技术领域
[0001] 本
发明涉及电力系统中用于静态补偿
无功功率的无功补偿装置中的电容器的投切装置，特别是一种用于控制三相电力电容器投切的同步开关。
背景技术
[0002] 在现有的无功补偿装置中，普遍使用交流
接触器、磁保持继电器和晶闸管组成的复合开关或者晶闸管等器件来控制电容器的投入和
切除。使用交流接触器会造成电容器投入时的涌流现象，使用晶闸管会产生很大的导通损耗，而复合开关采用晶闸管与继电器接点并联的方法不仅成本高，对于小容量的单片式晶闸管耐压目前受
半导体工艺的限制，最大
电压不超过1600V，三相共补方式的无功投切在恶劣的情况下可达到4倍的
电源电压最大值，远超过晶闸管1600V的耐压，而且由于晶闸管对
浪涌电压、过流及
雷击的敏感性较高，在谐波电压或
电流较大的地方可靠性下降。
[0003] 磁保持继电器接点在闭合动作过程中可能会产生
电弧的预燃现象，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。接点在断开动作过程中会产生电弧的重燃现象。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，因而影响同步开关的性能。
[0004] 在相序正确的情况下，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，动接点与静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。
发明内容
[0005] 发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对
现有技术的不足，提供一种结构简单、成本较低的用于控制三相电力电容器投切的同步开关。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于控制三相电力电容器投切的同步开关，包括三相电源输入、磁保持继电器J1、磁保持继电器J2、电流互感器CT1、电流互感器CT2以及检测控制电路；
[0007] 所述磁保持继电器J1的接点输入端连接三相电源输入的A相电源，磁保持继电器J1的接点输出端通过电流互感器CT1连接三相电力电容器的第一端，三相电源输入的B相电源直接连接三相电力电容器的第二端，磁保持继电器J2的接点输入端通过电流互感器CT2连接三相电源输入的C相电源，磁保持继电器J2的接点输出端连接三相电力电容器的第三端；
[0008] 所述三相电源输入的各相以及电流互感器CT1和电流互感器CT2分别连接检测控制电路；
[0009] 在执行三相电力电容器的投入操作时，磁保持继电器J2的接点先在C相和B相线电压为零的时刻闭合，然后磁保持继电器J1的接点在A相相电压为零的时刻闭合；
[0010] 在执行三相电力电容器的切除操作时，磁保持继电器J1的接点先在电流互感器CT1电流的为零值时刻断开，然后磁保持继电器J2的接点在电流互感器CT2电流为零值时刻断开。
[0011] 本发明中，优选地，所述检测控制电路包括
单片机、电流过零检测电路、
三相电压相序及过零检测电路、磁保持继电器驱动电路以及磁保持继电器通断检测电路；
[0012] 所述电流过零检测电路输入端连接电流互感器CT1和电流互感器CT2，输出端连接单片机；
[0013] 所述三相电压相序及过零检测电路连接在三相电源输入与单片机之间；
[0014] 所述磁保持继电器驱动电路连接在磁保持继电器J1、磁保持继电器J2与所述单片机之间；
[0015] 所述磁保持继电器通断检测电路分别连接磁保持继电器J1和磁保持继电器J2，并与所述三相电力电容器连接。
[0016] 本发明中，优选地，所述的检测控制电路为磁保持继电器J1和磁保持继电器J2的控制线圈提供比额定电压高一倍以上的电压作为操作驱动电压。
[0017] 本发明中，优选地，所述三相电压相序及过零检测电路分别设置在A相和B相间，以及B相和C相间；
[0018] 所述三相电压相序及过零检测电路包括两个并联的限流
电阻，每个电阻后连接一个光耦，两个光耦的集
电极并接后通过两个串接的施密特触发反向器连接单片机。
