基于反饋控制策略的新型復(fù)合開(kāi)關(guān)研制

張新太　胡天祥

摘 要：近年來(lái)，隨著低壓配電系統(tǒng)智能化程度不斷提高，低壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中復(fù)合開(kāi)關(guān)較傳統(tǒng)接觸器使用比重日益增加。與此相伴的是：各復(fù)合開(kāi)關(guān)生產(chǎn)廠家技術(shù)水平參差不齊，復(fù)合開(kāi)關(guān)在使用過(guò)程中問(wèn)題頻出，安全問(wèn)題日益突出。對(duì)低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行剖析，找出問(wèn)題的根源，同時(shí)提出一種全新的思路和切實(shí)可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：復(fù)合開(kāi)關(guān) 可控硅 CPU（中央處理單元） 過(guò)零 反饋

中圖分類號(hào)：TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）006-031-03

1 引言

隨著近年來(lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展，低壓配電新技術(shù)、新產(chǎn)品也伴隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展不斷涌現(xiàn)。在低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置中，傳統(tǒng)接觸器投切電容器時(shí)涌流大、功能單一的弊病日益凸顯。因此，有研發(fā)能力的廠家將接觸器的更新?lián)Q代產(chǎn)品——低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)逐步推向市場(chǎng)。復(fù)合開(kāi)關(guān)的一次回路由繼電器和可控硅構(gòu)成，采集和控制回路以CPU（中央處理單元）為核心。其最大的特點(diǎn)是投切電容器時(shí)無(wú)涌流、功能豐富，有著傳統(tǒng)的接觸器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，各供電局、電力設(shè)備成套廠和廣大的電力用戶已逐漸接受復(fù)合開(kāi)，用以做為傳統(tǒng)接觸器的升級(jí)換代產(chǎn)品。

2 復(fù)合開(kāi)關(guān)的運(yùn)行現(xiàn)狀

復(fù)合開(kāi)關(guān)在低壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中運(yùn)用日益廣泛，但復(fù)合開(kāi)關(guān)的研制廠家水平參差有別，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)運(yùn)行時(shí)的安全、可靠性問(wèn)題沒(méi)有從根本上得到解決，嚴(yán)重地影響了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

由于復(fù)合開(kāi)關(guān)的硬件門檻并不高，從2005年初到2012年底，全國(guó)的復(fù)合開(kāi)關(guān)的生產(chǎn)廠家由當(dāng)初的幾家迅猛增加到數(shù)十家，復(fù)合開(kāi)關(guān)的應(yīng)用從當(dāng)初的嘗試階段逐漸轉(zhuǎn)為大面積推開(kāi)?，F(xiàn)場(chǎng)看過(guò)諸多廠家復(fù)合開(kāi)關(guān)的運(yùn)行現(xiàn)狀，很多復(fù)合開(kāi)關(guān)雖然解決了傳統(tǒng)接觸器投切涌流大的弊端，也出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題：復(fù)合開(kāi)關(guān)在運(yùn)行2-3年后有20%-40%左右出現(xiàn)故障。更為嚴(yán)重的是，約3%-10%的復(fù)合開(kāi)關(guān)在投運(yùn)初期或使用過(guò)程中出現(xiàn)炸裂損壞，造成了主變0.4kV進(jìn)線斷路器跳閘或線路損壞等諸多風(fēng)險(xiǎn)。

3 傳統(tǒng)的復(fù)合開(kāi)關(guān)隱患案例

某采礦廠采用容量為800kVA（10kV/0.4kV）的S11配電變壓器，無(wú)功補(bǔ)償裝置配置容量為12？0kvar，補(bǔ)償裝置主開(kāi)關(guān)采用500A的塑殼斷路器。無(wú)功補(bǔ)償裝置中的投切開(kāi)關(guān)采用低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)。配電系統(tǒng)運(yùn)行兩個(gè)月后，部分復(fù)合開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障且有明顯的燒灼痕跡，同時(shí)補(bǔ)償裝置進(jìn)線塑殼斷器出現(xiàn)了多次跳閘。

