关键词 道路照明 无功补偿 复合开关
曾经较为充分地探讨、研究针对城市供电系统不对称负荷特点的分相检测、分相补偿、先共补、后分补，先粗补、后细补集中补偿的技术措施，有效地提高路灯供电线路的功率因数，取得了良好的节能效果。同样，针对城市供电系统不对称负荷的特点我们选择机电一体化复合开关作为其补偿电容器的投切装置。
由于城市照明三相负荷的不对称和三相线路中谐波分量大，同时由于无功补偿装置安装地点分散、数量多、运行和维护的工作量大，加之道路照明多为户外安装工作环境差等原因，对路灯供电系统补偿电容器的投切装置的可靠性具有较高的要求。由于电容器在投入和切除时会产生很大的涌流和过压，暂态高压和投切冲击电流会导致电器绝缘击穿和接触器触头烧损，使接触器频繁损坏，而且还会影响电容器使用寿命和对电网造成干扰。因此，普通交流接触器投切电容器的控制方式目前已基本淘汰。采用专用接触器进行电容器投切的无功补偿装置，只适用于在负荷基本平稳、且三相电流基本平衡的理想工作环境下使用。
采用晶闸管作为电容器的投切装置，虽然解决了电容器投切过程中的涌流、过压、分断电弧等问题，但其自身也存在着散热器体积大、冷却风扇易损坏、需外加温控开关和触发电路等辅助器件、结构复杂等明显不足。
因此，在城市照明无功补偿装置的选用中，传统的电容投切装置所暴露的缺陷已不容忽视，选用可靠性更高、使用寿命更长的免维护型电容器投切装置，是达到良好补偿效果、降低运行和维护费用、实现高效、节能、安全、经济运行的重要问题。针对这种情况，我们经过较长时间的研究，设计了机电一体化复合开关作为电容器的投切装置，并取得了一定的运行经验。
一、设计思想：
复合开关的基本设计指导思想是将晶闸管电子开关与交流接触器并接，实现电压过零导通和电流过零切断，使复合开关在接通和断开的瞬间具有晶闸管电子开关的优点，而在正常接通期间又具有接触器开关无功耗的优点。其实现方法是：投入时是在电压过零瞬间可控硅先过零触发，稳定后再将交流接触器吸合导通；而切出时是先将交流接触器断开，晶闸管电子开关延时过零断开，从而实现电流过零切除。
其设计思路是：将电容器投切和运行的不同特性，分为暂态和稳态两个过程，分别采用不同特性的器件进行控制，即：
利用晶闸管电子开关的易控和无触点特性，使其工作在电容器投切瞬间的暂态过程中，起到抑制涌流、过压和拉弧现象，并能实现快速投切。
利用交流接触器在可靠闭合时，其主触点接触电阻小、导通容量大、压降小、功耗小、工作安全可靠等特性，使其工作在电容器投入后和切除前的稳态过程中，起到电容器向电网提供无功能量的主通道作用。
二、工作原理及动作时序实现上述设计思想的核心部件，是机电一体化控制单元，它由程序化控制电路、晶闸管电子开关和阻容能量吸收电路所组成。机电一体化控制单元的原理框图如下：
当无功补偿控制器根据电网无功的增量，向机电一体化控制单元发出投入或切除电容器的控制信号时，该信号通过光电转换后进入单片机，启动相应的时序控制程序，单片机按照规定的程序步骤，发出晶闸管电子开关通断指令和接触器通断指令，该指令通过功率放大和光电隔离后，驱动晶闸管电子开关和交流接触器按预先设定的程序适时动作，确保安全可靠地对电容器进行投切操作。
机电一体化复合开关的动作时序：
对机电一体化复合开关动作时序的要求是：
① 投入时段——首先使晶闸管电子开关在电压过零时刻导通，将电容器平稳可靠地接入电网，并维持导通状态；接着使交流接触器导通，使其处于同晶闸管电子开关并联工作的状态，并持续一段时间；最后，电路已处于稳定工作状态，将可控硅开关断开退出工作，使交流接触器独立承担电容器与电网的连通作用。