[0019] 本发明中，优选地，所述电流过零检测电路包含依次
串联的电流互感器、运算放大电路以及比较器，用于将
正弦波电流
信号被转化为方波信号输入到单片机。
[0020] 本发明中，优选地，所述磁保持继电器驱动电路包括两个PNP
三极管和两个NPN三极管组成H桥式驱动电路，两个PNP三极管的集电极接与继电器驱动线圈的一端，两个NPN三极管的集电极和继电器驱动线圈的另一端连接；两个PNP三极管包括三极管Q5和三极管Q6，两个NPN三极管包括三极管Q3和三极管Q4；
[0021] 其中三极管Q5的发射极连接电源，三极管Q6的集电极连接电源，三极管Q3和三极管Q4的集电极连接到地，三极管Q5和三极管Q6的基极分别和三极管Q1以及三极管Q2的集电极连接，
控制信号端switch连接三极管Q3和三极管Q5的基极，控制信号端Reset连接三极管Q2和三极管Q4的基极；
[0022] 控制信号端Switch为高电平，控制信号端Reset为低电平时，三极管Q2、三极管Q4以及三极管Q6关断，三极管Q3和三极管Q1导通；三极管Q1导通将三极管Q5的基极电平拉低，三极管Q5导通，电流从三极管Q5的发射极传到集电极，并通过继电器线圈传到三极管Q3的集电极，继电器吸合，三极管Q1、三极管Q3以及三极管Q5截止，三极管Q2和三极管Q4导通，三极管Q2导通将三极管Q6的基极电平拉低，三极管Q6导通，电流从三极管Q6的发射极传到集电极，通过继电器线圈传到三极管Q4的集电极，继电器复归；
[0023] 在控制信号端Switch和控制信号端Reset同为低电平时，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5以及三极管Q6全部截止，继电器保持状态，单片机使控制信号端Switch和控制信号端Reset不同时为高电平，完成控制继电器的吸合、复归动作。
[0024] 本发明中，优选地，所述磁保持继电器通断检测电路包括两个检测部分，分别为检测状态State1部分和状态信号State2部分；
[0025] 检测状态State1部分用于三相电源的相序、正序时检测下半部分；
[0026] 状态信号State2部分用于逆序时检测使用上半部分；
[0027] 检测状态State1部分由两个光耦反向并联后连接磁保持继电器J2，确保输出低电平，使磁保持继电器在C相为零时投入，检测到磁保持继电器的闭合状态后，A相投入，两个光耦两端电压电位相等，始终输出低电平；
[0028] 状态信号State2部分由两个光耦反向并联后连接磁保持继电器J1。
[0029] 本发明为了实现同步开关的功能，避免两只电容器同时投切，由于机械特性上的差异，造成不能过零不准确，采用两只继电器控制三相电源的两个开关控制三相电源的方式，两只磁保持继电器不同时动作。在执行电容器的投入操作时，磁保持继电器J2的接点首先在CB相线电压为零的时刻闭合，然后磁保持继电器J1的接点在A相相电压为零的时刻闭合，从而实现无涌流投入(零电压投入)电容器的同步开关功能。
[0030] 在执行电容器的切除操作时，磁保持继电器J1的接点首先在电流互感器CT1电流的为零值时刻断开，然后磁保持继电器J2的接点在电流互感器CT2电流为零（零电流）值时刻断开，从而实现电容器电流过零切除的同步开关功能。
[0031] 由于开关在实际使用中，外部接线因施工因素的影响不能保证电源的接线前部是按A、B、C顺序接入的，为了实现开关的同步，并且在开关的投入和切除的过程中开关两端及电容器上的剩余电压最低，检测控制电路对接入的三相电源进行相序检测，根据检测到的实际接入电源的相序，调整磁保持继电器J1、J2断开或闭合的时序。
[0032] 由于磁保持继电器接点的动作较慢，通常由发出驱动信号到接点动作到位需要十几毫秒到几十毫秒的延时时间。为了实现同步开关功能，控制电路需要准确测量电源的
相位，并且能够确定磁保持继电器接点的动作延时时间，以便提前发出磁保持继电器驱动信号，从而保证磁保持继电器接点在需要的时刻动作到位。
[0033] 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。
