杭州浙泰电气有限公司　张胜雷

天津电气科学研究院有限公司　段毅 王沙 孟蝶

新型电容器投切开关设计
——智能同步开关

杭州浙泰电气有限公司张胜雷

天津电气科学研究院有限公司段毅 王沙 孟蝶

本文在对现有的复合投切开关进行了简要介绍，分析出复合投切开关的自身缺点，引出了设计新产品——智能同步开关的必要性。首先对智能同步开关的工作原理进行了简要介绍，提出其设计的关键点在于能否实现同步闭合和分断。通过对同步闭合和同步分断的深入分析之后，系统阐述了智能同步开关的总体结构设计、硬件及软件设计。解决了目前复合开关，接触器，晶闸管投切开关所存在的自身缺点，提高投切器件的可靠性，实现实时在线监控和传输功能，实现无功补偿真正智能化。

复合投切开关 智能同步 无功功率补偿

0　引言

无功功率补偿是提高电网质量，节约电能的一种重要手段，广泛应用于输配电线路和各个用电行业。而电力电容器作为无功补偿的主要元件，其运行的稳定性直接关系到输配电线路运行和用电质量。电力电容器的投入、切除作为影响其稳定运行的重要环节，必然会成为一个热门课题。

目前电力电容器的投切器件主要有：切换电容器接触器、晶轧管投切开关和复合投切开关。切换电容器接触器作为早期的主要投切器件目前依然大量存在，其缺点在于动作相位是随机的，在投入和切除容性负载时，会产生较大涌流和过压，影响电容器寿命和供电线路安全。晶轧管投切开关很好地解决了交流接触器的缺点，在电压为零点时投入电容器，在电流为零点时切除电容器，可以将涌流限制在额定电流的1倍左右。但是晶轧管作为电力电子器件，存在发热大、体积大、过载能力小等缺点。使用在强电环境下，成本高，可靠性低，一般只适合使用在动态补偿场合下。复合投切开关则综合了交流接触器和晶轧管投切开关的优点，在投切瞬间利用晶轧管特性实现小涌流投切，长期投入时则利用交流接触器或继电器，从而实现低发热、低功耗。复合投切开关作为目前的主要投切器件被应用广泛。

但是复合投切开关并没有完全解决晶轧管的自身缺点，在使用中依然会存在可控硅击穿现象。由于成本限制，目前复合投切开关内的可控硅多为小功率晶轧管，从而进一步放大了电力电子器件过载能力小的缺点。尤其在谐波场合：当谐波较大时，电压、电流重复过零，晶轧管会重复截止和导通，由于容性负载电压和电流存在相位差所以会产生较大的电压、电流上升率，当上升率大于晶轧管极限值时，晶轧管会瞬间击穿。使用的可靠性比较差。并且由于晶轧管耐压的限制，对于像525V，660V这样的使用场合更是无法使用。

本论文所阐述智能同步开关产品，目的就是解决目前复合开关，接触器，晶轧管投切开关所存在的自身缺点，提高投切器件的可靠性，实现实时在线监控和传输功能，实现无功补偿真正智能化。

1　原理阐述

智能同步开关的工作原理就是在没有晶轧管的情况下，精准控制继电器触点在电压零点时刻同步闭合、在电流零点时刻同步分断，从而实现开关接点的无电弧分断。这样完全避免了晶轧管的缺点而继承了晶轧管的优点。其设计关键点在于能否实现同步闭合和分断。这需要考虑电压、电流的零点检测、触点动作时间、触点损耗等一些变量的影响。

1.1同步闭合

触点在电压为零时同步闭合，可以有效防止触点预燃、减小瞬态涌流。控制过程如图1所示。

图2.1

开关在T1时刻检测到闭合信号后开始检测电压零点，在T2时刻检测到电压零点，后根据触点行程时间在T3时刻释放驱动信号，触点在经过T5行程时间段后，最终在预计零点处T4闭合。

1.2同步分断

触点在电流为零时同步分断，可以有效防止触点重燃、避免瞬态过压。控制过程如图所示。

图2　

开关在T1时刻检测到分断信号后开始检测电流零点，在T2时刻检测到电流零点，后根据触点驱动延迟时间在T3时刻释放驱动信号，在经过T5延迟时间段后，最终在预计零点处T4分断。

2　智能同步开关的设计

2.1总体结构

智能同步开关的功能框图如图3所示。

主要功能为：各个模拟量的实时采集计算

实现自适应反馈同步控制

实现通讯控制功能

检测开关和电容的状态，及时保护

图3　

2.2硬件设计

智能同步开关以ST公司的32位arm微控器为核心，外围主要分为电源、信号采集处理和驱动控制三大部分。

2.2.1微控器系统和电源的设计

微控器是智能同步开关的核心部件，担负着各个模拟量的采集、计算和精准控制继电器触点的任务。并且还要处理人机界面、外部通讯。ST公司的STM32采用32位cortex-m3内核，比普通微控器具有：运行速度快、实时运算能力强、片内外设功能丰富、完善的输入输出控制等优点，能够较好地满足系统设计需求。

微控器中已经集成了内部看门狗和复位电路，简化了设计复杂性，提高了微控器整体抗干扰能力。

图4

图4是电源部分原理图，电源是电子系统的心脏，直接影响整个系统稳定性。电源部分的器件均为关键器件。本系统中，微控器为3.3V供电，而有些外围器件需要5V供电。在这种混合电压系统中需要注意逻辑接口的电平匹配问题。本系统中使用1117-3.3为微控器供电，使用7805为外围器件供电。

2.2.2 信号采集电路的设计

电压、电流信号经过传感器转换为相应的模拟电压信号，这些信号需经过一定的比例放大才能为微控器所用。

2.2.3 驱动控制电路的设计

本系统使用了专用芯片BL3083作为继电器驱动，具有电路简单、体积小、故障率低等特点。

3　软件设计

本系统要求软件完成以下主要功能：实时采集电压、电流信号；实时检测零点相位；在得到投切指令时，控制继电器触点状态；在投切过程中实时检测触点的动作时刻；在检测到过流、掉电等情况时，实时切除电容器。可见本系统对于实时性要求比较高，这也是软件设计重点。

本系统使用多任务实时操作系统作为软件框架，基于多任务实时操作系统的嵌入式软件设计可以将各个功能模块作为独立任务运行，并且可分优先级，优先级高的任务可以打断优先级低的任务，优先级相同的任务可以分时运行，这样就可以及时运行重要功能，在宏观上各个功能处于并发运行。从而达到系统对于实时性的要求。

4　结束语

本文设计的智能同步开关可通过12V直流电平或RS485总线通讯控制，最大控制容量共补30kvar电容器、分补3×10kvar电容器。开关内部拥有检测模块来监测开关内部元件的工作情况，当发现开关内部元件异常的时候，开关自动退投。其中RS485总线通讯控制可实现最多64路电容器控制运行，并可与控制器实现485接口联网，实现实时在线监控和传输功能，实现无功补偿真正智能化。