复合开关核心技术开发介绍

复合开关技术开发原理介绍

新乡市万新电气有限公司

一、 几种常见低压电容器投切开关

1. 交流接触器

交流接触器是人们最早使用的投切器件，是一种传统的投切开关器件。由于具有成本低、控制简单的优点，至今仍在很多要求不高的地方应用。但是使用接触器有很大的弊端。由于交流接触器在投切瞬时的不可选择性，因此交流接触器投切在理论上不存在最佳操作点，使得它投入或切除电网时会产生幅值很大、频率很高的浪涌电流。涌流不仅会对电网产生不利的干扰，对交流接触器易产生电弧、易烧损触头，而涌流、过电压会加速电容器的失效，减少其使用寿命，甚至爆炸，而且接触器触点寿命短，约一万次到几万次，易损坏。所以采用交流接触器的投切方式谐波污染大、维护成本高、不适于频繁操作。

虽然为了改善这些缺陷而采取了一些措施，但不能从根本上解决问题，由于其成本低、控制简单，至今仍在要求不高的地方应用，可以预见，随着电容器投切开关的发展，将会逐步被淘汰。

2. 晶闸管（可控硅）

随着电力电子器件的发展和普及，人们研发出由晶闸管为核心的投切开关组件。其原理为通过电压、电流过零检测控制，保证在电压过零投入和电流过零时切断电容器组，从而避免了过电压和涌流的产生，这就从功能上符合了电容器的过零投切的要求，另外由于晶闸管的响应时间快且触发次数没有限制，因此相对于交流接触器有了质的飞跃。

然而晶闸管在应用上也有致命的弱点：在通电运行时晶闸管导通压降较大，从而损耗很大，为了避免PN 结由于功耗发热引起的热击穿，需要采取必要的降温措施，有时甚至需要风扇进行强迫通风，另外晶闸管对操作过电压及雷击等非常情况下，晶闸管很容易误导通，导致管子被涌流损坏。

晶闸管开关的缺点是结构复杂、体积大、损耗大、成本高、可靠性差，优点则是能实现

过零投切、动作迅速、反应快，因此晶闸管多用于动态补偿的场合，而不适用于常规低压电容投切的无功补偿场合。 3. 复合开关（老式）

老式复合开关是指早期的内部可控硅与磁保持继电器并联方式运行的复合开关。 由于交流接触器有投切涌流大、不适于频繁操作的缺点，而晶闸管虽然能实现过零投切、可频繁动作，但其结构复杂、损耗大、成本高、可靠性差，为此人们发明了复合开关（我们内部常称为“老式”复合开关。所谓老式，是与后面将要介绍的一种新式复合开关相对而言。）。复合开关是集交流接触器和晶闸管开关与一身，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。二者优势互补，巧妙地结合起来的成为一个较为理想的投切组件。

这种投切开关同时具备了交流接触器和晶闸管投切开关二者的优点，不但抑制了涌流、避免了拉弧，而且晶闸管功耗明显降低，不再需要配备笨重的散热器和冷却风扇。在一段时期内，复合开关是一种理想的投切元件，但实际上并非如此，它还存在着一些缺陷：

（1）

晶闸管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，就会造成永久性损坏。实际运行情况也已经表明复合开关的故障率相当高。

（2） （3） （4）

采用了晶闸管等结构复杂的电子元器件，因此成本相对较高。 既使用晶闸管又使用继电器，结构相对复杂。

复合开关的过零是由硬件过零电路检测控制的，有自身硬件误差。

由此可见，目前用于低压补偿装中的各种投切设备都不是十分完美的，有必要进一步研究开发一种更为理想的电容器过零投切开关。 4. 复合开关（新式）

新式复合开关是指早期的内部不带可控硅，新型的单片机与磁保持继电器复合运行的开关。本文后面无特别说明，所述复合开关均指此种新式复合开关。

新式复合开关采用的是近年来最新发展的技术，与现在老式复合开关相比，应用了单片机技术，辅以高精度采样回路和程序设计，替换了与磁保持继电器接点并联的晶闸管组件，于是结构简化，成本降低，又避免了晶闸管所容易出现的故障，还将电容器投切开关关断时的过电压限定在安全区以内，使其能安全可靠的频繁投切。