[0034] 为了消除电弧预燃与重燃现象，本发明提高磁保持继电器的接点动作速度，使磁保持继电器接点闭合或者断开的动作时间小于5毫秒，从而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。
[0035] 制造具有快速动作接点的磁保持继电器是比较复杂的，本发明通过研究发现提高磁保持继电器的线圈驱动电压可以提高磁保持继电器的接点动作速度，由于磁保持继电器的线圈是间歇驱动的，因此适当提高线圈的驱动电压不会对磁保持继电器的安全运行造成影响，却为消除电弧预燃与重燃现象提供了有效手段。还不仅如此，由于每一个磁保持继电器的接点运动速度是不一致的，因此为正确实现同步开关功能增加了难度。提高了接点运动速度，也就减小了各个磁保持继电器的动作时间的偏差，使得同步开关功能比较容易实现。本发明通过实验实测表明，将磁保持继电器的线圈驱动电压提高至额定电压的三倍不会产生任何问题，但通常可以将接点闭合与断开动作时间减少到5毫秒以内。
[0036] 磁保持继电器在闭合过程中一定有一个回跳动作，同时由于磁保持继电器的机械物理特性，一旦接近继电器的疲劳寿命，其闭合或断开的时间就有所变化，这个变化量会比正常情况下的两次闭合或断开的变化量大得多，这样通过检测闭合和断开的时间变化量就可提前预知继电器的工作情况，及时发出告警信号更换新的开关，避免因继电器失效引起无功补偿装置工作不正常。所述的同步开关具有继电器寿命及故障检测功能，当继电器不能闭合或断开时，主动输出故障信号；当继电器的闭合或断开时间与前面平均值有较大变化时，输出继电器接近机械疲劳寿命信号。
[0037] 所述检测控制电路能够对电源电压的相序进行识别，当电源相序改变时，根据相序改变磁保持继电器J1，J2的闭合、断开时序。
[0038] 有益效果：本发明所述的用于控制三相电力电容器投切的同步开关包括以下优点：减少电容器的投切涌流，提高电容器的使用寿命；由于不使用可控
硅元件，减少了开关的故障点，提高了开关两端的耐压能力，也提高了开关的可靠性；同时扩大了开关的适应性，可使用在谐波电压超过8%的用电环境；降低了无功补偿投切开关的成本；通过对反馈状态的检测，可及时判断出开关的工作状况。
附图说明
[0039] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0040] 图1为本发明的电气连接图。
[0041] 图2为本发明包括检测控制电路的电气电路图。
[0042] 图3a和图3b为本发明中电压相序过零检测电路图。
[0043] 图4a和图4b为本发明中电流过零检测电路图。
[0044] 图5为本发明中磁保持继电器驱动电路图。
[0045] 图6为本发明中磁保持继电器动作检测电路图。
[0046] 具体实施方式：
[0047] 图1为本发明所述
实施例的电气连接图。图中的J1、J2为磁保持继电器，CT1、CT2为电流互感器，C为三相电力电容器，CKDL为检测控制电路。在同步开关中包括2只磁保持继电器J1、J2，两只电流互感器CT1、CT2及相应的检测控制电路，控制一台三相电力电容器C，磁保持继电器J1的接点输入端连接A相电源，磁保持继电器J1的接点输出端连接三相电力电容器C的第一端，B相电源电容器的第二端，磁保持继电器J2的接点输入端连接C相电源，磁保持继电器J3的接点输出端连接电容器C的第三端。 磁保持继电器接点的闭合与断开操作受检测控制电路CKDL控制，所有磁保持继电器的接点闭合与断开时刻都与电源的相序和相位密切相关，因此属于同步开关，利用同步开关的功能可以实现电容器的无涌流投入与电流过零切除。
[0048] 如图1所示，当同步开关上电后，检测控制电路先检测三相的相序，判断出正确的三相相序A，B、C，当投入电容器时，检测控制电路首先测量C、B相线电压的过零点，如果磁保持继电器J2的闭合动作时间为5毫秒，则在测量到过零点之后5毫秒时发出磁保持继电器J2的闭合驱动信号，磁保持继电器J2正好在C、B相线电压的下一个过零点闭合。同时根据磁保持继电器J1的闭合动作时间t，延时15ms~t的时间发出
