同步开关

电机工程术语

同步开关不仅可用于投切电容器（如LXK系列低压智能选相开关就是专门为无功补偿装置中电容器投切设计的），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。

功能特点

1、电压过零接通无涌流，电流过零切除无电弧；

2、采用微处理器驱动磁保持继电器，故障率低；

3、开关接通后低功耗（仅1-3W）；

4、抗谐波能力强，使用寿命长，综合成本低；

5、输入信号与开关光电隔离，高EMC保护措施，抗干扰能力强；

6 、具有自诊断故障保护、电源电压缺相保护、停电保护等功能。

7、结构简单、安装方便；

8、能在恶劣环境温度下(-25℃～+55℃)可靠运行；

9、既可用于电容器组的三相共补，又可用于电容器组的单相或三相分补；

10、支持螺栓式安装方式和35mm卡轨式安装方式。

发展历史

同步开关（或选相开关）与常用的复合开关相比较，省略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，又避免了晶闸管组件所容易出现的故障，因此可靠性大大提高。

低压电容器投切开关的应用经历了一个由简单粗犷到理性精细的发展过程：

交流接触器

最先应用于低压电容器投切的开关是交流接触器，这是一种传统的电容器投切方式，由于三相交流电的相位互成120°，对交流接触器投切控制，理论上不存在最佳操作相位点（即投切瞬时不可选择性），使得它投入或切除电网时，要产生一个暂态的过渡过程，又因电容器是电压不能瞬变的器件，并联电容器由交流接触器投切电网时，由于其相位点是随机的，所以会产生幅值很大、频率很高的浪涌电流（涌流最大时可能超过100倍电容器额定电流）。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，而且涌流、过电压会加速电容器的失效，减少电容器的使用寿命，甚至爆炸，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。为了改善这些缺陷，出现了所谓投切电容器专用接触器，就是在接触器的主触头处并以带电阻的辅助触头，在合闸时先合上辅助触头，然后再合上主触头，以此减低浪涌电流；而分闸时时序恰好相反，先分主触头，而后再分辅助触头，以此减轻电弧对触头的烧损。但这一措施仅仅是一种改良而已，并未在根本上解决问题，涌流、过电压和谐波污染仍然存在，对电容器和装置的寿命仍有很大的影响，所以其在低压电容器投切领域的应用将越来越少。但由于其投资低、控制简单，至今仍在不少技术要求低的地方应用，可以预见，随着电容器投切开关的发展，将逐步被淘汰。

晶闸管开关

随着电力电子器件的发展和普及，人们研发出由可控硅为核心的晶闸管开关（固态继电器)。其原理为通过电压、电流过零检测控制，保证在电压零区附近投入电容器组，从而避免了合闸涌流的产生，而切断又在电流过零时完成，避免了暂态过电压的出现，这就从功能上符合了电容器的过零投切的要求，另外由于可控硅的触发次数没有限制，可以实现准动态补偿（响应时间在毫秒级），因此适用于电容器的频繁投切，满足了频繁变化的负荷情况下的投切要求，相对于交流接触器有了质的飞跃。然而固态继电器——晶闸管在应用上有致命的弱点：在通电运行时可控硅导通电压降约为1V左右，损耗很大（以额定容量100Kvar的补偿装置为例，每相额定电流约为145A，则可控硅额定导通损耗为145×1×3=435W），为了避免PN 结由于功耗发热引起的热击穿，需要使用面积很大的散热器来降温，有时甚至需要风扇进行强迫通风，另外可控硅对电压变化率（dv/dt）非常敏感，遇到操作过电压及雷击等电压突变的情况晶闸管很容易误导通、导致管子被涌流损坏（因为避雷器只能限制电压的峰值，并不能降低电压变化率，所以安装避雷器无济于事）。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。