2008年5月17日，我單位受托對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置故障問(wèn)題進(jìn)行分析和查找，采用電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)補(bǔ)償柜進(jìn)線電流進(jìn)行實(shí)時(shí)錄波監(jiān)控。2008年5月18日，又有其它復(fù)合開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障，同時(shí)補(bǔ)償裝置斷路器跳閘。經(jīng)查電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置的錄波數(shù)據(jù)，清晰地反映了復(fù)合開(kāi)關(guān)在出現(xiàn)故障瞬間補(bǔ)償柜電流峰值為額定電流數(shù)倍，已超出示波表所能顯示的范圍。由此可以看出，傳統(tǒng)的復(fù)合開(kāi)關(guān)由于出現(xiàn)異常導(dǎo)致不可控，給用電單位甚至配電系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

附：復(fù)合開(kāi)關(guān)在電壓過(guò)零偏移50us處導(dǎo)通時(shí)的沖擊波形，如圖1所示。

圖1 復(fù)合開(kāi)關(guān)在電壓過(guò)零偏移50us處導(dǎo)通時(shí)的沖擊波形

4 復(fù)合開(kāi)關(guān)運(yùn)行故障問(wèn)題分析

低壓智能復(fù)合開(kāi)關(guān)出現(xiàn)運(yùn)行故障，一般有以下幾方面的原因：

（1）設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境惡劣，如運(yùn)行環(huán)境溫度、濕度、塵埃含量、海拔高度等外部環(huán)境的影響。

（2）電能質(zhì)量、電容器質(zhì)量的影響。

（3）復(fù)合開(kāi)關(guān)自身質(zhì)量缺陷的影響。

從現(xiàn)場(chǎng)采集的信息來(lái)看，產(chǎn)品自身質(zhì)量的缺陷是復(fù)合開(kāi)關(guān)運(yùn)行故障最主要的原因?，F(xiàn)就對(duì)復(fù)合開(kāi)關(guān)的工作原理進(jìn)行剖析：低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)的主要實(shí)現(xiàn)原理是將可控硅與磁保持繼電器并聯(lián)，由CPU（中央處理單元）對(duì)可控硅和磁保持繼電器進(jìn)行時(shí)序控制，動(dòng)作步驟如下：

（1）初始時(shí)刻，可控硅和磁保持繼電器均為斷開(kāi)，電容器為切除狀態(tài)。

（2）投入電容時(shí)，CPU控制可控硅在電壓過(guò)零點(diǎn)瞬間導(dǎo)通并持續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)電容電流流經(jīng)可控硅。

（3）電流穩(wěn)定后，CPU控制磁保持繼電器閉合，待其可靠接通后斷開(kāi)可控硅，繼電器擔(dān)任長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)流任務(wù)。

（4）切除電容器時(shí)，CPU控制可控硅處于接通狀態(tài)。待可控硅接通狀態(tài)穩(wěn)定后。隨即斷開(kāi)磁保持繼電器，此時(shí)可控硅擔(dān)任續(xù)流任務(wù)。

（5）待磁保持繼電器分開(kāi)狀態(tài)穩(wěn)定后，CPU撤消可控硅的觸發(fā)信號(hào)，控硅在電流過(guò)零自動(dòng)斷開(kāi)，完成一次投、切過(guò)程的全部動(dòng)作。

通過(guò)其基本工作原理可以看出：復(fù)合開(kāi)在電壓過(guò)零處投入電容器、退出電容器時(shí)在電流過(guò)零處，具備電壓過(guò)零投入、電流過(guò)零退出的特性。可控硅與磁保持繼電器的動(dòng)作時(shí)序均由CPU（中央處理單元）協(xié)調(diào)。無(wú)功補(bǔ)償裝置通常就近安裝于低壓配電變壓器，電源內(nèi)阻很小，又因補(bǔ)償裝置中復(fù)合開(kāi)關(guān)所接負(fù)載為電容器，異常干擾可使CPU失效致一次元件動(dòng)作時(shí)序失控，導(dǎo)致復(fù)合開(kāi)關(guān)在電壓波形非過(guò)零處投入電容器，從而產(chǎn)生數(shù)十倍甚至上百倍于額定電流的短時(shí)過(guò)流現(xiàn)象，引起復(fù)合開(kāi)關(guān)炸裂甚至配變進(jìn)線斷路器跳閘的嚴(yán)重后果。

