三相換相開關設計研究

李曉會，謝傳鑾

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

三相不平衡是指低壓配電網絡中電源輸出的三相電流(電壓)幅值不一致，且幅值差超過規(guī)定范圍；電網三相電壓不平衡是由于三相負載不均衡所致，屬于基波負荷配置問題；是電能質量的主要指標之一。

電能作為目前社會中應用最為廣泛的能源，影響著人們的日常生活和工作，隨著國民經濟的快速發(fā)展，對電力供應提出了越來越高的要求。在我國廣大農村低壓配電網絡中，大多是采用三相四線制的接線方式，其中負載以單相用電負荷居多，這些負荷存在用電時間和規(guī)律不確定性，使低壓配電網絡長期在三相不平衡狀態(tài)下運行，造成電網中三相間的不平衡電流普遍存在，電網中的不平衡電流不僅會增加線路及變壓器的銅損，還會增加變壓器的鐵損；降低變壓器的末端電壓，最終造成三相電壓的不平衡，嚴重影響了電網安全穩(wěn)定和經濟運行。

三相換相開關是一種用于改善低壓電網配變系統(tǒng)三相負荷不平衡治理調節(jié)的關鍵設備，也可在電力開關柜中用于保護電力用戶負載的重要設備，在不中斷負載電源的情況下，通過智能化邏輯判斷自動選擇供電相，對用戶端接入相序進行調整，通過對若干支線的相序調節(jié)，實現把用電負荷均勻分配在各相中，達到三相平衡的目的，降低電能在傳輸過程中的損耗，最大化地提高電能利用率的同時，增強了電網供電的可靠性。

本文提出了一種三相換相開關產品的設計與研究，該產品動作執(zhí)行單元采用磁吸合開關和雙向可控硅原件相組合，能有效降低相間切換時間和開關觸點壓降，主控單元采用單片智能控制，檢測與控制一體化，并對外提供標準通訊接口、協(xié)議，具有很高的實用性和性價比。

1 方案設計

在低壓配電網絡中，關于三相不平衡的治理問題，其核心要求產品可根據三相負載的隨機無序變化，在不影響負載的正常使用情況下，對負載進行動態(tài)調節(jié)分配，使三相負載處于均衡分布狀態(tài)。

三相換相開關僅適用于單相負載設備，其電源側是三相四線，負載側觸頭通過導線焊接在同一條銅板上，再在銅板上接出一條導線作為相線接負載端，負載側是單相。

實現負載的不掉電換相切換的實質是在極短的時間內完成相序的切換，不同類型和不同型號的用電設備，對于電壓變化的敏感度是不同的。通過大量的理論調研和實測驗證，20ms的掉電時間不會影響計算機、冰箱、空調等常見家用用電設備的正常使用。

在換相過程中，不能出現相間短路，A、B、C三相必須單獨合閘，并且須在其余兩相分閘的狀態(tài)下合閘。如A相合閘時，要想把B相合上去，此時，必須先斷開A相觸頭，才能合B相。即始終保持一相合閘狀態(tài)或三相均是分閘狀態(tài)。

為了減少設備沖擊，三相換相開關采用過零投切設計，以將投切對動作元件的損傷降到最小。過零投切技術是指負載電流過零點時切除、負載電壓過零點投入的原則，達到沖擊極小、電弧極小的效果。

2 結構設計

在20ms的時間內，實現不同相位的相間切換，只能采用半導體器件（IGBT，可控硅等）作為電子開關，利用傳統(tǒng)的機械觸點開關（接觸器，斷路器，繼電器等）是難以實現的；而單獨采用半導體器件作為觸點開關，觸點電壓壓降大，能耗比較高，器件發(fā)熱嚴重，需采用風冷、水冷等冷卻降溫措施，隨著負載電流增大，降溫設備的體積也需增大。另外，對于半導體器件及其驅動電路，在高溫時可靠性下降，誤動作可能性增大；半導體器件應用時需降容量使用。針對上述情況，三相換相開關采用在機械觸點開關的兩端并上一組雙向可控硅電路，動作時集成兩者優(yōu)點，降低觸點能耗，同時提高動作時間，達到使用要求，如圖1所示。

圖1 開關控制拓撲結構

三相換相開關包括三組相對獨立單元動靜觸頭，采用三相四線電源進線，單相出線負載側，三組觸頭只能同一時間最多閉合一組。每相都有一個單獨的靜觸頭和一個動觸頭，靜觸頭安裝在產品開關底座上，動觸頭都安裝在活動支架上，觸頭壓力通過壓簧及超程來保證，觸頭閉合通過電磁線圈及吸板來實現，無電則觸頭斷開，機構簡潔，機械部件少，減少了機械部件的磨損，提高機械動作次數，結構見圖2所示。

3 控制電路設計

圖2 開關觸頭動作機構拓撲圖

控制電路的構成單元如圖3所示，主要實現將負荷的供電相別平穩(wěn)、快速切換到預設置相別的功能，具體方案是采用將磁力開關和雙向可控硅相結合控制進行相位切換，即先采用可控硅快速導通，導通后采用磁力開關吸合，斷開雙向可控硅回路，降低觸點損耗的方案。

圖3 控制原理框圖

產品功能主要由幾部分組成：

（1）單片機及外圍電路作為產品的核心處理、控制部分，對各輸入單元進行數據處理，產生得到三相電壓、相位角、負載電流、實時時鐘數據、通過與遠程控制終端通信、按鍵人機界面處理產生操作記錄，通過對驅動電路的控制，實現磁力開關和可控硅電路的控制，實現產品功能。

