永磁真空開關(guān)投切低壓無功補(bǔ)償裝置的研究和應(yīng)用

劉建初

（中山供電局，廣東 中山 528400）

1 引言

目前，中山配電網(wǎng)公用臺(tái)區(qū)共安裝4757臺(tái)低壓無功補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償容量為79.8萬千乏，補(bǔ)償率達(dá)21.6%。無功補(bǔ)償裝置的投切使用率較高，無功補(bǔ)償裝置對(duì)改善電壓質(zhì)量、減少線路損耗、提高配變?nèi)萘坷寐势鸬搅朔e極作用，但目前使用的無功補(bǔ)償裝置故障率較高，特別是投切開關(guān)，為保持其正常運(yùn)行，每年均需一定的維護(hù)費(fèi)用，造成了無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行成本的升高，因此需要對(duì)現(xiàn)有的無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，提高投切開關(guān)的使用壽命，降低無功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行成本。

2 投切開關(guān)的選型

投切開關(guān)是低壓無功補(bǔ)償裝置中最容易損壞的關(guān)鍵元器件，投切開關(guān)目前有三代產(chǎn)品，分別是交流接觸器、晶閘管和復(fù)合開關(guān)。其中，交流接觸器存在投切產(chǎn)生涌流和頻繁投切容易燒壞觸頭的缺點(diǎn)，但其長(zhǎng)期運(yùn)行不發(fā)熱；晶閘管存在投切產(chǎn)生諧波和長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)熱燒壞的缺點(diǎn)，但其投切無浪涌且響應(yīng)速度快[1]；復(fù)合開關(guān)雖然投切速度快，能實(shí)現(xiàn)過零投切，但對(duì)過壓、過流較敏感，在出現(xiàn)雷電沖擊和操作過電壓時(shí)容易損壞，故障率較高，因此改進(jìn)投切開關(guān)是提高無功補(bǔ)償裝置可用率的關(guān)鍵。

中山供電局與有關(guān)廠家合作，采用永磁真空開關(guān)作為無功補(bǔ)償裝置的投切開關(guān)。并將其與目前應(yīng)用的三種投切開關(guān)進(jìn)行性能對(duì)比。

以下為不同類型投切開關(guān)的性能對(duì)比（見表1）。

從表1可見，永磁真空開關(guān)與復(fù)合開關(guān)和可控硅比較，具有其合閘時(shí)間精度非常高（0.2ms）的優(yōu)點(diǎn)，又能克服其開關(guān)壽命短、抗過電壓、雷電、意外涌流沖擊的能力差等缺點(diǎn)；各方面的性能明顯優(yōu)于交流接觸器，非常適于作為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的投切開關(guān)。

3 永磁真空開關(guān)的結(jié)構(gòu)

為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，永磁真空開關(guān)采用了永磁操作機(jī)構(gòu)。永磁機(jī)構(gòu)是目前結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種操作機(jī)構(gòu)，其所用的零件少，動(dòng)作簡(jiǎn)單可靠，使用壽命超過十萬次。永磁機(jī)構(gòu)的磁路設(shè)計(jì)使合閘保持力增大了，同時(shí)減小了對(duì)合閘時(shí)線圈電流的要求，并且在分閘或合閘狀態(tài)時(shí)開關(guān)的線圈均無需保持電流。由于開關(guān)線圈僅在合閘或分閘操作時(shí)通以一個(gè)小的脈沖電流，線圈的發(fā)熱很小，從而延長(zhǎng)了使用壽命[2]。

圖1 低壓永磁真空開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用設(shè)計(jì)方式

4.1 一次原理圖（圖2）

其中，QF為主斷路器、QF2～QF6為微型斷路器或熔斷器、ZK為永磁真空開關(guān)、RG1～RG4為永磁運(yùn)行開關(guān)、FD為放點(diǎn)線圈、FV為避雷器。

從接線圖可看出，電容器的投入和切除是通過永磁真空開關(guān)和永磁運(yùn)行開關(guān)的相互配合來實(shí)現(xiàn)的，兩者的協(xié)調(diào)控制由同步控制器負(fù)責(zé)。

4.2 補(bǔ)償裝置投切過程流程圖（圖3）

從上述流程圖可看出電容器實(shí)現(xiàn)了同步過零開關(guān)技術(shù)，所謂同步過零開關(guān)技術(shù)是指斷路器的動(dòng)、靜觸頭在電子控制系統(tǒng)的控制下，可在系統(tǒng)電壓波形過零時(shí)關(guān)合；電流波形過零時(shí)分?jǐn)啵@樣可使投入空載變壓器、電容器和空載線路時(shí)，對(duì)自身和電力系統(tǒng)沖擊最小[3]?？刂崎_關(guān)的觸頭在電壓零點(diǎn)閉合，在電流零點(diǎn)分離，即首先檢測(cè)出電流或電壓的零點(diǎn)，然后根據(jù)此開關(guān)的機(jī)械特性以及穩(wěn)定的合分閘時(shí)間，精確控制合分閘的動(dòng)作時(shí)刻，讓它關(guān)合或開斷在預(yù)定的相位。永磁真空同步開關(guān)的壽命遠(yuǎn)大于空氣接觸器，且通流能力及抗過壓能力非常強(qiáng)，主回路結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，而且動(dòng)作時(shí)間快，能適用于負(fù)荷變化比較頻繁的地方做無功補(bǔ)償裝置的投切開關(guān)。由于電容器組投入時(shí)的暫態(tài)過程與投入時(shí)系統(tǒng)電壓的相位密切相關(guān)，因此應(yīng)用永磁真空同步開關(guān)在系統(tǒng)電壓的指定相位角處投入電容器組（即同步關(guān)合技術(shù)）可以大大減小電容器組投入時(shí)的暫態(tài)過電壓和涌流，提高無功補(bǔ)償裝置的可靠性及使用壽命。