这种新式复合开关可适应于特殊恶劣环境下长期运行。运行仅需要很低的驱动功耗，之后靠磁保持继电器的磁力保持，最大限度的做到了节约能源。因而是交流接触器、晶闸管开关及老式复合开关理想的换代产品。 5. 几种投切开关比较 交流接触器 晶闸管 高 弱 较高 无涌流 无电弧 较强 复杂 无 较大 复合开关（老式） 复合开关（新式） 较高 较弱 较高 无涌流 无电弧 较强 复杂 无 较大 缺相保护、开关不到位保护等 较长 约几十万次，可控硅极低 高 低 无涌流 无电弧 强 简单 无 小 自诊断故障保护、缺相保护、上电保护、停电保护等 长 触点寿命及机械寿命可达百万次，使用寿命长 强 系统运行成本 高 安全稳定性 产品成本 涌流 电弧 过载能力 控制系统 电源污染 驱动功耗 差 低 达20倍以上 强 差 简单 启动和分断瞬间有谐波污染 极大 可靠性 无保护功能 缺相保护等 补偿电容寿命 短 动作次数 抗干扰能力 一万次到几万次 弱 较长 无次数限制，易损坏 易损坏 弱 弱

二、 复合开关工作原理

过零检测单元控制信号检测单元继电器状态检测单元断相检测单元单片机输出控制单元继电器模块空载检测单元故障自检单元电源检测单元 ①过零检测单元 ②控制信号检测单元 ③断相检测单元 ④空载检测单元 ⑤电源检测单元 ⑥故障自检单元 ⑦输出控制单元

⑧继电器状态检测单元 ⑨继电器模块 ⑩单片机

三、 复合开关核心技术

1. 机械开关接点的动作较慢，闭合时间长。控制机构在接通与切除的过程中要使用提前量

对于三相复合开关，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复合开关的功能。由于复合开关没有晶闸管部分，因此复合开关比老式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，复合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。

为了实现复合开关功能，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。

2. 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

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，因此硬件设计必须充分考虑这些，以保证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。

3. 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。

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

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复合开关功能的实现。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，因此导致复合开关功能不能实现。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。

4. 电源电压的波动就会影响开关接点的动作时间，以至于影响复合开关操作的准确性。使

用电压反馈补偿技术，根据实测电压调整驱动控制信号的提前时间

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，以至于影响复合开关操作的准确性。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，都可以实现准确地复合开关操作。由于实现复合开关的操作控制比较复杂，必须

使用单片机来进行控制，增加一个电压检测功能。

四、 山东项目复合开关技术要求及具体实现

能根据控制器的命令反馈自身的运行装置，便于控制器监测补偿电容器组投切状态。 启动电压DC4~32V/AC5~25V，输入阻抗≥2kΩ，导通阻抗≤0.003Ω，绝缘等级≥10MΩ。 涌流小于额定电流2倍，具备电压缺相保护、空载保护、停电保护等。 自动寻找最佳投切点，保证过零投切。 具体详细实现方式及原理介绍如下： 1) 要求“能根据控制器的命令反馈自身的运行装置，便于控制器监测补偿电容器组投

切状态”

我公司复合开关产品通过硬件电路检测复合开关内部继电器分合状态，实时同步输出到无源接点反馈端子Wn与W/Wa,Wb,Wc。其中，JGX-SH 380V复合开关，通过端子Wn,W反馈；JGX-SH 220V复合开关，通过端子Wn与Wa,Wb,Wc反馈；JGX-SH 380V相间复合开关，通过端子 Wn与Wa,Wb,Wc反馈。

2) 要求“启动电压DC4~32V/AC5~25V，输入阻抗≥2kΩ，导通阻抗≤0.003Ω，绝缘

等级≥10MΩ”

这个属于硬件性能设计要求，我公司复合开关产品完全满足该项要求。

3) 要求“具备电压缺相保护、空载保护、停电保护等”

缺相保护，我公司复合开关产品通过实时采集开关进线三相电压，当检测到有任意一相或者多于一相电压缺相时进行保护，具体保护方式为开关断开状态时锁定拒绝闭合，开关闭合状态时自动断开并锁定拒绝闭合，直至缺相信号消失。

