无功补偿投切元件的选择

一、断路器
现在投切电容使用的断路器大多数是真空开关。真空断路器具有分合闸速度快的特点。随着灭弧性能及过电压耐受能力的不断提高，真空断路器开断电容时已能很好地防止重燃。
但由于真空断路器的造价高，电容器分组不可能做得很细。因此，采用真空断路器作为投切元件不能根据无功缺额投入适量的补偿。同时由于普通的真空断路器三相开关不能分别进行控制，要接通则一起接通，要分断则一起断开，无法选择最合适相位角投入和切除电容，即最少会有两电容不能在电压过零时投入，或在电流过零时切除。电容器的电流与电容电压对时间的微分成正比,当断路器投入时,电容器上的初始电压与电网电压不相等时,最大压差可达2.8倍的额定电压。当巨大的压差突然加到电容器两端——使电容器的电压发生突变时,则通过断路器和电容器的电流将是额定电流的几十倍——冲击电流。这种情况在背靠背的电容器组的投切中尤为严重。冲击电流对电容器及断路器都是一个极大的危害，而且冲击电流中含有的谐波分量会经电容器放大。另一方面，谐波电流叠加在电容的基波电流上，使电容电流的有效值增大，造成温升增高，甚至过热，影响电容器的寿命。加上真空断路器的检修比较复杂，不宜作频繁投切。
因而，以真空断路器作为投切元件只适用于无功负荷变化不大的情况，在大中型变电站低压母线作集中补偿时使用。此时无功补偿基本上是作为主变压器所消耗无功的补偿。
二、交流接触器
交流接触器作为补偿电容装置的投切元件已有三十多年的运行经验。在造价上，交流接触器比真空断路器有明显的优势，但和真空开关一样，交流接触器三相触头必须同时分合，在投切电容时会产生较大的冲击电流。一方面由于主流接触器的造价相对较低，以其为投切元件，电容器的分组可以做得较多、较细，可以较为准确地对系统无功缺额进行补偿，这解决了以真空断路器作为投切元件分组不够细致的问题。另一方面，由于冲击电流大，限制了一次投入的电容值，也不得不把一次投入的电容值化整为零，分几次投入。计及接触器的动作时间以及投入时冲击电流的衰减速度，将大大降低装置的响应速度。由于响应速度不足，补偿电容的投入不能与无功负荷的变化同步，因而影响补偿的准确性。
由于交流接触器触头的过流能力有限，冲击电流的存在常会引起接触器触头烧焊现象，使接触器不能分断，降低了整个装置的可靠性和使用寿命。因此,在运行中必须对触头进行经常的维护和更换，增加运行成本。为降低冲击电流，现主要采用一种带预投电阻的专用接触器，它是由一组辅助触头先将接触器上配备的限流电阻串入电路中，以抑制涌流，然后主触头瞬时闭合将电阻短接来实现投入电容器的。但由于接触器各组件的加工精度限制，以及装配时存在不可避免的偏差，开关的时间差在长期工作中必然会有变化，造成电阻的投入与主触头配合不当。因而经常出现接触器的电阻烧毁和主触头熔焊的现象。另一方法是在普通接触器的基础上增加限流线圈的方案来限制冲击电流。虽然这种方法在限制冲击电流方面有一定的效果，但它也存在一些缺点，如增加功率损耗，容易引起谐振，增加了制造成本、复杂程度及故障率等，此类产品仍然会产生合闸涌流和关断时的过电压。也有在触头材料上做文章的，采用一种具有非线性电阻特征的合金为主触头的材料，种料温升大时电阻上升的很快，而在常态时电阻却很小。这样的触头在冲击电流流过触头产生高温升时能有效地限制电流，而在正常工作时又可满足通流的要求。但这只是部分地解决了接触器对涌流的耐受能力问题。
从根本上说，以交流接触器作为投切元件没有解决冲击电流和谐波的问题。
三、大功率晶闸管