表1 不同類型投切開關(guān)的性能對(duì)比表

圖2 無功補(bǔ)償裝置一次接線原理圖

圖3 補(bǔ)償裝置投切過程流程圖

5 效果分析

5.1 投切效果

圖4為使用真空開關(guān)投入30kvar電容器時(shí)電流、電壓波形；圖5為使用真空開關(guān)切除30kvar電容器時(shí)電流、電壓波形。從圖4、5可見，使用真空開關(guān)投切電容器過程無振蕩，無普通接觸器投入電容器時(shí)出現(xiàn)觸點(diǎn)彈跳、拉電弧，產(chǎn)生過流、過電壓現(xiàn)象；真空開關(guān)投入電容器時(shí)，涌流非常?。s為電容器實(shí)際工作電流的1.22倍）；真空開關(guān)在同步控制器的控制下，可在電壓過零點(diǎn)精準(zhǔn)投入電容器，在電流過零點(diǎn)精準(zhǔn)切除單容器。使機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)可控硅過零投切的功能。

圖4 使用真空開關(guān)投入30kvar電容器時(shí)電流、電壓波形

圖5 使用真空開關(guān)切除30kvar電容器時(shí)電流、電壓波形

數(shù)據(jù)顯示，目前記錄的日最高投切次數(shù)為154次，月平均投切次數(shù)達(dá)到1000～2000次，無功補(bǔ)償裝置的工作仍然正常。

5.2 補(bǔ)償效果

目前已安裝永磁真空開關(guān)投切無功補(bǔ)償裝置431臺(tái)，補(bǔ)償方式包括集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償，補(bǔ)償容量從120kvar到30kvar不等。

從這些臺(tái)區(qū)中選取了6個(gè)各類用電性質(zhì)（包括工業(yè)、商業(yè)、居民、魚塘等）的用電臺(tái)區(qū)作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采取點(diǎn)，采集臺(tái)區(qū)的投切次數(shù)、電流、電壓和功率因數(shù)變化波形、補(bǔ)償前后的功率因數(shù)和電壓值變化。數(shù)據(jù)顯示，試點(diǎn)臺(tái)區(qū)的功率因率跌到0.9以下時(shí)，同步控制器能及時(shí)跟蹤，實(shí)時(shí)補(bǔ)償至0.9以上，根據(jù)采集到的功率因數(shù)變化波形，各試點(diǎn)臺(tái)區(qū)的功率因數(shù)均運(yùn)行在0.9以上，效果非常理想。

圖6為其中一個(gè)臺(tái)區(qū)的補(bǔ)償波形。

圖6 板芙工業(yè)用電補(bǔ)償?shù)男Ч€圖

6 效益分析

以中山供電局為例，經(jīng)核算，目前現(xiàn)有的4757臺(tái)低壓無功補(bǔ)償裝置的投切開關(guān)每年的故障率接近20%，按每臺(tái)維修成本1200元計(jì)算，每年的維修費(fèi)用為4757×0.2×1200=1141680元，費(fèi)用很大，部分裝置因無法落實(shí)維修資金而停運(yùn)。目前已使用的431臺(tái)永磁真空開關(guān)投切低壓無功補(bǔ)償裝置，每年節(jié)約的維修費(fèi)用為431×0.2×1200=103440元，而設(shè)備價(jià)格與復(fù)合開關(guān)投切的基本相同，不需新增成本，因此經(jīng)濟(jì)效益可觀。

以中山供電局10217臺(tái)公變?yōu)槔羧坎捎糜来耪婵臻_關(guān)投切低壓無功補(bǔ)償裝置，相對(duì)復(fù)合開關(guān)投切，每年可節(jié)省維護(hù)費(fèi)用10217×0.2×1200=2452080元，且能取得較好的補(bǔ)償效果；若用于全省乃至全國，經(jīng)濟(jì)效益更加可觀。

在社會(huì)效益方面，永磁真空開關(guān)投切低壓無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用，使低壓無功補(bǔ)償裝置具備了較高的可用性，對(duì)改善電壓質(zhì)量、減少線路損耗、提高配變?nèi)萘坷寐势鸬搅朔e極作用，符合國家的節(jié)能環(huán)保政策，可產(chǎn)生明顯的社會(huì)效益。

7 結(jié)論

永磁真空開關(guān)作為投切電容組的執(zhí)行元件，應(yīng)用在無功補(bǔ)償裝置中，具有投切精度高、無涌流、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，能完全實(shí)現(xiàn)同步過零開關(guān)技術(shù)，使低壓無功補(bǔ)償裝置具備了較高的可用性，具有其他的投切器件均不具備的明顯的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用效果和效益顯著，在無功補(bǔ)償領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景，不僅用于低壓無功補(bǔ)償裝置，還可用于中壓及以上的設(shè)備過零投切。

[1] 李茂林. 淺談低壓無功補(bǔ)償裝置三大部件的選取與使用[J].電氣應(yīng)用(電力電氣專刊),2007(2):S14-S15.

[2] 吳家慶. 無功補(bǔ)償投切元件的選擇[J]. 農(nóng)村電工,2006(12).

[3] 鐘國中. 永磁操作機(jī)構(gòu)及其同步過零技術(shù)[J]. 地方電力管理, 2003(1):4.