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电容器理想投切元件----智能选相开关
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文章来源:山东特安电气有限公司 添加人:admin   添加时间:2010/9/13 14:37:17

  一、无功补偿对节能减排的重要意义

  当前我国正处在"十一五"规划时期,"十一五"时期是全面建设小康社会的关键时期。其重点之一是坚持以科学发展观统领经济社会发展全局,保持经济平稳较快的发展。随着国民经济的飞速发展,对于能源的需求激剧增加。要提高人民生活水平和发展国民经济都离不开能源,而当前能源结构中,绝大部分是取自电网,为此,如何提高电能利用效率、降低电网损耗、营造绿色电力环境,保护生态环境,达到节能减排,是体现积极响应国家十七大把节能作为一项基本国策的具体任务。

  众所周知,电网向用电负荷输送电能时包含两部分功率,一部分用于做功被消耗,它们转化为热能、光能、机械能或化学能等等,称为有功功率P;另一部分用来建立电磁场,作为交换能量使用,对外部电路并未做功,它们由电能转换为电磁场能,再由电磁场能转换为电能,周而复始,并未消耗,而是在电源与负载之间进行不间断地交换,这部分能量称为无功功率Q。无功功率并不是无用之功,没有这部分功率,就不能建立起感应磁场,电动机、变压器等设备就不能运行。无功功率和有功功率一样是保证电力系统电能质量,电压质量,降低电网损耗所不可或缺的部分。

  有功功率P,无功功率Q和电源容量S之间是矢量三角形的关系,当三个量中有一个确定之后,其余二个就可通过功率因数(即cosφ)来求得,功率因数高与低反映了下级负载对上级电源要求提供无功功率的多和少,在有功功率P相同的情况下,功率因数愈低,表明负载消耗无功愈大,要求电源提供愈多的无功功率,这会使电源运行工况变坏,若电源无功容量不足,系统运行电压将难以保证,使电气设备得不到充分利用,从而降低网络的传输能力,并引起电网损耗增加。所以在电力系统中功率因数作为衡量和考核运行工况的一个重要指标就不难理解了。解决好输配电网络无功补偿的问题,对电网的安全和降损节能有着重要的意义。鉴于电力生产的特点,用户用电功率因素的高低,对发、供、用电设备的充分利用,节约电能和改善电压质量有着重要影响。为了提高用户的功率因素并保持其均衡,以提高供用电双方和社会的经济效益,国家电网公司制定了按不同功率因数对用户计算电费的方法,即《功率因素调整电费办法》,鼓励用电部门装设无功补偿装置以改善电网运行工况。

  所谓无功补偿就是在电力系统的合适地点设置合适容量的无功电源,以满足负载对无功的需求,避免大量无功功率从电源向负载的远距离传输,这样既改善了上级电源的运行工况又降低了有功网损,减少发电费用,这是目前普遍采用的投资少回报高的行之有效的方法,对于不同的无功补偿方法,国家电网公司在《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》中有明确的规定:无功补偿配置的基本原则是实施分散就地补偿与变电站集中补偿相结合,以分散就地补偿为主;电网补偿与用户补偿相结合,以用户补偿为主;高压补偿与低压补偿相结合,以低压补偿为主;由此可见电力系统的无功补偿最关键的是用户低压侧实施分散的就地补偿,可以想象如果用户低压侧分散就地补偿都做得很理想,那么变电站高压侧集中补偿的任务就轻得多了。实际上低压补偿技术难度小,投资小,负载侧就地补偿效果更显著。

  电力系统中的无功电源有同步发电机、同步调相机、并联电容器等等多种型式,其中通过改变并联电容器的容量(即以投切电容器的方法)以改变无功功率的无功补偿装置,是目前被普遍采用的最经济最行之有效的方法。

  综上所述,通过在用户低压端实施投切电容器的方法,是当前最基本和被普遍采用的经济有效的方法,这一方法也是电力系统中实现节能减排最基本最有效的手段之一,也是最容易实现的方法。

