低压无功补偿中晶闸管电子开关模块的特点与应用
时间：2010-03-18 13:43:12
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[导读]分析了低压无功补偿装置的开关特点，介绍了交流接触器以及新型晶闸管电子开关模块在无功补偿装置中的优缺点，同时对晶闸管电子开关模块在用于投切时的情况进行了模拟试验，并给出了相关的波形。
0 引言
无功补偿是电力系统运行的基本要求。为了在电力系统运行中进行无功平衡，必须对各种电力负荷所需的无功功率进行补偿。无功补偿的方法有调相机补偿和电容器组补偿等，其中最为有效和易于实施的是在靠近负荷点的地方进行就地无功补偿。由于无功补偿挂接在电网上主要是通过自动投入和切除电力电容器来达到补偿效果，因此，控制电容器投切的开关元件性能对整个装置的质量和稳定性起着非常关键的作用。目前，国内的无功补偿产品控制器普遍采用交流接触器或可控硅作为开关元件来控制电容器的通断。
1 电容补偿装置的投切开关方式和特点
电容式补偿装置的投切开关主要有交流普通接触器、带预设电阻的专用接触器和晶闸管电子开关等方式。
1.1普通交流接触器
交流接触器的价格低、通用性强，但在用于电容器投切时会产生很大的浪涌和脉冲过电压，有时可能导致绝缘击穿或接触器触头烧损，容易造成接触器损坏，从而影响补偿装置的使用。
1.2电容投切专用接触器
电容投切专用接触器是在普通交流接触器的主触头上加装了限流阻抗器件，这种改进在电容器投切不频繁时能起到一定作用，但其抑制电容器涌流的效果并不理想。当电流较大时，其限流电阻和主触头也常被烧损，特别是在无功负荷波动大和电容器投切频繁的情况下，实际使用寿命往往仅为一年左右。因此，这种专用接触器只适用于符合基本平稳、三相电压基本平衡的理想工作条件。
1.3 晶闸管电子开关模块
晶闸管电子开关充分利用了电压过零触发、电流过零切除、开关无触点、响应速度快等晶闸管特性，可使电容上的电压从零快速上升到额定工作电压。而在断开时，晶闸管上的电流过零切除．可实现电容器投入无涌流、切除无过压、投切无电弧的快速动态补偿功能，故能较好地解决电容器投切时产生的暂态冲击问题。但是，晶闸管在导通状态下存在较大的管压降(1 V左右)，故在工作时，应考虑消耗功率和其产生和散发的大量热量，而这会使运行和维护的成本加大。
1.4 接触器与晶闸管控制补偿设备的性能比较
利用接触器控制补偿设备与用晶闸管控制方法来补偿设备的性能比较如表1所列。
2晶闸管电子开关模块的内部功能
晶闸管电子开关模块主要包括反并联晶闸管、过零检测触发模块、抑制过电压的阻容吸收装置和散热装置。
2.1过零触发模块
由于切除的电容器上一般都有剩余电压，而电容器两端的电压不能突变，因此，当系统电压和电容器残压的差值较大时，触发晶闸管会产生很大的冲击电流，而可能直接损坏晶闸管。为了实现动态无功补偿装置快速响应，同时又保证投切无冲击电流，因此需要检测电容器电压和电网电压。只有当两者大小相等、极性相同时，才能瞬时投入电容。因此需要加装过零触发模块。目前，从晶闸管两端取得过零信号的典型触发电路是MOC3083。MOC3083芯片内部有过零触发判断电路，它是为220V电网电压设计的专门芯片，其芯片的双向可控硅耐压为800 V。在4、6两端电压低于12 V时，如果输入触发电流，其内部的双向可控硅导通。图1所示是用在380 V电网的TSC电路上串联两只MOC3083的过零触发模块的内部电路图。
事实上，在非过零触发时，其电流冲击往往能达到稳定值的3倍以上，而当过零触发时，其电流冲击一般仅为稳定值的1.5倍，而其电容电压冲击仅为稳定值的1.15倍。
2.2 抑制过电压阻容吸收装置
模块过压保护一般也可采用阻容吸收法。对于持续时间较短，能量不大的过电压，一般可在模块两端并联阻容吸收电路，用吸收电容把过电压的电磁能量变成静电能量存贮起来。而用吸收电阻不但可以防止电路振荡，还可限制晶闸管导通时电容放电所产生的开通损耗和di／dt值。并联在晶闸管开关模块的RC值可参考表2。