5 硬件和軟件實(shí)施方案的提出

復(fù)合開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)最核心的問(wèn)題就是可靠性和安全性。目前大多數(shù)的復(fù)合開(kāi)關(guān)在設(shè)計(jì)中主要有兩大問(wèn)題難以解決：

（1）如何在投入電容時(shí)找到精準(zhǔn)的電壓過(guò)零點(diǎn)？

復(fù)合開(kāi)關(guān)中的可控硅只在接通與斷開(kāi)電容器的瞬間使用，損耗很小，無(wú)須散熱片。但是可控硅對(duì)電壓變化率（dv/dt）很敏感，對(duì)過(guò)電流的承受能力不強(qiáng)，可見(jiàn)可控硅部分是復(fù)合開(kāi)關(guān)的薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，在可控硅的終身壽命中，任何一次非過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)通將會(huì)產(chǎn)生極大涌流，可控硅瞬間過(guò)流損壞及復(fù)合開(kāi)關(guān)整體炸裂。因此，如何確保可控硅始終在電壓過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)通是設(shè)計(jì)首要解決的問(wèn)題。

（2）怎樣確保復(fù)合開(kāi)關(guān)核心部件失效時(shí)可靠閉鎖？

復(fù)合開(kāi)關(guān)中可控硅與磁保持繼電器的配合動(dòng)作時(shí)序是：CPU通過(guò)對(duì)光耦反饋的方波進(jìn)行掃描，以此找出電壓過(guò)零點(diǎn)位置，并在此時(shí)發(fā)出控制信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)脈沖回路觸發(fā)可控硅使其在電壓過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)通，可控硅導(dǎo)通后接通磁保持繼電器，最后撤消可控硅脈沖信號(hào)使可控硅斷開(kāi)，磁保持繼電器負(fù)責(zé)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)接通。復(fù)合開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，必定存在內(nèi)部元件如CPU、可控硅等關(guān)鍵元件逐漸失效的情況。CPU或可控硅元件的失效同樣可能會(huì)導(dǎo)致可控硅誤導(dǎo)通，從而引起過(guò)流、過(guò)壓現(xiàn)象的嚴(yán)重后果。如何保證在關(guān)鍵元件失效的情況下復(fù)合開(kāi)關(guān)的安全性？因此，設(shè)計(jì)中必須要考慮通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)合開(kāi)元件失效時(shí)的動(dòng)作閉鎖。

6 可行的硬件和軟件實(shí)施方案

（1）關(guān)鍵硬件控制及反饋回路的核心部分，如圖2所示。

圖2 復(fù)合開(kāi)關(guān)關(guān)鍵硬件控制及反饋回路

（2）硬件控制及反饋回路的分析。

為了克服目前低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)普遍存在的性能不穩(wěn)定、投入電容器涌流大、動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)高等弱點(diǎn)，本設(shè)計(jì)方案目的之一在于提供一種電壓過(guò)零點(diǎn)精準(zhǔn)檢測(cè)方案，另一目的在于提供一種軟件算法：在軟件上采取反饋信號(hào)與CPU步進(jìn)式脈沖互為配合，實(shí)現(xiàn)可控硅觸發(fā)全過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤保護(hù)功能，防止可控硅不可靠導(dǎo)通時(shí)磁保持繼電器閉合造成的炸裂風(fēng)險(xiǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測(cè)電壓過(guò)零點(diǎn)，本方案提供了一種電壓過(guò)零點(diǎn)精確檢測(cè)硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件包括脈沖變壓器，可控硅、磁保持繼電器、電壓互感器，電壓比較器LM311，高速光耦6N137，CPU（中央處理單元），以及它們間的連接關(guān)系。

為了實(shí)現(xiàn)與硬件所匹配的專有算法，本方案的技術(shù)方法包括：在軟件上將反饋信號(hào)與CPU步進(jìn)式脈沖互為配合，實(shí)現(xiàn)可控硅觸發(fā)過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤保護(hù)功能，確保磁保持繼電器閉合前可控硅已可靠導(dǎo)通，防止可控硅不可靠導(dǎo)通時(shí)磁保持繼電器閉合造成炸裂、損毀設(shè)備的嚴(yán)重后果。