  无功补偿装置中主要元件是电容器和投切开关,投切开关的性能直接影响到电容器的使用寿命及补偿效果,所以其性能就将是至关重要了。

  二、目前使用的各种低压电容器投切开关的分析比较

  低压电容器投切开关的应用经历了一个由简单粗犷到理性精细的发展过程。

  1、交流接触器

  最先应用的是交流接触器,这是传统的投切方式,由于三相交流电的相位互成120°,对交流接触器投切控制,理论上不存在最佳操作相位点,即投切瞬时不可选择性。电容器是容性负载,当它投入或切出电网时,要产生一个暂态的过渡过程。并联电容器由交流接触器投入电网时,由于其投入相位点是随机的,所以会产生幅值很大、频率很高的浪涌电流,情况严重时会发生触点熔焊现象。同样,在将并联电容器从电网中切除时,易产生电弧,烧损触头及操作过电压,而浪涌电流和操作过电压对电容器会造成严重危害。所以应用交流接触器的投切方式不仅投切元件(交流接触器)本身会有烧损,使用寿命短,维护成本高,不适于频繁操作,同时对被控对象(并联电容器)也会造成严重危害。随后,为了改善这些缺陷,出现了所谓投切电容器专用接触器,就是在接触器的主触头处并以带电阻的辅助触头,在合闸时先合上辅助触头,然后再合上主触头,以此减低浪涌电流,而分闸时时序恰好相反,先分主触头,而后再分辅助触头,以此减轻电弧对触头的烧损。但这一措施仅仅是一种改良而已,并未在根本上解决问题,涌流和过电压仍然存在。上述接触器对电容器和装置的寿命有很大的影响,所以其在低压电容器投切领域的应用将越来越少。但由于其投资低,合闸时触头接触电阻小,运行功耗小,控制简单,所以至今在不少技术要求低的地方仍在应用,但可以预见,随着投切开关的发展,定将逐步被淘汰。

  2、可控硅开关(固态继电器)

  随着电力电子器件应用的发展和普及,研发出由可控硅为核心的固态继电器。通过电压过零检测元件和控制,保证在电压零区附近投入电容器组,从而避免了合闸涌流的产生,而切断又在电流过零时完成,避免了暂态过电压的出现,这就从功能上符合了电容器的过零投切的要求,相对于交流接触器有了质的飞跃。然而固态继电器在应用上有致命的弱点:就是在通电运行时可控硅有近1.5V压降,因此其本身功耗很可观,不仅消耗有功(例如一组20KVar电容器,运行时可控硅开关本身功耗就达120W,这是不小的数目!),由于有大的功耗所以需要散热以避免PN结的热击穿。为了降温就需要面积很大的散热器,甚至需要风扇进行强迫通风,这样就结构复杂,体积大、成本高,但它的优点是能实现过零投切,且动作迅速,反应快,多用于动态补偿的场合,而不适用于常规低压电容器投切的无功补偿装置中。

  3、复合开关

  当仔细分析研究了交流接触器和可控硅开关的各自优缺点之后,发现如果把二者巧妙地结合来,优势互补,发挥接触器运行功耗小和可控硅开关过零投切的优点,便是一个较为理想的投切元件,这就是开发复合开关的基本思路,这种投切开关同时具备了交流接触器和电力电子投切开关二者的优点,不但抑制了涌流,避免了拉弧,而且功耗较低,不再需要配备笨重的散热器和冷却风扇。要把二者结合起来的关键是相互之间的时序配合必须默契,可控硅开关负责控制电容器的投入和切除,交流接触器负责保持电容器投入后的接通,当接触器投入后可控硅开关就立即退出运行,这样就避免了可控硅元件的发热,这种看来似乎是很理想的复合开关自从2002年开始,由原来全国仅数家企业研发生产,至今已扩展到数十家企业,虽外型结构或电路有所不同,但内在原理基本相同:用小形三端封装的可控硅作为电容器的投入和切除单元,用大功率永磁式磁保持继电器代替交流接触器负责保持电容器投入后的接通,其过零检测元件是一粒电压过零型光耦双向晶闸管。从原理上看是理想的投切元件,但实际上并非如此,它存在下面一些缺陷:

  (1)小形三端(TOP)封装可控硅由于结构性的原因,目前这类型式的可控硅其短时通流容量不能做得很大(低于60A),反向耐压一般也只能达到1600V左右,这就限制了它的应用范围。由仿真和计算证明在380V的系统电压下,电容器理想开断时的稳态过电压就可能达到1600V,当系统电压高于380V(这是常有的情况)或非理想开断时的暂态过电压就可能远大于可控硅的反向耐压值1600V,众所周知可控硅是一种对热和电冲击很敏感的半导体元件,一旦出现冲击电流或电压超过其容许值时,就会立即使其损坏,而且是永久性的损坏,实际运行情况已经表明了复合开关的故障率相当高。

  (2)由于采用了可控硅等电子元器件其结构复杂成本上升,与交流接触器在价格上难以相比。

  (3)复合开关的过零是由电压过零型光耦检测控制的,从微观上看它并不是真正意义上的过零投切,而是在触发电压低于16V至40V时(相当于2-5电度)导通,因而仍有一点涌流。

  由上述分析比较可见,目前使用于低压补偿装置中的各种投切开关并非十分完美,有必要进一步研究开发出一种价格可与接触器媲美,运行中稳定可靠,故障率低的更为理想的电容器过零投切开关。