需要说明的是，阻容吸收电路中的电容应采用交流电容器，其输入电压为380 V时，应采用630 V，输入电压为220 V时，则可采用500 V的电容耐压。
2.3 散热装置
晶闸管开关模块在运行过程中，其晶闸管芯片的结温将升高。为了使结温维持在125℃最高额定值以下，必须使用散热器。而且，散热条件的好坏，也直接影响模块的安全、稳定和可靠运行。目前，散热方法有水冷、风冷(强迫和自然风冷)和热管冷却等方法。这里简要介绍风冷散热器的选择方法。
晶闸管开关模块的主电路由二个反并联晶闸管组成。根据模块内单个晶闸管的通态平均电流IT(AV)、通态峰值电压VRM、模块接触热RTHCH、以及平均功率(PT(AV)=0.85VRMIT(AV)，即可计算出散热装置的热阻RTHCA：
式中：TC为壳温(即散热板的温度)，TA为环境温度。
散热板的最高温度TCMAX，可由下式求得：
式中：TVJ为晶闸管的最高结温(125℃)，RTHJC为结到散热板的热阻。
求出散热器热阻RTHCA后，再选定相应的散热器的型号规格(DXC-450 DXC-616 DXC-573)，事实上，散热器的热阻应比计算的热阻小，即：
若一个散热器上装有几个模块，则可将∑PT(AV)=nPT(AV)代人式(3)，并求出∑PT(AV)，然后再选定散热器。根据可选散热器的热阻值(或散热器的热阻曲线)即可选定合适的散热器长度。
在无功补偿实际应用中，可将晶闸管电子开关模块用在TSC低压无功补偿以替代接触器，这样，就可以在开关电压过零时投入补偿电容量，从而避免了冲击电流的产生和瞬间电网电压的波动。图2所示是其工作波形图。
3 结束语
通过对低压无功补偿装置两种投切开关的分析与比较，可以看出，晶闸管电子无触点开关不但具有过零投切涌流小、无过电压等优点，而且可以解决工作时的散热问题。在实际工作中，其操作寿命几乎是无限的，可以频繁投切，而且投切时刻可以精确控制，因此，能实现无过渡过程的平稳投入和切除，其动态响应时间仅为0.01～0.02 s，因而是电容投切比较理想的开关。
无功补偿是电力系统运行的基本要求。为了在电力系统运行中进行无功平衡，必须对各种电力负荷所需的无功功率进行补偿。无功补偿的方法有调相机补偿和电容器组补偿等，其中最为有效和易于实施的是在靠近负荷点的地方进行就地无功补偿。由于无功补偿挂接在电网上主要是通过自动投入和切除电力电容器来达到补偿效果，因此，控制电容器投切的开关元件性能对整个装置的质量和稳定性起着非常关键的作用。目前，国内的无功补偿产品控制器普遍采用交流接触器或可控硅作为开关元件来控制电容器的通断。
1 电容补偿装置的投切开关方式和特点
电容式补偿装置的投切开关主要有交流普通接触器、带预设电阻的专用接触器和晶闸管电子开关等方式。
1.1普通交流接触器
交流接触器的价格低、通用性强，但在用于电容器投切时会产生很大的浪涌和脉冲过电压，有时可能导致绝缘击穿或接触器触头烧损，容易造成接触器损坏，从而影响补偿装置的使用。
1.2电容投切专用接触器
电容投切专用接触器是在普通交流接触器的主触头上加装了限流阻抗器件，这种改进在电容器投切不频繁时能起到一定作用，但其抑制电容器涌流的效果并不理想。当电流较大时，其限流电阻和主触头也常被烧损，特别是在无功负荷波动大和电容器投切频繁的情况下，实际使用寿命往往仅为一年左右。因此，这种专用接触器只适用于符合基本平稳、三相电压基本平衡的理想工作条件。
1.3 晶闸管电子开关模块
晶闸管电子开关充分利用了电压过零触发、电流过零切除、开关无触点、响应速度快等晶闸管特性，可使电容上的电压从零快速上升到额定工作电压。而在断开时，晶闸管上的电流过零切除．可实现电容器投入无涌流、切除无过压、投切无电弧的快速动态补偿功能，故能较好地解决电容器投切时产生的暂态冲击问题。但是，晶闸管在导通状态下存在较大的管压降(1 V左右)，故在工作时，应考虑消耗功率和其产生和散发的大量热量，而这会使运行和维护的成本加大。
