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。