（2）通過電源變換處理單元，獲得磁力開關工作電源、單片機工作電源、繼電器控制電源等各路電源信號。

（3）抗浪涌電壓模塊，采用氧化鋅電路和熱敏電阻相結合，完成抑制浪涌電壓、感應雷電，消除各種尖端干擾，保證控制電路運行穩(wěn)定可靠。

（4）信號處理電路包括采用穿心式零序電流互感器采樣整個負載線路的零序電流信號，該信號通過一定的運算、隔離、放大處理后送入單片機控制電路進行高速模數轉換、采樣讀取處理，并通過一系列運算后，獲得每周期的零序電流數值和相位；采用穿心電流互感器采樣負載的電流信號，該信號通過一定的運算、隔離、放大處理后送入單片機控制電路進行高速模數轉換、采樣讀取處理，實時獲得每個周期的電流數值信號，并對負載過流進行分斷保護；采用將電源側的三相電壓進行降壓，通過差分運算將信號輸入到單片機控制電路進行高速處理模數轉換、采樣讀取處理，并通過一系列運算后，獲得三相實時電壓數值和相位角，并在電壓異常（過壓、欠壓）時實現分斷保護；采用靜觸頭和動觸頭之間的行程開關狀態(tài)識別每相觸頭的實際工作狀態(tài)，并轉換成單片機可識別信號功能。

（5）RS485收發(fā)器和無線收發(fā)模塊對遠程控制信號進行接收、發(fā)送，主要分為兩部分，一部分是作為各種設置參數、運行參數和操作信息的記錄讀?。涣硪徊糠质墙邮者h程控制命令和參數設置，完成產品的遠程通信功能。

（6）采用按鍵、顯示模塊和指示燈組合建立友好人機交換界面，可通過按鍵操作進行負載相位切換、運行參數查詢、門限和保護功能設置，完成人機交互操作功能。

（7）采用時鐘電路和存儲電路對產品各種信息和控制操作進行存儲并記錄發(fā)生時間；

（8）通過對繼電器和光耦驅動電路相結合的設置，完成對磁力開關和可控硅的通斷控制。完成相位切換和產品的分合閘控制功能。

4 軟件設計

軟件主程序設計流程如圖4所示。具體操作是：產品上電復位；關斷可控硅控制端觸發(fā)脈沖，斷開三相磁力開關；檢測負載電壓，若電壓不為零，則產品分閘機構故障，程序退出，若電壓為零時，導通工作相磁力開關，動靜觸頭吸合；檢測負載電壓，若電壓為零，則產品合閘機構故障，程序退出，若電壓不為為零時，則產品正常工作，檢測負載電壓、電流、零序電流情況，等待按鍵操作或遠程通信命令，做出相應執(zhí)行動作。

圖4 主流程圖

圖5 換相流程圖

當產品正常運行時，磁力開關閉合在某一相上,三相可控硅電路斷開。當產品分斷保護時，三相磁力開關和可控硅電路均斷開。當產品開關換相時，工作流程如圖5所示，具體操作是：

（1）觸發(fā)當前工作相的可控硅，使工作相可控硅與磁力開關處于并聯導通工作狀態(tài)，此時，絕大部分負載電流由磁力開關處經過。

（2）斷開磁力開關控制電源，使磁力開關斷開，隨著動靜觸頭間出現斷口，阻抗變大，電流逐漸切換到可控硅中，動靜觸頭間的行程開關處于閉合狀態(tài)。

（3）關斷工作相可控硅控制端的觸發(fā)脈沖，使可控硅在下一個電流過零點自動關斷，在負載電流關斷后，此時負載側處于斷電狀態(tài)。

（4）檢測負載側電壓電流數值，等待負載端的電流完全關斷后，觸發(fā)目標工作相可控硅觸發(fā)脈沖，利用可控硅的快速導通特性，通過過零光耦使負載在目標相的電壓過零時投切，此時負載電流從可控硅流過。

（5）導通磁力開關（由于磁力開關動作具有延時性，磁力開關導通在可控硅之后），隨著動靜觸頭間吸合接觸，阻抗變小，負載電流逐漸切換到磁力開關上，此時動靜觸頭之間的行程開關，逐漸斷開。

（6）等待動作觸頭吸合完成，關斷目標工作相可控硅控制端觸發(fā)脈沖，此時負載電流完全切換到磁力開關上，換相工作流程結束。

根據上述程序流程所述，負載側電流斷開時間主要在工作相可控硅的電流自然過零時（小于維持電流）自動關斷開始，一直到目標相可控硅的觸發(fā)導通。在實際應用中，為了增加產品的可靠性，在檢測到負載側電流斷開時，增加一個短延時，使工作相的可控硅在經歷一個過零點，這樣負載斷電時間在大于10ms小于17ms。

5 結語

通過對產品的通信功能和換相功能進行測試后，在實驗室條件下對產品分別按照純阻性負荷，功率因數85%阻感性負荷狀態(tài)進行了整體測試，實驗結果表明產品換相動作正常，換相時間均在11～17ms之間，負載（電燈、示波器、冰箱、筆記本）工作正常，最后對產品進行了掛網試運行實驗。通過結果來看,該產品具有實時性強，負載供電不受影響優(yōu)點，滿足作為低壓配電網絡三相不平衡的治理需求的動作負荷終端使用。產品通過配合三相負荷分配器和監(jiān)控系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)應用，對解決農村低電壓，改善電能質量起到良好的作用。