一种投切电容器组的简化预充电同步开关电路的制作方法

本发明涉及一种投切电容器组的简化预充电同步开关电路，用于电网电能质量治理工程中，可以实现对电容器组的快速无冲击电流投入和电流过零时切除，属于电力系统的无功补偿和谐波滤波技术领域。

背景技术：

同步开关技术中有常规同步开关，也称选相开关或称相控开关，还有预充电开关。分析现有同步开关中的常规同步开关和预充电同步开关技术的优缺点。

常规同步开关为3个单极开关在开关触点上的电压为零，也是电源电压为零点投入，没有电流冲击，电流为零打开，没有电流拉弧现象。优点主触点上不再增加元件，主回路简单。缺点需要3个独立的开关线圈驱动电路，三个触点都有位移反馈回路，以便调节投切时间，跟踪闭合时间达到准确的投切时刻；常规同步开关在电网电压为零投入，此时电网电压的电压变化率为1，电压变化快，要准确的在电压为零点投入，要求同步开关的动作精度高为±1ms，甚至±0.5ms；在首先闭合的两个单极同步开关后，电容器组产生单相电流，在第三个单极同步开关闭合时，由于电容器上存在了电压，第三个同步开关触点电压为零点偏离电网电压的过零点，很难找准第三个同步开关触点电压为零点，造成投切电流有一点冲击；一组电容器工作，再投入另外一组电容器，称为背靠背投切方式，闭合时的电流显著比单独一组投入电流大。在研发常规同步开关的过程中，许多公司投入大量时间、资金，都没有达到预期的要求，被迫放弃开发常规同步开关。

预充电开关依照理想投切电容器的两个条件：将电容器预充电到峰值；在峰值点投切电容器，电流就是没有过渡过程的投切。将晶闸管投切电容器(tsc)技术和同步开关技术结合，实现了理想投切电容器的条件，产生预充电开关，达到快速、无冲击电流投切电容器。预充电技术产生不同的预充电电路结构形式，各种结构预充电开关电路各有不同的适应范围，各有优缺点，典型的发明专利：“基于同步预充电开关投切电容器组的装置”，专利号：201210468939.1，采用一个单极同步开关一个两极同步开关或者3个单极同步开关，3个预充电电路，3个位置反馈电路，实现快速无冲击电流的投切，但是，该发明同样存在着在第三个单极同步开关闭合时，由于电容器上电压变化，每次很难都找准第三个同步开关触点电压为零点，造成投切电流偶尔有一点冲击，同时预充电电路过多，结构复杂，有了预充电电路，同步开关打开时电容器组有预充电电压，电容器组没有电网电源分离。实用新型专利：“一种投切电容器组的2控3简化预充电同步开关电路”，专利号：201520433809.3，比发明专利：“一种投切电容器组的2控3预充电相控开关电路”，专利号：200910076776.0，有了很大进步，电路结构简化了，在两个同步开关k1、k2中，只在一个同步开关k2配置预充电电路，另一同步开关k1不配置预充电电路，预充电电路由两个简化为一个，动作速度快，没有电流冲击，开关切除时开关触点的电压低了，没有超过3倍的线电压，两个同步开关的动作是分别动作的，有严格的相序，缺点电路形式为2控3型，三相电路中节约了一个开关触点，使得开关触点的电压仍然高，为线电压，在中压系统工作容易产生重燃现象，不适合在 中压系统工作。发明专利：“基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置”，专利号：201210066279和发明专利：“基于单台三极同步开关的智能型无功补偿装置”，专利号：201210097550.0，应用预充电技术，在星形电路和三角形电路中实现了单台三极开关没有电流冲击的投切电容器，专利采用两个预充电电路，预充电电路在单台三极开关打开时对电容器组预充电，有的工程场合，需要在同步开关打开时电容器与电网电压分开，于是产生了专利申请文件：“带有辅助开关触点的单台三极预充电同步开关补偿装置”专利号：201620110070.7，该专利在两个预充电回路中增加一个辅助触点，实现了单台三极开关打开时，电容器组和电网电压的分离。电容器组不再带有直流电了。缺点是电路存在两个预充电电路和一个辅助开关，辅助开关打开时要求承担主回路的电压，常规的中置柜(kn28柜)或环网柜中都是只安装一个三极的断路器或三极的接触器，如果再增加一个单极辅助开关，需要对现有的柜体重新设计，工作难度很大。

