连续的。

  开关断开:当接触器K通电几个mS后,触点S断开,Is为0,二极管D导通,负载电流通过S1,直到Iz为0是二极管D截止,完成开关断开。

  开关闭合时通过负载的电流是从零点开始;开关断开时通过负载的电流从零结束。在开关闭合和断开的过程中,通过负载的电流没有浪涌或间断。

  智能开关的巧妙之处在于用辅助继电器触点保护接触器的触点,接触器的触点闭合又反过来保护继电器的触点,在整个的开、关过程中辅助继电器的触点都是在不通过电流的状态下完成闭合和断开的:在开关闭合过程中,辅助触点的闭合由二极管保护,辅助触点的断开由接触器的触点保护;在开关断开过程中,辅助触点的闭合由接触器的触点保护,辅助触点的断开由二极管保护。二极管起到保护辅助继电器触点和接触器触点的双重作用,辅助继电器和接触器是互相保护。

  智能开关可以应用的领域:

  智能开关可以在电力行业内替代几乎所有的传统开关,部分的替代新兴的电力电子开关,并且还可以产生许多新的应用领域,特别是以前机械开关由于动作慢而想应用而无法应用的领域:

  1. 低压电力电容器投切开关:

  长期以来,低压电力电容器的投切技术及产品,一直是一个没有完美解决方案的难题。而将智能开关和低压电容器做成一体——智能开关电容器,则可以解决现有电容器投切开关的所存在的各种问题,使无功补偿装置运行的可靠性、安全性大幅度提高,而制作成本明显下降。由于低压无功补偿系统是一个对价格比较敏感的领域,可以相信:“智能开关电容器”比将会取代电容器投切开关+电容器的传统模式。

  2. 高压电力电容器投切开关:

  3. 变压器有载调压开关:

  供电的电压不稳定可以通过调整变压器绕组改变输出电压,一般的变压器只能是在停电以后调整变压器的抽头进行无负载调压。如果变压器进行有负载调压,需要使用一种体积非常大的有载调压开关,使用非常的不方便。采用智能开关技术可以很容易的实现变压器的有载调压。

  4. 三相不平衡调整开关(选相开关):

  从发电厂送来的电是三相交流电,而用电系统中存在有大量的单相负载,由于三相用电量不可能完全一样,这就造成三相的不平衡,不仅会增加线路及变压器的损耗,还会降低变压器的出力甚至影响变压器的安全运行。目前并没有很好的解决办法,搭载智能开关技术制作的“选相开关”,可以瞬时、方便地将不同的负载,在三相电之间不断电(无缝)的切换,最后达到三相供电平衡的目的。

  5. 高压、超高压和特高压开关:

  采用智能开关技术可以做出任意高电压的开关,而且不需要真空或六氟化硫来保护开关的触点,这样就可以大大降低开关的制造成本并提高可靠性。

  6. 另外,智能开关技术还可应用于低压配电开关、电动机调速、电源切换、电网调配等领域。

  电能是现代社会获取能量最方便的一种方式,随着节能减排力度的增加,电动汽车将会成为今后汽车发展的方向,一旦电动汽车成为汽车的主流,城市居民对汽油的消费将转为电能的消费,这对电力的需求会成倍的增加,也就是对输变电提出更高的要求。

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