[0049] 磁保持继电器J1的闭合驱动信号，此时磁保持继电器J1在A相相电压下一个过零点闭合，这就是投入电容器时的同步操作，从而实现了电容器的无涌流投入。
[0050] 当切除电容器时，控制电路首先测量电流互感器CT1电流的过零点，如果磁保持继电器J1的断开动作时间(从驱动信号发出到接点开始分离)为3毫秒，则在测量到过零点之后7毫秒时发出磁保持继电器J1的断开驱动信号，此时磁保持继电器J1在A相电流为零断开。同时根据磁保持继电器J2的断开动作时间t1，延时15ms~t1的时间发出磁保持继电器J2的断开驱动信号，此时磁保持继电器J2在C相电流为零断开。。这就是切除电容器时的同步操作，从而实现了电容器的电流过零切除。
[0051] 控制电路提供的磁保持继电器驱动电压为磁保持继电器额定驱动电压的2倍左右，从而使磁保持继电器接点的动作速度足够快。
[0052] 图2 为本发明实施例的检测控制部分电路图。图中包括三相电压相序及过零检测电路1，A相电流互感器2（即电流互感器CT1）、C相电流互感器3（即电流互感器CT2）、电流过零检测电路4，单片机5，磁保持继电器驱动电路7，磁保持继电器8（即磁保持继电器J1、J2）、磁保持继电器通断检测电路9。电源电压与电压相序过零检测电路1连接，电压相序过零检测电路1与单片机5连接；电流互感器2、3与电流过零检测电路4连接，电流过零检测电路4与单片机5连接；磁保持继电器驱动电路7与单片机5连接，磁保持继电器8与磁保持继电器驱动电路7连接，磁保持继电器通断检测电路9与磁保持继电器8，单片机5与磁保持继电器通断检测电路9连接构成输入输出闭环。
[0053] 下面结合图2说明检测控制电路的一种具体实现方式：当同步开关上电后，电压相序及过零检测电路1产生电压的过零信号脉冲，送至单片机5，单片机根据每相过零脉冲之间的时间间隔，判断出三相电压的相序，接收到控制型号后根据相序情况确定控制A相，C相磁保持继电器驱动电路7投入或切除电容器10，控制磁保持继电器驱动电路7开关磁保持继电器8，单片机5根据检测到的磁保持继电器通断检测电路9状态变化的时刻，判定当前投入或切除的时刻偏离过零点的时间t，在下次投入或切除结合这次的时间偏移t调整控制信号相对过零点的时刻，每次投入或切除，单片机5都重复这个过程，并计算前面几次的磁保持继电器8动作平均时间T，当最近一次的磁保持继电器8动作时间超过平均值T误差一倍以上，就判定磁保持继电器8接近疲劳寿命，输出报警信号。如果没有检测到预期的磁保持继电器8开关状态，输出开关故障告警信号。
[0054] 图3a和图3b为本发明实施实例的三相电压相序及过零检测电路，包括两路电压过零检测电路，分别检测A、B相间和B、C相间电压过零。下面结合图3a说明C、B相间过零电路，该电路包含限流电阻R3、限流电阻R5和一对反并联的光耦U2、U3，以及两个串联的施密特触发反向器U1A、U1B，光耦U2和光耦U3的集电极并接，不管A、B相间电压正向还是反向过零时，光耦U2和光耦U3都不导通，集电极并接后经电阻R1上拉到电源+5V输出高电平，在A、B相间电压不过零时，在A相电压大于B相电压时，光耦U2导通，在B相电压大于A相电压时光耦U3导通，光耦U2和光耦U3集电极并接组成OC方式输出，这样光耦U2贺U3总有一个导通，将电平拉低，输出低电平，经过两个施密特触发反向器U1A，U1B整形接入后端单片机5。同样如图3b所示，A、B两相过零检测信号经整形
输出信号接入单片机5，单片机5根据两个信号的时间间隔判断出A、B、C之间的相序，完成过零及相序检测。
[0055] 图4a和图4b 为本发明实施实例的电流过零检测电路，该电路包括两路电流过零检测电路，分别检测A相和C相电流过零。下面结合图4a 说明A相电流过零电路，该电路包含电流互感器T10，电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13，电容C10，运算放大电路U10A以及比较器U11A，电阻R11和电容C10并接在T10的输出端，外部电流信号接入互感器T10的Ia+和Ia-，经过互感器隔离变换，电流流过R11产生一个电压信号，经过电阻R13，接入