综合分析常规同步开关投切电容器组和现有的各种预充电开关投切电容器技术的发展，发现晶闸管投切电容器(tsc)和同步开关投切电容器的结合产生预充电同步开关投切电容器，常规同步开关投切电容器和预充电开关投切电容器的结合产生单台三极同步预充电开关投切电容器。

本发明将3个单极的预充电同步开关和单台3极预充电同步开关结合，产生一种投切电容器组的简化预充电同步开关电路，它只用三个极的同步开关，不带辅助触点，采用预充电技术，只用一个预充电电路，只用一个位置检测模块，电路结构形式简单便于工程安装。在开关投入电容器时，由于有一个预充电电路，可以实现单台3极预充电开关的工作模式，3极开关同时投入，没有3个单极预充电同步开关的第三个单极开关投入时的投入点不确定性问题，切除电容器组时，为3个单极预充电同步开关的工作模式，开关触点在电流为零时切断，没有拉弧现象，同步预充电开关依靠自身的三个极，在开关触点切除后实现电容器和电网电源的分离，同时可以实现同步开关由切断到再次投入时的快速动作。本发明为一种投切电容器组的简化预充电同步开关电路，电路越简单对开关柜的改动越少，越便于实施，成本越低，故障越少，越实用可靠。

技术实现要素：

本发明一种投切电容器组的简化预充电同步开关电路，提出了同步开关是由一只单极同步开关k1和一只两极同步开关k2组成的，两极同步开关k2中的一个触点k2b配置预充电电路5，两极同步开关k2的另一个触点k2a和单极同步开关k1的触点不配置预充电电路，单极同步开关k1和两极同步开关k2的输入端接在三相电网电源上，输出端与电容器组连接，电容器组的电抗器l电容器c连接成星形连接型式，两极同步开关k2触点k2a所在相的电容器的两端放置放电线圈pt，放电线圈pt的二次侧连接到控制保护模块2，同步开关k2的位移由位置检测模块4检测，控制保护模块2接受来自同步电压检测模块1、位置检测模块4、放电线圈pt的二次侧和投切命令s1的信息，按照时序在单极同步开关k1的触点和两极同步开关k2的触点上的电压和电压变化率同时为零点与电压为零点，控制同步开关k1、k2线圈驱动模块3输出，驱动单极同步开关k1线圈和两极同步开关k2线圈，投入单极同步开关k1和两极同步开关k2，实现无冲击电流的投切电容器组，在电流为零点，打开单极同步开关k1 的触点和两极同步开关k2的触点，实现电流为零的切断，所述单极同步开关k1和两极同步开关k2可以安装在三相电路的任意三相，所述单极同步开关k1和两极同步开关k2为永磁真空接触器或者永磁断路器，也可以是电磁式的真空接触器或者电磁式的断路器，还可以是永磁式继电器，。

在两极同步开关k2中一个触点k2b两端并联连接着预充电电路5，预充电电路5由二极管d1和限流电阻r1串联连接组成，二极管d1的阴极连接到电网电源，闭合单极同步开关k1的触点，通过预充电电路5，达到对电容器组的电容器c的预充电的作用，在两极同步开关k2的另一个触点k2a和单极同步开关k1的触点两端，没有连接预充电电路，所述二极管d1为高压硅堆或者普通二极管，所述限流电阻r1为高压电阻器或者普通电阻器。

