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摘要：本文对10kV 补偿无功方案、投（切）信号的获取、主电路等问题进行了介绍。
关键词： 10kV柱 无功补偿器 阻抗角
中图分类号：TM531.4文献标识码： A 文章编号：
1 概述
线损率是电业部门的重要经济技术指标。降低线损是节省电能的重要措施。我们知道, 线路在输电中的有功损失为
△P = 3I 2R ×10- 3 (kW )
其中: I—线路中的线电流;R—线路电阻.由上式可得:
由上式说明,当线路输送的有功功率和电压不变的情况下,线路的损失与功率因数的平方成正比。提高功率因数也就是说降低无功传送就能使线路损失大幅度下降。
无功被偿的实质就是要避免或尽量减少这些无功在输电网络中的传送, 设法就地设立无功电源。比如安装并联电容器, 装设调相器等。用来提供用户及配、变电元件对无功的需要, 达到减少电力在传送过程中的线损。
采用并联电容进行无功补偿,不但简单可靠,而且设备投资小,这是电力系统最常用的办法。
210kV补偿无功方案
目前,农业用电大都采用10kV供电,随着乡镇企业的兴起农村用电量日益增加,线损加大,同时供电质量, 达不到国家规定的用电标准。因此,10kV供电线路的无功补偿已变得刻不容缓。
若采用就地低压补偿,总投资高,也难于推广。同时,对变、配电的无功也得不到补偿。如果在10kV 柱上直接进行无功补偿, 可收到事半功倍的效果。图1给出了10kV柱上无功补偿器装设位置示意图。
电容补偿的无功功率为:
由上式可知电容器的出力是与所接电网运行电压的平方成正比;然而电容器的使用年限却与电压的7～8次方成反比。如电压提高15%,则使用年限就要降低2/3,这样电容器就要损坏。故国际电工委员会(IEC) 规定:
电压升高1.10倍,允许长期运行;
电压升高1.15倍,允许运行30min;
电压升高1.20倍,允许运行5min
电压升高1.30倍,允许运行1min
我国规定:当电容器工作电压超过额定电压的1.1倍,便要自动切除退出运行。无功补偿本是降损的有力措施之一,如果过补偿,不仅其经济当量低(即投资1kvar电容器降损作用的大小),且会造成电压提高过多,将使得补偿电容器及其他设备很快被损坏,因此,自动进行无功补偿具有十分重要的意义。
自动补偿的工作过程应该是这样的:补偿器不间断地采集电路的功率因数和电压的高低,并判断功率因数的大小及电压。当功率因数低到某一规定值,或线路的电压低到某一规定值时,补偿器自动将补偿电容器投入网路以补偿无功功率;当功率因数超过某一规定值,或线路的电压超过某一规定值时,补偿器将自动切除偿电容器。此外,因为10kV 柱上无功功率自动补偿器直接用于户外,因此补偿器的各种元、部件均要慎重选择。
3 投、切信号的获取
为了进行无功补偿,获取投切的信号是关键。前面已讨论过,一个信号是线路上的功率因数, 另一个是线路上的电压。如何从线路上获取这两个信号,下面分别进行讨论。
3.1线路阻抗角的获取
可以采用相敏检波的方法获取功率因数。图2给出了相敏检波的实际电路。
RL ——相敏检波负载电阻
α——与检波二极管特性有关系数
——为U 与I 的相位角, 即阻抗角。
这种相敏检波电路具有电路信号获取容易简单, 输出与成正比的特点。但是其输出还与U1m 和U2m有关。由于电压有波动,负载电流大小变化, 会使检测有较大的误差, 用于补偿电容器的投切显然是不理想的。
当然也可以通过测出阻抗角, 然后再求出功率因数。
下面介绍求阻抗角U的原理电路(见图3),可以克服电网电压及负载变化对测量的影响。
由电压互感器和电流互感器经上升过0鉴别器获得电压和电流上升过0脉冲信号, 该脉冲信号每周期出现一次。
18k脉冲信号发生器不断产生周期为1/18k秒方波脉冲。工频(50Hz) 一个周期产生360个脉冲(18k/50= 60)。一个工频周期为360度, 則一个方波脉冲相应为1度。
三级串行的十进制计数器由18k 脉冲信号发生器的输出作为输入cp,每来一个方波脉冲计数一次, 利用电压上升过0脉冲作为清0端,也就是说,三级串行计数器每一工频周期内清0一次,清0的时间为线路电压上升过0时, 因此三级串行计数器的状态是从线路电压上升过0时为000,然后逐一增加直到360,又到线路电压上升过0信号被清0,计数器又重为000。三级串行十进制计数器周而复始地变换着输出状态。该三级串行十进制计数器实质是一个能计数360的旋转计数器。当然当电网的周波变化时, 旋转计数器范围也会有细微变化。