复合开关

仔细分析研究交流接触器和可控硅开关的各自优缺点，我们发现如果把二者巧妙地结合起来、优势互补，即发挥接触器运行功耗小的优点，又可实现晶闸管开关过零投切的功能，便可以做出一个较为理想的投切元件，这就是复合开关研发的基本思路。这种投切开关同时具备了交流接触器和电力电子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。把二者结合起来的关键是两元件间的时序配合必须默契，可控硅开关负责控制电容器的投入和切除，交流接触器负责保持电容器投入后的接通，当接触器投入后可控硅开关就立即退出运行，这样就避免了晶闸管元件的损耗发热。这种看似很理想的复合开关在2002 年全国仅有几家企业可以研发生产，生产厂家已增加到数十家。复合开关虽然外型结构和电路有所不同，但内在原理基本相同：用小型三端封装的可控硅作为电容器的投切单元，用大功率永磁式磁保持继电器代替交流接触器负责保持电容器投入后电路的导通，其过零检测元件是一粒电压过零型光耦双向晶闸管。从原理上看，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）小型三端（TOP）封装晶闸管由于结构性原因，其短时通流容量只能做得很低（低于60A ），反向耐压一般也只能达到1600V 左右，这就限制了它的应用范围。经仿真和计算得到在38OV 的系统电压下，电容器理想开断时的稳态过电压就可能达到1600V ，当系统电压高于380V （这是常有的情况）或非理想开断时的暂态过电压就可能远大于晶闸管的反向耐压（1600V），众所周知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，就会立即造成损坏，而且这种损坏是永久性的。实际运行情况也已经表明复合开关的故障率相当高。

（2）由于采用了晶闸管等结构复杂的电子元器件，成本随之上升，与交流接触器低廉的价格难以相比。

（3）复合开关的过零是由电压过零型光耦检测控制的，从微观上看它并不是真正意义上的过零投切，而是在触发电压低于16V～40V 时（相当于2～5度电角度）导通，仍有一定的涌流。

（4）复合开关技术既使用可控硅又使用继电器，结构就变得相当复杂，而且由于晶闸管对dv/dt的敏感性也导致其比较容易损坏。

由上述分析比较可见，使用于低压补偿装中的各种投切开关都不是十分完美的，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。

同步开关（即选相开关）

同步开关是近年来发展起来的一种新型专用无功补偿电容器投切开关，是传统的机械开关与现代微电子技术的完美结合产物。它吸收了交流接触器控制结构简单，复合开关零电压投入、零电流切除等优点，成功地将投入、切除产生的瞬间涌流控制在额定运行电流的3倍以内，完美地解决了在电容器投切过程中出现的高电压谐波和大涌流等问题。

同步开关不再使用晶闸管元件，而是以单片机为核心，辅以高精度的采样回路和合理的程序设计替换了复合开关中最易损坏的晶闸管元件，不仅避免了因晶闸管组件的存在所容易出现的故障，还将选相精度从原来复合开关的2～5电度角提高到1电度角，在一定意义上的做到了无涌流，实现了较为理想的过零投切；而且为了更进一步抑制电容器投切开关开断时的暂态过电压，同步开关还增设了有效的放电回路，将过电压限定在安全区以内，使其能安全可靠的频繁投切。

同步开关应用了单片机技术，不仅能通过RS485通讯控制方式对多至64路电容器进行控制，还具备通讯功能，可将基层单位的电气测量信息实时发送到上级电网，为发展智能化电网作好准备；同步开关还可以实现共补和分补，以适应用户的不同需求；同步开关的驱动功耗仅有1-3W，最大限度的做到了节约能源。

同步开关不仅可以广泛应用于低压无功补偿装置，或作为在特殊场合下的开关元件使用，还特别适用于南方户外夏天高温潮湿(+60℃以上)、北方户外低温寒冷(-40℃以下)的恶劣环境下长期运行。

综上所述，同步开关不仅大大提高了电容器投切开关的安全可靠性，还很节能环保、经济耐用，是交流接触器及复合开关理想的换代产品，专家普遍认为：同步开关必将替代复合开关和交流接触器成为无功补偿电容器投切开关的主流。

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