所述的电容器组的电抗器l电容器c可以是三角形连接型式，也可以是星形连接型式。

单极同步开关k1安装在三相电源的一相、两极同步开关k2安装在三相电源的另外两相，所述的控制保护模块2接到投切开关s1投入命令工作时，闭合单极同步开关k1的触点，闭合单极同步开关k1触点的时刻，二极管d1承受着反压，待二极管承受正压时，通过同步开关k1的触点和预充电电路5，给星形结构型的电容器组的对应两相电容器预充电，若干个周波后，对应两相电容器预充电到电网线电压的峰值，两极同步开关k2的另一触点k2a和串联连接的电抗器、电容器这相支路，由于不配置预充电电路，电容器没有预充电，电容器的电压为零，在两极同步开关k2的触点k2a的电压为零点和电压变化率为1时刻，闭合两极同步开关k2，完成电容器组没有电流冲击的投入动作，所述的控制保护模块2接到转换开关s1停止命令停止时，在同步开关k1的触点所在相的相电流为零和电流变化率为-1时，打开单极同步开关k1的触点，在两极同步开关k2配置预充电电路5的触点k2b所在相的电流为零和电流变化率为1时打开两极同步开关k2的触点，完成一次电容器组的投切动作，控制保护模块2得到位置检测模块4的两极同步开关k2的投切位置信息，调整两极同步开关k2的投切时间，修正两极同步开关k2长期动作发生的误差，使投切点跟踪理想投切时刻，单极同步开关k1和两极同步开关k2打开后，电容器组和电网电压断开，电流为零时刻打开单极同步开关k1和两极同步开关k2，电容器组中的电容器c2存在直流的电网相电压的峰值电压，并联着放电线圈pt的电容器，通过放电线圈快速放电为零，为再次投入做准备，没有并联放电线圈的电容器通过电容器内的电阻放电。

同步开关是由一只单极同步开关k1和一只单极同步开关k2与一只单极同步开关k3组成的，单极同步开关k3的触点配置预充电电路5，单极同步开关k1的触点和单极同步开关k2的触点不配置预充电电路，单极同步开关k1和单极同步开关k2与单极同步开关k3的输入端接在三相电网电源上，输出端与电容器组连接，电容器组的电抗器l电容器c连接成星形连接型式，单极同步开关k2触点所在相的电容器的两端放置放电线圈pt，放电线圈pt的二次侧连接到控制保护模块2，同步开关k2的位移由位置检测模块4检测，控制保护模块2接受来自同步电压检测模块1、位置检测模块4、放电线圈pt的二次侧和投切命令s1的信息，按照时序在单极同步开关k1的触点和单极同步开关k2的触点与单极同步开关k3上的电压和电压变化率同时为零点与电压为零点，控制同步开关k1、k2、k3线圈驱动模块3输出，驱动单 极同步开关k1线圈和单极同步开关k2线圈与单极同步开关k3线圈，投入单极同步开关k1和单极同步开关k2与单极同步开关k3，实现无冲击电流的投切电容器组，在电流为零点，打开单极同步开关k1的触点和单极同步开关k2的触点与单极同步开关k3的触点，实现电流为零的切断，所述单极同步开关k1和单极同步开关k2与单极同步开关k3可以安装在三相电路的任意三相，所述单极同步开关k1和单极同步开关k2与单极同步开关k3为永磁真空接触器或者永磁断路器，也可以是电磁式的真空接触器或者电磁式的断路器，还可以是永磁式继电器。

在单极同步开关k2的触点k2b两端并联连接着预充电电路5，预充电电路5由二极管d1和限流电阻r1串联连接组成，二极管d1的阴极连接到电网电源，闭合单极同步开关k1的触点，通过预充电电路5，达到对电容器组的电容器c的预充电的作用，在单极同步开关k1的触点k2a和单极同步开关k2的触点两端，没有连接预充电电路，所述二极管d1为高压硅堆或者普通二极管，所述限流电阻r1为高压电阻器或者普通电阻器。