锁存器只要当开启信号L出现时才将计数器的值读入。一旦开启信号L失效,锁存器中的值保持不变。三级锁存器的开启信号L是在线路电流上升过0时出现的,这时才将计数器的当前值存入锁存器并显示该值。每个18k发生器的方波脉冲为1度则显示的数值即为电流滞后电压的阻抗角, 其分辨率为1度。图4给出了测量阻抗角的过程时序图。
当然当阻抗角超过180度时,可以看成电流超前电压,这时要将显示的结果取360的互补并使超前标志置位显示。图5给出了阻抗角超前处理示意图。例如,测量的结果为350,超过180,这时取360的互补为360-350=10度,并使超前标志置位。说明电流超前电压10度。
由理论可知,当电压互感器接三相电路的其中两相,电流互感器对另一相取样时,就可以检测三相电路的阻抗角。从上面对电路的分析知道,其检测到的阻抗角不因电压电流波动而产生测量误差。
3.2电压采样
为防止由于过补电压过高而损坏补偿电容器及其他设备, 除考虑功率因数外还应考虑线路电压,当线路电压高到某一额定值时,不管功率因数高低,应切除补偿电容器以降低线路电压。线路电压直接由电压互感器的二次获得,经过整流滤波,其输出直接和线路的有效值成正比。再经过A/D 转换、整定,直接将线路电压的有效值求出并显示出来。
图6给出电压采样电原理图。
3.3投切信号
至此,利用电压互感器和电流互感器获得线路上的阻抗角和电压值。当然,有了阻抗角也能求出功率因数,例如采用计算机作为控制机,就可以采用查表的方法得到与阻抗角相对应的功率因数。无论是阻抗角或功率因数及电压均可以获得投切信号。图7给出了控制功率补偿器投切的真空接触器线圈通断电原理示意图。
由图7可见,当线路中的功率因数低于投给定值(例如0.85)时,比较器1的输出信号使R—S触发器置1,真空接触器合上,即投入补偿。当功率因数高于切给定值(例如0. 95)时,比较器2有输出; 同样当线路中的电压超过电压切给定(例如11kV)时, 比较器3有输出;而R—S触发器置0,即使真空接触器断开的信号是比较器2、3相“或”的结果, 这时退出补偿。
3.4控制系统框图
图8给出了控制系统框图
图8 控制系统框图
4 主电路介绍
自动补偿器与电网之间采用跌落式熔断器相联,这样既可以保证熔断器拉断后补偿器与电网完全隔离,又可以在自动补偿器工作发生意外时起保护作用。补偿电容器采用并联补偿装置用的BAM11—200—3W 型电容器,电容器为三相, 内接成星形,电容器内部装有放电电阻,能使电容器从线路断开后在5分钟内剩余电压自降到50V以下。
考虑防雷电,电容器的每相上装有氧化锌避雷器,以保护补偿器。完成补偿电容器向电网投切的开关是设备的关键,直接影响补偿器的可靠性。六氟化硫断路器作为投切开关,考虑该类产品, 国内生产还不很稳定,而且价格高,一次性投资大;而真空接触器属国内老产品,价格低,可靠性高, 易破损, 一般用于户内, 但只要在补偿器的外壳箱体上作适当的处理, 完全可以用于户外。因此采用真空接触器不失为明知之举。
图中 FV —跌落式熔断器CT —电流互感器
F—氧化锌避雷器QF —真空接触器
PT —电压互感器C—补偿电容器
5 结束语
前面对10kV柱上无功补偿器的原理作了较全面的介绍,着重介绍了阻抗角的测量方法和控制原理。主要从由常规电路和组成的原理电路来论述。实际上本补偿器的控制部分是由MCS—51单片机组成的控制计算机通过软件来实现, 诸如采样、滤波、计数、计算、延时显示等功能,不但运行可靠, 控制精度高, 而且设定值修改容易, 电路简单等优点．
关键词： 10kV柱 无功补偿器 阻抗角
中图分类号：TM531.4文献标识码： A 文章编号：
1 概述
线损率是电业部门的重要经济技术指标。降低线损是节省电能的重要措施。我们知道, 线路在输电中的有功损失为
△P = 3I 2R ×10- 3 (kW )
其中: I—线路中的线电流;R—线路电阻.由上式可得:
由上式说明,当线路输送的有功功率和电压不变的情况下,线路的损失与功率因数的平方成正比。提高功率因数也就是说降低无功传送就能使线路损失大幅度下降。
无功被偿的实质就是要避免或尽量减少这些无功在输电网络中的传送, 设法就地设立无功电源。比如安装并联电容器, 装设调相器等。用来提供用户及配、变电元件对无功的需要, 达到减少电力在传送过程中的线损。
采用并联电容进行无功补偿,不但简单可靠,而且设备投资小,这是电力系统最常用的办法。
210kV补偿无功方案
目前,农业用电大都采用10kV供电,随着乡镇企业的兴起农村用电量日益增加,线损加大,同时供电质量, 达不到国家规定的用电标准。因此,10kV供电线路的无功补偿已变得刻不容缓。