运算放大器U10A的输入正端3脚，
运算放大器U10A的输入负2脚和输出1脚直接短接，组成一个电压跟随器，将输入正端3脚的电压同步输出给电压比较器U11A的比较输入正端3脚，电压比较器U11A的比较输入负端2脚，在输入电压Ia+大于Ia-时，U10A组成电压跟随电路将正的电压信号输出到电压比较器U11A的正端，电压比较器U11A的输出脚1输出正电平，经过电阻R12以及电阻R10对电源分压以后Ia_Zero仍是高电平，在输入电压Ia+小于Ia-时，运算放大器U10A组成电压跟随电路将负的电压信号输出到电压比较器U11A的正端，电压比较器U11A的输出脚1输出负电平，经电阻R12和电阻R10对电源分压以后Ia_Zero是低电平，在Ia+和Ia-相等的时候，Ia_Zero最终输出零电平，Ia+和Ia-信号从高到低，Ia_Zero 输出从高变换到低，完成一次电流从正到负的过零检测，反之，Ia+和Ia-信号从低到高，Ia_Zero 输出从低变换到高，完成一次电流从负到高的过零检测。图4b所示为C相电流过零检测电路，其结构与A相电流过零检测电路相同。
[0056] 图5为本发明实施实例的磁保持继电器驱动电路。该电路有两个PNP三极管Q5、Q6和两个NPN三极管Q3、Q4组成H桥式驱动电路，三极管Q5和三极管Q4的集电极接与继电器驱动线圈一端连接，三极管Q3和三极管Q6的集电极和继电器驱动线圈的另一端连接，三极管Q5的发射极连接到驱动电源，三极管Q6的集电极连接到驱动电源，三极管Q3和三极管Q4的集电极连接到地，三极管Q5和三极管Q6的基极分别和三极管Q1和三极管Q2的集电极连接，控制信号switch连接在三极管Q3和三极管Q5的基极，控制信号Reset连接三极管Q2和三极管Q4的基极。控制信号Switch为高电平，Reset为低电平，此时三极管Q2、Q4、Q6关断，三极管Q3、Q1导通，三极管Q1导通将三极管Q5的基极电平拉低，三极管Q5导通，电流从三极管Q5的发射极流向集电极，从左到右流过继电器线圈，流向三极管Q3的集电极，继电器吸合；控制信号Reset为高电平，Switch为低电平，三极管Q1、Q3、Q5截止，三极管Q2、Q4导通，三极管Q2导通将三极管Q6的基极电平拉低，三极管Q6导通，电流从三极管Q6的发射极流向集电极，从右到左流过继电器线圈，流向三极管Q4的集电极，继电器复归；在Switch和Reset同为低电平时，三极管Q1~Q6全部截止，继电器保持原来的状态，单片机5控制该两个信号不同时为高电平，完成控制继电器的吸合、复归动作。
[0057] 图6 为本发明实施实例的磁保持继电器通断检测电路，该电路包括电阻R7、R8、R9，以及光耦U20、U21用于检测磁保持继电器J1、J2的状态，光耦U20、U21反向并联，输出的集电极并接，A相电压高于C 相时，光耦U20导通，输出低电平，电压C 相高于A相时，光耦U21导通，输出低电平；实现无论是电压A相高于电压C相还是电压C 相高于电压A 相都输出低电平，利用三相电每两相相差120度，这样继电器在C相为零时投入，立即检测到继电器的闭合状态，A相投入，光耦U20、U21
二极管两端电压等电位，始终输出低电平。断开时，先断开磁保持继电器J2，此时磁保持继电器J1为闭合状态，A相和C相相差120度，此时光耦U21、U20的二极管两端一定存在电压差，由于光耦U20、U21为反并联连接，总有一个是导通输出低电平，State1端输出为低。快速的检测State1端低电平出现判断出磁保持继电器J2断开。磁保持继电器J1断开时，此时磁保持继电器J2已经断开，光耦U20、U21二极管两端不存在电压，光耦U20、U21都不导通；State1端输出高电平，快速检测State1端高电平出现判断出磁保持继电器J1断开。 通过检测了继电器的动作时刻，反映动作时间，计算继电器的动作时间，自动调整到电压过零时刻投入，电流过零时刻切除。
[0058] 本发明提供了一种用于控制三相电力电容器投切的同步开关的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