所述的电容器组的电抗器l电容器c可以是三角形连接型式，也可以是星形连接型式。

在串联电路的开关元件前后位置可以变化，原理是不变的，一只单极同步开关k1和一只两极同步开关k2组成三相零点开关，两极同步开关k2中的一个触点k2b配置预充电电路5，两极同步开关k2的另一个触点k2a和单极同步开关k1的触点不配置预充电电路，单极同步开关k1和两极同步开关k2的输出端连接在一起，单极同步开关k1和两极同步开关k2的输入端与电容器组连接，电容器组的电抗器l电容器c连接成星形连接型式，电容器组通过高压熔断器与三相电网电源连接，两极同步开关k2触点k2a所在相的电容器的两端放置放电线圈pt，放电线圈pt的二次侧连接到控制保护模块2，同步开关k2的位移由位置检测模块4检测，控制保护模块2接受来自同步电压检测模块1、位置检测模块4、放电线圈pt的二次侧和投切命令s1的信息，按照时序在单极同步开关k1的触点和两极同步开关k2的触点上的电压和电压变化率同时为零点与电压为零点，控制同步开关k1、k2线圈驱动模块3输出，驱动单极同步开关k1线圈和两极同步开关k2线圈，投入单极同步开关k1和两极同步开关k2，实现无冲击电流的投切电容器组，在电流为零点，打开单极同步开关k1的触点和两极同步开关k2的触点，实现电流为零的切断，所述单极同步开关k1和两极同步开关k2可以安装在三相电路的任意三相，所述单极同步开关k1和两极同步开关k2为永磁真空接触器或者永磁断路器，也可以是电磁式的真空接触器或者电磁式的断路器，还可以是永磁式继电器。

本发明的有益技术效果：

本发明采用3个单极预充电同步开关和单台3极预充电同步开关结合的设计，使得电路结构设计简单，三相电源中3个极开关，设计为一个单极同步开关和一个两极同步开关，采用了一个预充电电路和一个位置检测模块，便于安装在中置柜(kn28柜)和环网柜中，由于有一个预充电电路，电容器组投入时可以实现单台3极预充电同步开关的运行模式，单台3极开关是开关的3个极同时动作，免去了第三极开关触点闭合时刻难以找准的困难，电容器组切除时可以实现3个单极同步开关的运行模式，3个单极同步开关每个极可以单独动作，使得每个开关触点都在电流等于零的时刻打开，没有拉弧现象，由于增加了一只放电线圈pt，电容器可以快速放电，快速恢复到再次投入的原始状态要求，实现了电容器组从切断到再次 投入的快速动作要求，依靠三相电路的3个极实现了同步开关切断时电网电源和电容器组的分离，不再需要在预充电回路中额外增加辅助触点。

附图说明

图1：一只单极开关和一只两极开关投切星形电容器组的电路图

图2：一只单极开关和一只两极开关投切三角形电容器组的电路图

图3：三只单极开关投切星形电容器组的电路图

图4：三只单极开关投切三角形电容器组的电路图

图5：一只单极开关和一只两极开关组成星形零点开关投切星形电容器组的电路图

具体实施方式

请见图1为：一种投切电容器组的简化预充电同步开关电路的一个实施例电路图。

所述的同步开关是由一只单极同步开关k1和一只两极同步开关k2组成的，两极同步开关k2中的一个触点k2b配置预充电电路5，两极同步开关k2的另一个触点k2a和单极同步开关k1的触点不配置预充电电路，单极同步开关k1和两极同步开关k2的输入端接在三相10kv电网电源上，输出端与电容器组连接，电容器组的电抗器l电容器c连接成星形连接型式，两极同步开关k2触点k2a所在相的电容器的两端放置放电线圈pt，放电线圈pt的二次侧连接到控制保护模块2，同步开关k2的位移由位置检测模块4检测，控制保护模块2接受来自同步电压检测模块1、位置检测模块4、放电线圈pt的二次侧和投切命令s1的信息，按照时序在单极同步开关k1的触点和两极同步开关k2的触点上的电压和电压变化率同时为零点与电压为零点，控制同步开关k1、k2线圈驱动模块3输出，驱动单极同步开关k1线圈和两极同步开关k2线圈，投入单极同步开关k1和两极同步开关k2，实现无冲击电流的投切电容器组，在电流为零点，打开单极同步开关k1的触点和两极同步开关k2的触点，实现电流为零的切断，所述单极同步开关k1安装在u相和两极同步开关k2的k2a触点安装在v相，两极同步开关k2的k2b触点安装在w相，所述单极同步开关k1和两极同步开关k2为永磁真空接触器或者永磁断路器，也可以是电磁式的真空接触器或者电磁式的断路器，还可以是永磁式继电器，。