  三、智能选相开关/智能电容器模块的基本设想和研制方案

  从上世纪六十年代起,在我国高压断路器的大容量断流容量试验中已经采用了选相技术,为了试验高压断路器的动/热稳定性能,在试验中通过选择不同合闸相位来控制短路电流中的直流分量,选相精度为小于1电度,此选相技术对测控设备及被控高压断路器都有很严格的要求,根据这一思路,我公司决定把高压断路器试验中成熟的选相技术移植到低压电容器的过零投切应用上,当然高/低压产品之间有很大的差别,但基本机理是可融会贯通的,我们以MCU(单片微型计算机)为核心,辅以高精度的采样回路和合理的程序设计,来替换复合开关中最易损坏的可控硅元件,不仅可将选相精度从原来的2-5电度提高到1电度,而且大大提高了运行可靠性,大幅降低故障率,实现理想的过零投切,同时为了更进一步的抑制开断时的暂态过电压,增设有效的放电回路,将过电压限定在安全区内。由于以软件替代硬件,大大减少了元器件的数量,所以预期成本也将大幅降低,使智能选相开关在价格上能与交流接触器相竞争,通过对不同投切开关的分析比较,不难发现智能选相开关将是低压配电网无功补偿装置中电容器理想的投切开关,

  智能选相开关可以有多种结构型式;单一结构型式和二台组合结构型式,前者是一对一的控制电容器,本身不包含电容器,作为控制元件使用,适合于常规组屏,灵活方便,而后者是将二台智能选相开关与二台电容器组合在一起,使之成为一个整体(即智能电容器模块),大大减小了补偿装置的体积,这可能是今后补偿装置结构的一个新趋势,当然补偿方式可以实现共补和分补,以适应用户的不同需求。

  智能选相开关由于应用了MCU技术,通过RS485通讯控制方式可对多至64路电容器进行控制,同样由于应用了MCU技术,因此具备了通讯功能,可将基层单位的电量信息实时发送到上级电网,为今后发展智能化电网作好了准备。这些都是交流接触器和复合开关等无法实现的。

  四、涌流,过电压对电容器性能的影响

  对电力电容器的失效机理和失效原因研究表明,局部放电特性是电力电容器失效的关键。常见的失效模式有击穿短路、开路、电参数退化(容量变化、损耗角正切值增大、漏电流增大和绝缘电阻下降),开路和短路一类突然发生并完全失去功能的失效叫做致命失效(完全失效);因电参数超差而逐渐失去功能的失效叫做退化失效(部分失效),其中致命失效危害极大,但退化失效往往是致命性失效的诱因和预兆。

  低压并联电容器基本上为自愈式结构(即局部元件电击穿后能自行恢复绝缘状态),在浪涌电流和操作过电压等不正常的电应力经常作用下,局部元件产生电击穿,由于"自愈"作用,电容器的电容器值就逐步衰减,同时也加快了局部放电特性的变坏,可见涌流,过电压的后果是加速了电容器的失效。由此可以得出结论:电容器投切开关的性能直接关系到电容器的使用寿命!有些用户的经验表明,以交流接触器作为投切开关的无功补偿装置,其电容器寿命大概是一年左右,就得更换。

  五、我公司研制智能选相开关的优势

  我公司是高低压无功补偿装置的专业生产企业,有较强的研发能力,在2003年就开发成功TAFK系列复合开关产品,是国内最早生产复合开关为数不多的厂家之一。有多年的生产运行经验。公司拥有一支富有研发经验的技术力量,包括熟悉高压断路器断流容量试验选相技术的工程师、有丰富经验的软件工程师和结构设计师。对无功补偿技术有较深的理解,对市场信息有中肯的分析和判断能力。这就坚定了我们研发智能选相开关的决心和成功的保证。

  六、市场分析及产业化前景

  按电力电容器行业需求分析及预测,十一五期间低压并联电容器年均需约2000万KVar,下面从二方面进行分析:

  1、相对电容器而言

  采用智能选相开关替代交流接触器从而延长了电容器使用寿命,设比原来的使用寿命延长一年到二年(可用对比试验证明),这就意味着节减了2000万KVar到4000万KVar电容器,以7元/KVar计算,仅就电容器而言即节省1.4到2.8亿元。2:由于节减了2000到4000万KVar电容器,生产这些电容器的能源和原材料也就可节省。

  2、相对智能选相开关而言

  以每20KVar电容器配备一台选相开关,则每年就需要100万台,以200元/每台计算,即每年新增市场容量为2亿元。2:对原安装交流接触器的改造用选相开关,又是一个很大的需求量,因而既有很大的社会效益又具有极大的经济效益,由此可见这是个相当巨大的产业市场。

  本申报稿的思路是:

  无功补偿对节能减排的重要意义,补偿的关键在于低压侧以投切电容器的方法实现就地补偿。目前使用的各种低压电容器投切开关的分析比较,结论是还未有完美的投切开关。将高压断流容量试验中的选相技术移植到低压,以MCU为核心构成智能选相开关,从理论上论证其优越性,从性价比(性能好,可靠,价低,具通讯功能)上预测其在市场的定位。补述涌流,过电压对电容器性能的影响,再次论证电容器投切开关的性能直接关系到电容器的使用寿命。
 

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