空载保护，我公司复合开关产品通过检测开关出线状态，可检测到是否有接入电容器，当检测到空载时，开关拒绝闭合，从而实现真正意义上的空载保护，而非其他产品的投入后检测到空载再切除的方式。

停电保护，我公司复合开关产品内部具有电源电压检测电路，并具有储能器件，在电源失电后，可继续维持3-5秒正常运行，从而能检测到电源失电信号，并快速断开开关。

另，我公司复合开关产品还具备上电保护、自检等保护功能。上电保护功能是指开关上电后，自动复位（断开）开关，在停电保护基础上进行二次保护，从而有效避免补偿设备因异常停电后再次送电造成电容回路瞬间投入产生的危害。自检功能是指开关内部具有过零硬件异常检测、继电器驱动电压异常检测、电源电压异常

检测等，以上有任一出现异常，开关拒绝闭合。 4) 要求“涌流小于额定电流2倍”，“自动寻找最佳投切点，保证过零投切”

所谓过零投切，即指在电容器两端电压过零时投入，在电流过零时切除。采取过零投入，是用于防止涌流冲击造成的器件设备损坏和保护装置的误动作；采取过零切除，是由于在非电流过零切除时，由于电流过大，将在投切开关触点间产生拉弧，会造成触点烧灼烧毁、触点粘连断不开、触点二次闭合等。

我公司复合开关产品除具有常规产品的过零检测硬件电路外，同时软件采用算法对硬件过零误差修正。由于过零投入对时间精度要求的极为苛刻，经过理论计算及测试，在过零前后误差不能超过0.5ms。因为波形从过零到峰值共5ms时间，如果不能保证时间误差范围，投入涌流将随时间误差成指数倍增长，如误差在0.4ms以内，可保证涌流在2倍以内，误差在0.5ms，涌流能达到5-7倍，最坏情况是在峰值投入，涌流将达到几十甚至几百倍。

通常时间误差主要表现在以下几个方面，后面是我公司采用的解决方法，具体

如下，

①过零器件因硬件自身固有的延时损耗，一般为0.7ms左右。我公司采用的方式为每次接收到闭合信号后，先检测计算过零硬件的延时（需要半个周波即10ms），然后得出的结果在下半个周波发出闭合指令的时间提前量中减去。

②继电器自身及外界环境因素引起的闭合断开时间的离散性，继电器长时间使用后器件老化、触点烧灼等因素引起的闭合断开时间变化。我公司采用的解决方案是选用的绝对合格的继电器和对继电器时间实时检测。我公司采用的继电器是合资厂家生产的产品，是在国内外数十个厂家样品测试基础上筛选出来的一致性做的最好的，一般闭合时间在3.5ms左右，误差0.4ms以内，断开时间在2.5ms左右，误差在0.3ms以内。继电器闭合断开时间一致性是根本，如果闭合断开时间离散过大，将使继电器的时间控制毫无方法，并且对继电器时间的实时检测也失去意义。继电器在长期使用后，由于自身器件及触点老化等原因，闭合断开会偏离出厂值，通过实时时间检测，可以跟踪其变化，从而保证时间一致性。

图一 闭合断开一致性测试结果（JGX-SH 380V型复合开关）

图中，CheckTouQieCounter表示检测闭合，断开次数，是100

MaxTouDelayTime表示2个继电器最大闭合动作时间，分别是66,65 MinTouDelayTime表示2个继电器最小闭合动作时间，分别是65,65 MaxQieDelayTime表示2个继电器最大断开动作时间，分别是57,57 MinQieDelayTime表示2个继电器最小断开动作时间，分别是55,57 LastTouQieDelayTime表示2个继电器100次闭合断开动作时间平均值，闭合时间分别是66,66，断开时间分别是56，57 ③继电器根据厂家生产技术质量，选取材质等各种因素引起的继电器闭合动作不完善，能产生或多或少的弹跳现象。一旦产生弹跳，将产生极大涌流。为解决此问题，我公司先后在国内外数十个厂家样品测试基础上筛选出来最好的，完全满足要求的厂家。部分测试结果如图二、图三，

图二 实验室检测的不合格磁保持继电器闭合图，有或多或少弹跳

图三 实验室检测出的合格磁保持继电器闭合图，无弹跳

附复合开关过零检测图

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