独树一帜的无可控硅同步开关技术

无功补偿

独树一帜的无可控硅同步开关技术

绝大多数从事无功补偿工作的技术人员，尚未听说过“同步开关”

这个名词。这是因为同步开关刚刚被研制出来，尚未普遍应用。但是可以断定，不远的将来，绝大多数无功补偿装置都将使用同步开关来控制电容器的投切。

电容器投入时会产生的涌流，涌流的大小与线路阻抗有关，与电

容器投入时电容器与电源间的电压差有关。在极端的情况下，涌流可以超过100倍的电容器额定电流。如此巨大的涌流会对电容器的寿命产生很大的影响，会对电网产生干扰，因此人们总是希望涌流越小越好。

为了减少电容器投入时的涌流，人们发明了CJ19系列投切电容

器专用接触器，此类器件的基本原理是利用限流电阻首先接入电路使电容器预充电，从而减小电源与电容器间的电压差，然后主触点将限流电阻短路掉。此类器件通常可以将涌流降低到5倍以下，但切除电

容器时的电弧不可避免，因此对接点的要求较高以保证足够的使用寿命。

后来，人们发明了晶闸管电压过零投入技术。但是晶闸管的导

通损耗很大，使补偿装置的自耗电增大，不仅需要使用大面积的散热片甚至还要另加风扇。为了减少晶闸管的导通损耗，人们又发明了复合开关技术。复合开关技术就是将晶闸管与继电器接点并联使用，由晶闸管实现电压过零投入与电流过零切除，由继电器接点来通过连续电流，这样就避免了晶闸管的导通损耗问题，也避免了电容器投入时的涌流。但是复合开关技术既使用晶闸管又使用继电器，于是结构就变得相当复杂，并且由于晶闸管对dv/dt的敏感性也比较容易损坏。

同步开关技术是近年来最新发展的技术，顾名思义，就是使机

械开关的接点准确地在需要的时刻闭合或断开。对于控制电容器的同步开关，就是要在开关接点两端电压为零的时刻闭合，从而实现电容器的无涌流投入，在电流为零的时刻断开，从而实现开关接点的无电弧分断。

同步开关并非专用于投切电容器，对于任何需要同步操作的负

荷设备都可以使用同步开关。例如为了消除投入空载变压器时的涌

流，就可以使用同步开关，不过这时的投入策略与投入电容器时完全

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不同，需要在电压接近峰值时投入。因此，适用于不同用途的同步开关是不能互换的。

同步开关技术是传统的机械开关与现代电子技术的完美结合产

物，使机械开关重新焕发青春，使机械开关在具有独特技术性能的同时，其高可靠性以及低损耗的特点得以充分显示出来。

对于三相同步开关，三相接点必须能够分别动作，三相接点同

时动作的开关不能够实现同步开关的功能。同步开关的机械开关部分可以是电控的真空开关或者磁保持继电器等等。由于同步开关没有晶闸管部分，因此同步开关比复合开关的结构简单得多，可靠性也高得多。但是为了控制接点的同步投入与切除，同步开关的控制却要复杂得多。通常使用纯硬件电路不能实现如此复杂的控制操作，一定要使用单片机来进行控制。

为了实现同步开关功能，控制机构必须对电源的周期及相位进

行准确地检测。由于机械开关接点的动作较慢，通常由发出驱动信号

到接点动作到位需要若干毫秒的延时时间，因此控制机构必须能够确定接点的动作延时时间，以便提前发出动作信号，从而保证接点在需要的时刻动作到位。通常的开关在接通与断开的过程中延时时间是不同的，因此控制机构在接通与切除的过程中要使用不同的提前量。由于机械接点的动作延时时间受环境以及电源等诸多因素影响，因此控制机构必须具有一定的适应能力，保证在各种环境条件下都能够实现同步操作。这也是同步开关的关键技术所在。

简单地通过测量开关关接点的动作延时时间，然后根据延时时

间控制开关接点的动作并不能够保证同步开关功能的实现。因为开关

接点在实际闭合动作过程中会产生电弧的预燃现象，在实际断开动作过程中会产生电弧的重燃现象。所谓电弧预燃现象就是在接点闭合过程中，由于接点距离不断减小以至于绝缘强度不足产生电弧击穿的现象。所谓电弧重燃现象就是在接点断开过程中，接点距离还没有增加到足够的绝缘强度而产生电弧重新燃烧的现象。电弧预燃与重燃现象导致电路的导通与切断与接点的机械接触状态不一致，因此导致同步

开关功能不能实现。

产生电弧预燃与重燃现象的主要原因是接点的运动速度过慢。在

接点闭合的过程中，接点间的距离不断缩小，绝缘强度不断减弱，如果在这个过程中接点间的电压升高至超过接点间隙的绝缘电压，那么

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就会出现电弧预燃现象。同样，在接点断开的过程中，动接点与静接点间的距离逐渐增加，绝缘强度逐渐增加，如果在这个过程中接点间

的电压升高至超过接点间隙的绝缘电压，那么就会出现电弧重燃现

象。由于工频交流电源的周期是20毫秒，在一个工频周期里，电源电压会出现两次峰值和两次过零点，过零时刻与峰值时刻的间隔只有5毫秒，如果接点闭合或者断开的过程为十几毫秒到几十毫秒，那么在接点闭合或者断开的过程中，接点间的电压就有若干次达到电源电压的峰值，因此就有可能发生电弧预燃与重燃现象。接点的运动速度越慢，发生电弧预燃与重燃现象的可能性就越大。

为了消除电弧预燃与重燃现象，最有效的手段是提高开关接点的

动作速度。如果开关接点闭合或者断开的动作时间小于5毫秒，那么

就可以避免电弧预燃与重燃现象。在接点闭合的过程中，因为选择为电压过零闭合所以驱动信号要提前，如果接点的闭合过程为5毫秒，那么就要在电压为峰值时发出驱动信号，在接点动作的过程中，接点距离在不断减小，绝缘强度也在不断地减小，但是接点间的电压也在不断地减小，直至电压为零时接点闭合，因此不会出现电弧预燃现象。同样的道理，在接点断开的过程中，因为选择为电流过零断开，如果接点的断开动作过程为5毫秒，那么在接点开始断开时，由于电流为零因此没有电弧，断开以后，接点距离在不断增加，绝缘强度也在不

断地增加，接点间的电压也在不断地增加，由于接点的断开距离与接点间的电压升高速度一致，当电压升高至峰值时，接点已经完成断开动作到位，有足够的绝缘强度，因此不会出现电弧重燃现象。

通常的开关都是由线圈来驱动的，驱动电压可以影响到接点动作

速度，因此电源电压的波动就会影响开关接点的动作时间，以至于影

响同步开关操作的准确性。为了消除电源电压波动的影响，可以使用稳压电源来提供开关线圈驱动电压。但是稳压电源使复杂性增加、损耗增加、成本增加。简便的方法是使用电压反馈补偿技术，由单片机检测开关线圈的驱动电压，然后根据实测电压调整驱动控制信号的提

前时间，当电源电压升高时减少操作提前时间，当电源电压降低时增加操作提前时间。从而保证在各种电压状态下，都可以实现准确地同步开关操作。由于实现同步开关的操作控制比较复杂，必须使用单片机来进行控制，因此增加一个电压检测功能非常简单。虽然电压反馈补偿技术使单片机软件的复杂性增加，但软件的开支是一次性的。