所述的在两极同步开关k2中一个触点k2b两端并联连接着预充电电路5，预充电电路5由二极管d1和限流电阻r1串联连接组成，二极管d1的阴极连接到电网电源，闭合单极同步开关k1的触点，通过预充电电路5，达到对电容器组的电容器c的预充电的作用，在两极同步开关k2的另一个触点k2a和单极同步开关k1的触点两端，没有连接预充电电路，所述二极管d1为高压硅堆，高压硅堆d1电压为60kv，电流1a，所述限流电阻r1为高压电阻器，高压电阻器r1为12kv，10k欧姆，500w。

依据电工原理中关于星形电路和三角形电路等效变换的原理，由三相电抗器l和电容器c组成的滤波电容器组可以连接成星形电路形式，也可以连接成三角形电路形式，电抗器l和电容器c无论采用哪种连接形式均可实现相同的投切效果。图2示出了根据本发明的一只单极开关和一只两极开关投切三角形电容器组的另一实施例的电路图，其中电容器组为三角形连接型式。

所述的单极同步开关k1安装在三相电源的u相、两极同步开关k2安装在三相电源的另外v相和w相，所述的控制保护模块2接到投切开关s1投入命令工作时，闭合单极同步开关k1的触点，闭合单极同步开关k1触点的时刻，二极管d1承受着反压，待二极管承受正压时，通过同步开关k1的触点和预充电电路5，给星形结构型的电容器组的对应电容器c1和电容器c3预充电，若干个周波后，对应电容器c1和电容器c3预充电到电网线电压的峰值，两极同步开关k2的另一触点k2a和串联连接的电抗器l2、电容器c2安装在v相，由于不配置预充电电路，电容器c2没有预充电，电容器c2的电压为零，在两极同步开关k2的触点k2a的相电压uv为零点和电压变化率为1时刻，闭合两极同步开关k2，完成电容器组没有电流冲击的投入动作，所述的控制保护模块2接到转换开关s1停止命令停止时，在同步开关k1的触点所在相的相电流ia为零和电流变化率为-1时，打开单极同步开关k1的触点，在两极同步开关k2配置预充电电路5的触点k2b所在相的电流ic为零和电流变化率为1时打开两极同步开关k2的触点，完成一次电容器组的投切动作，控制保护模块2得到位置检测模块4的两极同步开关k2的投切位置信息，调整两极同步开关k2的投切时间，修正两极同步开关k2长期动作发生的误差，使同步开关k2的投切点跟踪理想投切时刻，单极同步开关k1和两极同步开关k2打开后，电容器组和电网电压断开，电流为零时刻打开单极同步开关k1和两极同步开关k2，电容器组中的电容器c2存在的电网相电压的峰值电压，电容器c2两端并联着放电线圈pt，通过放电线圈快速放电为零，为再次投入做准备，没有并联放电线圈pt的电容器c1和电容器c2通过电容器内的电阻放电。