1.4 接触器与晶闸管控制补偿设备的性能比较
利用接触器控制补偿设备与用晶闸管控制方法来补偿设备的性能比较如表1所列。
2晶闸管电子开关模块的内部功能
晶闸管电子开关模块主要包括反并联晶闸管、过零检测触发模块、抑制过电压的阻容吸收装置和散热装置。
2.1过零触发模块
由于切除的电容器上一般都有剩余电压，而电容器两端的电压不能突变，因此，当系统电压和电容器残压的差值较大时，触发晶闸管会产生很大的冲击电流，而可能直接损坏晶闸管。为了实现动态无功补偿装置快速响应，同时又保证投切无冲击电流，因此需要检测电容器电压和电网电压。只有当两者大小相等、极性相同时，才能瞬时投入电容。因此需要加装过零触发模块。目前，从晶闸管两端取得过零信号的典型触发电路是MOC3083。MOC3083芯片内部有过零触发判断电路，它是为220V电网电压设计的专门芯片，其芯片的双向可控硅耐压为800 V。在4、6两端电压低于12 V时，如果输入触发电流，其内部的双向可控硅导通。图1所示是用在380 V电网的TSC电路上串联两只MOC3083的过零触发模块的内部电路图。
事实上，在非过零触发时，其电流冲击往往能达到稳定值的3倍以上，而当过零触发时，其电流冲击一般仅为稳定值的1.5倍，而其电容电压冲击仅为稳定值的1.15倍。
2.2 抑制过电压阻容吸收装置
模块过压保护一般也可采用阻容吸收法。对于持续时间较短，能量不大的过电压，一般可在模块两端并联阻容吸收电路，用吸收电容把过电压的电磁能量变成静电能量存贮起来。而用吸收电阻不但可以防止电路振荡，还可限制晶闸管导通时电容放电所产生的开通损耗和di／dt值。并联在晶闸管开关模块的RC值可参考表2。
需要说明的是，阻容吸收电路中的电容应采用交流电容器，其输入电压为380 V时，应采用630 V，输入电压为220 V时，则可采用500 V的电容耐压。
2.3 散热装置
晶闸管开关模块在运行过程中，其晶闸管芯片的结温将升高。为了使结温维持在125℃最高额定值以下，必须使用散热器。而且，散热条件的好坏，也直接影响模块的安全、稳定和可靠运行。目前，散热方法有水冷、风冷(强迫和自然风冷)和热管冷却等方法。这里简要介绍风冷散热器的选择方法。
晶闸管开关模块的主电路由二个反并联晶闸管组成。根据模块内单个晶闸管的通态平均电流IT(AV)、通态峰值电压VRM、模块接触热RTHCH、以及平均功率(PT(AV)=0.85VRMIT(AV)，即可计算出散热装置的热阻RTHCA：
式中：TC为壳温(即散热板的温度)，TA为环境温度。
散热板的最高温度TCMAX，可由下式求得：
式中：TVJ为晶闸管的最高结温(125℃)，RTHJC为结到散热板的热阻。
求出散热器热阻RTHCA后，再选定相应的散热器的型号规格(DXC-450 DXC-616 DXC-573)，事实上，散热器的热阻应比计算的热阻小，即：
若一个散热器上装有几个模块，则可将∑PT(AV)=nPT(AV)代人式(3)，并求出∑PT(AV)，然后再选定散热器。根据可选散热器的热阻值(或散热器的热阻曲线)即可选定合适的散热器长度。
在无功补偿实际应用中，可将晶闸管电子开关模块用在TSC低压无功补偿以替代接触器，这样，就可以在开关电压过零时投入补偿电容量，从而避免了冲击电流的产生和瞬间电网电压的波动。图2所示是其工作波形图。
3 结束语
通过对低压无功补偿装置两种投切开关的分析与比较，可以看出，晶闸管电子无触点开关不但具有过零投切涌流小、无过电压等优点，而且可以解决工作时的散热问题。在实际工作中，其操作寿命几乎是无限的，可以频繁投切，而且投切时刻可以精确控制，因此，能实现无过渡过程的平稳投入和切除，其动态响应时间仅为0.01～0.02 s，因而是电容投切比较理想的开关。
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