②切除时段——首先使晶闸管电子开关导通，使其处于同交流接触器并联工作的状态；接着使交流接触器断开退出工作，电容器与电网的连通短时内由晶闸管独立承担；最后切除晶闸管的触发信号，使晶闸管在电流过零时自然关断。
机电一体化复合开关的动作时序图如下所示：
由时序图可见，无论交流接触器的主触点是在闭合时刻还是在开断时刻，晶闸管电子开关都是处于可靠导通的状态，因此，交流接触器的主触点上基本不会产生电弧，从而使接触器的使用寿命得到了很大的提高，同时消除了电路的电弧干扰，使整个系统更加安全可靠。
机电一体化复合开关的主接线图：
机电一体化开关的基本构成：
①CPU控制单元——接收无功补偿控制器发出的电容器投切信号，即“控制信号1”，并按预先设定的程序发出晶闸管和交流接触器的通断控制信号。
②晶闸管电子开关——它接收CPU控制单元发出的触发信号，实现电容器的零电压投入和零电流切除功能。
③交流接触器——它接收C P U控制单元发出的分合指令，即“控制信号2”。交流接触器只在稳态时，起到无功补偿电容器与电网之间的能量传递作用。
三、开关的主要技术参数及使用注意事项。主要技术参数：
额定工作电压： 380V±20%使用寿命： 10万次额定电流： 40A、60A、100A、200A相数： 三相（A形接法）单相（Y形接法）响应时间： ≤1000ms导通阻抗： ≤0.003Ω电路耗电： ≤5.0VA从机电一体化复合开关的结构形式来看，主要分为一体式和分体式两种，下面分别作一简单介绍。
1.一体式机电复合开关一体式机电复合开关，是将CPU控制单元、晶闸管电子开关、交流接触器、以及连接导线和安装附件等，组装在同一个外壳中，形成一个独立的整体。
优点：一体式机电复合开关结构紧凑、体积小巧、相应的外部接线少，因此，给安装带来了方便。
缺点：由于体积小，其开断容量和通风散热均受到了限制，一般只能用于小容量的电容器投切。特别是有些一体式复合开关的外壳做成不可拆卸的形式，一旦开关中某个器件损坏时，只能整体更换，造成了一定的浪费。
2.分体式机电复合开关分体式机电复合开关，是将CPU控制单元、晶闸管、阻容吸收电路等做成一个整体，构成一个独立的程序化控制单元，该单元不含交流接触器，而是与交流接触器配套使用。
优点：将暂态开关（晶闸管）与稳态开关（交流接触器）相互独立，提高了系统的抗干扰能力；独立的控制单元具有通用性，可根据补偿电容器的实际容量，与不同容量的交流接触器配套使用。整个补偿装置运行可靠、配置灵活，器件损坏时互换性好。
缺点：由于控制单元与交流接触器需分别安装，所占空间较大。
3.机电一体化复合开关的选用注意事项为了达到安全、可靠、长寿命的使用效果，在选用机电复合开关时应注意以下内容：
1.机电一体复合开关中晶闸管的选择晶闸管的质量直接关系到复合开关的使用寿命和可靠性，在满足电流、耐压等要求时，还应选用知名厂家生产的反向并联晶闸管模块。
2.分相式机电复合开关的选用当需要进行分相补偿或复合补偿时，宜选择专用的分相补偿式机电一体化复合开关，以对单相电容器进行投切控制。
3.多路机电复合开关的应用当补偿路数达4路或4路以上时，为了降低补偿装置的综合成本并使其结构紧凑，可选用多路输出的机电一体化复合开关。
参考文献：
[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，1998。
[2]秦大为，陈炎光.不对称负荷无功补偿装置[J].电力电容器.2005.(3):27-28.