图3为三只单极开关投切星形电容器组的电路图

所述的同步开关是由一只单极同步开关k1和一只单极同步开关k2与一只单极同步开关k3组成的，单极同步开关k3的触点配置预充电电路5，单极同步开关k1的触点和单极同步开关k2的触点不配置预充电电路，单极同步开关k1和单极同步开关k2与单极同步开关k3的输入端接在三相10kv电网电源上，输出端与电容器组连接，电容器组的电抗器l电容器c连接成星形连接型式，单极同步开关k2触点所在相的电容器c2的两端放置放电线圈pt，放电线圈pt的二次侧连接到控制保护模块2同步开关k2的位移由位置检测模块4检测，，控制保护模块2接受来自同步电压检测模块1、位置检测模块4、放电线圈pt的二次侧和投切命令s1的信息，按照时序在单极同步开关k1的触点和单极同步开关k2的触点与单极同步开关k3上的电压和电压变化率同时为零点与电压为零点，控制同步开关k1、k2、k3线圈驱动模块3输出，驱动单极同步开关k1线圈和单极同步开关k2线圈与单极同步开关k3线圈，投入单极同步开关k1和单极同步开关k2与单极同步开关k3，实现无冲击电流的投切电容器组，在电流为零点，打开单极同步开关k1的触点和单极同步开关k2的触点与单极同步开关k3的触点，实现电流为零的切断，所述单极同步开关k1安装在u相和单极同步开关k2安装在v相与单极同步开关k3安装在w相，所述单极同步开关k1和单极同步开关k2与单极同步开关k3为永磁真空接触器或者永磁断路器，也可以是电磁式的真空接触器或者电磁式的断路器，还可以是永磁式继电器。

所述的在单极同步开关k2的触点k2b两端并联连接着预充电电路5，预充电电路5由二 极管d1和限流电阻r1串联连接组成，二极管d1的阴极连接到电网电源，闭合单极同步开关k1的触点，通过预充电电路5，达到对电容器组的电容器c1和电容器c3的预充电的作用，在单极同步开关k1的触点k2a和单极同步开关k2的触点两端，没有连接预充电电路，所述二极管d1为高压硅堆，所述限流电阻r1为高压电阻器。

依据电工原理中关于星形电路和三角形电路等效变换的原理，由三相电抗器l和电容器c组成的滤波电容器组可以连接成星形电路形式，也可以连接成三角形电路形式，电抗器l和电容器c无论采用哪种连接形式均可实现相同的投切效果。图2示出了根据本发明的三只单极开关投切三角形电容器组的另一实施例的电路图，其中电容器组为三角形连接型式。

再一个实施例为图5：一只单极开关和一只两极开关组成星形零点开关投切星形电容器组的电路图

所述的在串联电路的开关元件前后位置可以变化，原理是不变的，一只单极同步开关k1和一只两极同步开关k2组成三相零点开关，两极同步开关k2中的一个触点k2b配置预充电电路5，两极同步开关k2的另一个触点k2a和单极同步开关k1的触点不配置预充电电路，单极同步开关k1和两极同步开关k2的输出端连接在一起，单极同步开关k1和两极同步开关k2的输入端与电容器组连接，电容器组的电抗器l电容器c连接成星形连接型式，电容器组通过高压熔断器与三相电网电源连接，两极同步开关k2触点k2a所在v相的电容器的两端放置放电线圈pt，放电线圈pt的二次侧连接到控制保护模块2，同步开关k2的位移由位置检测模块4检测，控制保护模块2接受来自同步电压检测模块1、位置检测模块4、放电线圈pt的二次侧和投切命令s1的信息，按照时序在单极同步开关k1的触点和两极同步开关k2的触点上的电压和电压变化率同时为零点与电压为零点，控制同步开关k1、k2线圈驱动模块3输出，驱动单极同步开关k1线圈和两极同步开关k2线圈，投入单极同步开关k1和两极同步开关k2，实现无冲击电流的投切电容器组，在电流为零点，打开单极同步开关k1的触点和两极同步开关k2的触点，实现电流为零的切断，所述单极同步开关k1和两极同步开关k2可以安装在三相电路的任意三相，所述单极同步开关k1和两极同步开关k2为永磁真空接触器或者永磁断路器，也可以是电磁式的真空接触器或者电磁式的断路器，还可以是永磁式继电器。

本发明的特定实施例已对本发明的内容作出了详尽的说明，对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。