軟件專用算法流程圖，如圖3所示。

圖3 軟件專用算法流程圖

（3）軟件和硬件互為配合的過(guò)程。

輸入部分。在復(fù)合開(kāi)關(guān)沒(méi)有投入時(shí)，磁保持繼電器與可控硅均斷開(kāi)，220V的壓降全部加在復(fù)合開(kāi)關(guān)上下兩端，通過(guò)互感器隔離變壓器SPT204A（T2）將復(fù)合開(kāi)關(guān)上下兩端的電壓轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，電壓過(guò)零比較器LM311（U2）及相關(guān)電路將弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)方波（方波的跳變處即是電壓正弦波的過(guò)零處），標(biāo)準(zhǔn)方波經(jīng)高速光耦6N137（U3）隔離輸出，轉(zhuǎn)變?yōu)?-5V、跳變沿<0.2us、占空比為50%的方波并傳送至CPU的I/O口作為過(guò)零方波反饋輸入。

反饋標(biāo)準(zhǔn)方波過(guò)零投入誤差：Uo<（0.2us/1000us）*220V

=0.04V，在此誤差下，即使考慮變壓器的最小內(nèi)阻，電壓過(guò)零時(shí)投入電容器時(shí)涌流沖擊不會(huì)超過(guò)額定值的5%。

輸出部分。軟件中首先設(shè)置好脈沖序列數(shù)和脈沖頻率，并將輸出口線設(shè)置為推挽結(jié)構(gòu)。CPU在檢測(cè)到方波上跳沿的同時(shí)，推挽結(jié)構(gòu)的I/O口采用程序步進(jìn)的方式發(fā)送第一個(gè)脈沖，在發(fā)送下一個(gè)脈沖前對(duì)反饋波形進(jìn)行分析，判斷可控硅導(dǎo)通情況：如果輸入口線為低電平，說(shuō)明當(dāng)前時(shí)刻可控硅為導(dǎo)通狀態(tài)，則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)脈沖并進(jìn)行導(dǎo)通判斷，依此循進(jìn)，直至整個(gè)過(guò)程可控硅均導(dǎo)通方可閉合磁保持繼電器。

在整個(gè)發(fā)送脈沖與通斷判斷過(guò)程中，若發(fā)送某一個(gè)脈沖后CPU判斷口線為高電平，說(shuō)明當(dāng)前時(shí)刻可控硅沒(méi)有導(dǎo)通，則放棄后續(xù)的脈沖發(fā)送及閉合磁保持繼電器的動(dòng)作，有效地杜絕了可控硅不可靠導(dǎo)通時(shí)磁保持繼電器盲目閉合造成的隱患。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）本文指出了低壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中復(fù)合開(kāi)關(guān)運(yùn)行出現(xiàn)的常見(jiàn)問(wèn)題，以及復(fù)合開(kāi)關(guān)不可靠衍生出的嚴(yán)重后果。并對(duì)復(fù)合開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障的原因作了詳細(xì)的分析。

（2）針對(duì)復(fù)合開(kāi)關(guān)自身的缺陷問(wèn)題，本文提出了妥善和完整的軟、硬件解決方案，包括：硬件的可靠配置，軟件的專用算法，輸入部分和輸出部分可靠配合，解決了可控硅通斷不可靠、電壓過(guò)零檢測(cè)不準(zhǔn)引發(fā)的巨大涌流問(wèn)題，同時(shí)也規(guī)避了可控硅導(dǎo)通不可靠時(shí)磁保持繼電器閉合造成的燒毀設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。低壓復(fù)合開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中的安全、可靠的兩大核心問(wèn)題從根本上予以解決，為無(wú)功補(bǔ)償裝置安全、可靠地運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（本文提出的復(fù)合開(kāi)關(guān)控制保護(hù)策略及其核心單元，已獲國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利授權(quán)，發(fā)明專利號(hào)：ZL201110081669.4。）

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