目前普遍采用的晶闸管投切方式（TSC）均由工控机控制。因电容电压不能突变，要使电容投切过程不产生冲击电流就必须在电压为零时将电容投入，电容电流零时将电容切除，而大功率晶闸管正好能满足上述要求。当工控机检测到电容器两端电压与电网电压大小相等、极性一致时，利用微机同步相位控制技术瞬时投入电容器，电流过零时，晶闸管会自然关断，不需要专门的放电电阻或对电容预充电，即可随时再投入电容器，大大提高了电容的投切速度，能很好地适应电容器的频繁投切。因为晶闸管在电流过零时自动关断，电容电流只是在零电流和正弦电流投之间切换。也就是说不会产生谐波。这样，以晶闸管为投切元件从原理上解决了合闸涌流及谐波问题，是一种较为理想的选择。
但是在实际应用中，晶闸管投切元件也遇到一些问题。首先是晶闸管在导通时有结压降，工作时的功耗很大，由此而引起的发热现象不容忽视。晶闸管阀体的冷却方式有风冷、油冷、水冷及沸腾冷却等。对于大容量晶闸管水冷方式是最理想的。无论采用何种冷却方式，整个补偿装的投资和复杂程度将会更高。另外，由于结压降的存在，会导致电流畸变；投切无功补偿电容器组时，会因为晶闸管误触发引起冲击电流。一般情况下，冲击电流为其额定电流的7倍，此时的电压为额定电压的2倍以上。在冲击电流的作用下，阀体的发热更为严重。
由于晶闸管的耐压一般在几个千伏，要在10kV电压等级上进行电容投切，需要将多只晶闸管串联。这就产生了多只晶闸管同步触发串联均压和串联保护的问题，这也是高电压等级晶闸管投切电容的关键技术。现时采用的触发方式有电磁触发、光电触发等。电磁触发易受电磁干扰，而光电触发则可避免电磁干扰。运行中的晶闸管投切元件一般采取晶闸管与二极管反并联方式或两个晶闸管反并联方式，在第一种接线方式中,在晶闸管关断时，晶闸管可能承受的反向电压为约为电源电压最大值的两倍；在第二种接线方式,如果电容器放电的时间常数足够小,那么,晶闸管所承受的最大反向电压仅为电源电压的峰值。很明显,第二种方式具有更高的可靠性，即使损坏一个晶闸管，也不会导致电容器误投入，且响应速度更快，但同步触发的问题更突出，增加了投资。
四、复合开关
由上述的分析可知，交流接触器在电容器的投切过程中会产生冲击电流及谐波，但在正常正作状态下功耗少；而晶闸管能够实现过零投切，却在正常正作状态下产生很大的功耗。为了结合两种元件的优点，人们制造了复合开关，一种新形的电容器投切元件。复合开关是由晶管与接触器并联构成。在电容无功补偿的投入和切断瞬间利用晶闸管实现过流投切；在电容器投入后正常工作时利用机械触点接触电阻极小的特性，大大降低功耗。为了实现上述功能，复合开关中晶闸管与接触器的开断必须有严格的时序控制。当复合开关控制器收到合闸脉冲时，控制器检测电容与电网之间的电压，在电压过零前一定的角度，向晶闸管发出触发脉冲，使晶闸管在电压过零时导通。投入电容器，同时起动接触器的延时回路，此延时必须保证只有当晶闸管导通后，接触器的触头才能闭合。在接触器投入后，形成晶闸管与接触器的并联回路，此时，由于接触器的接触电阻很少，晶闸管的结压降被限制得很低，所以其功耗很小。而在控制器接收到切断脉冲后，舜时断开接触器，并延时停止晶闸管的触发脉冲。此时晶闸管在阳极电流过零时自然关断。
由于具有上述优点，近年来复合开关的应用有了很大的发展，在很多领域代替了接触器和晶闸管。但由于工作原理对时序的要求十分严格，因此，复合开关也存在一些问题。如复合开关响时间较慢，完成整个投入或切除过程一般需要60~160ms。同时，由于接触器与晶闸管的配合受至加工精度及装配技术的影响，两种元件的动作时序在运行中会发生变化，通常会通过加大延时来解决这个问题，这就进一步降低了装置的分合闸速度。 因为采用了两种元件并联的方式，使装置的结构更为复杂。现阶段复合开关通常应用于低压无功补偿，如果要在高压领域应用，则必须采用多组元件串联方式，装置的结构将变得异常复杂，而各组元件的同步性也很难保证，其保护也将是一个难以解决的问题。因此，复合开关的发展也受到了一定的局限。