若采用就地低压补偿,总投资高,也难于推广。同时,对变、配电的无功也得不到补偿。如果在10kV 柱上直接进行无功补偿, 可收到事半功倍的效果。图1给出了10kV柱上无功补偿器装设位置示意图。
电容补偿的无功功率为:
由上式可知电容器的出力是与所接电网运行电压的平方成正比;然而电容器的使用年限却与电压的7～8次方成反比。如电压提高15%,则使用年限就要降低2/3,这样电容器就要损坏。故国际电工委员会(IEC) 规定:
电压升高1.10倍,允许长期运行;
电压升高1.15倍,允许运行30min;
电压升高1.20倍,允许运行5min
电压升高1.30倍,允许运行1min
我国规定:当电容器工作电压超过额定电压的1.1倍,便要自动切除退出运行。无功补偿本是降损的有力措施之一,如果过补偿,不仅其经济当量低(即投资1kvar电容器降损作用的大小),且会造成电压提高过多,将使得补偿电容器及其他设备很快被损坏,因此,自动进行无功补偿具有十分重要的意义。
自动补偿的工作过程应该是这样的:补偿器不间断地采集电路的功率因数和电压的高低,并判断功率因数的大小及电压。当功率因数低到某一规定值,或线路的电压低到某一规定值时,补偿器自动将补偿电容器投入网路以补偿无功功率;当功率因数超过某一规定值,或线路的电压超过某一规定值时,补偿器将自动切除偿电容器。此外,因为10kV 柱上无功功率自动补偿器直接用于户外,因此补偿器的各种元、部件均要慎重选择。
3 投、切信号的获取
为了进行无功补偿,获取投切的信号是关键。前面已讨论过,一个信号是线路上的功率因数, 另一个是线路上的电压。如何从线路上获取这两个信号,下面分别进行讨论。
3.1线路阻抗角的获取
可以采用相敏检波的方法获取功率因数。图2给出了相敏检波的实际电路。
RL ——相敏检波负载电阻
α——与检波二极管特性有关系数
——为U 与I 的相位角, 即阻抗角。
这种相敏检波电路具有电路信号获取容易简单, 输出与成正比的特点。但是其输出还与U1m 和U2m有关。由于电压有波动,负载电流大小变化, 会使检测有较大的误差, 用于补偿电容器的投切显然是不理想的。
当然也可以通过测出阻抗角, 然后再求出功率因数。
下面介绍求阻抗角U的原理电路(见图3),可以克服电网电压及负载变化对测量的影响。
由电压互感器和电流互感器经上升过0鉴别器获得电压和电流上升过0脉冲信号, 该脉冲信号每周期出现一次。
18k脉冲信号发生器不断产生周期为1/18k秒方波脉冲。工频(50Hz) 一个周期产生360个脉冲(18k/50= 60)。一个工频周期为360度, 則一个方波脉冲相应为1度。
三级串行的十进制计数器由18k 脉冲信号发生器的输出作为输入cp,每来一个方波脉冲计数一次, 利用电压上升过0脉冲作为清0端,也就是说,三级串行计数器每一工频周期内清0一次,清0的时间为线路电压上升过0时, 因此三级串行计数器的状态是从线路电压上升过0时为000,然后逐一增加直到360,又到线路电压上升过0信号被清0,计数器又重为000。三级串行十进制计数器周而复始地变换着输出状态。该三级串行十进制计数器实质是一个能计数360的旋转计数器。当然当电网的周波变化时, 旋转计数器范围也会有细微变化。
锁存器只要当开启信号L出现时才将计数器的值读入。一旦开启信号L失效,锁存器中的值保持不变。三级锁存器的开启信号L是在线路电流上升过0时出现的,这时才将计数器的当前值存入锁存器并显示该值。每个18k发生器的方波脉冲为1度则显示的数值即为电流滞后电压的阻抗角, 其分辨率为1度。图4给出了测量阻抗角的过程时序图。
当然当阻抗角超过180度时,可以看成电流超前电压,这时要将显示的结果取360的互补并使超前标志置位显示。图5给出了阻抗角超前处理示意图。例如,测量的结果为350,超过180,这时取360的互补为360-350=10度,并使超前标志置位。说明电流超前电压10度。
由理论可知,当电压互感器接三相电路的其中两相,电流互感器对另一相取样时,就可以检测三相电路的阻抗角。从上面对电路的分析知道,其检测到的阻抗角不因电压电流波动而产生测量误差。
3.2电压采样
为防止由于过补电压过高而损坏补偿电容器及其他设备, 除考虑功率因数外还应考虑线路电压,当线路电压高到某一额定值时,不管功率因数高低,应切除补偿电容器以降低线路电压。线路电压直接由电压互感器的二次获得,经过整流滤波,其输出直接和线路的有效值成正比。再经过A/D 转换、整定,直接将线路电压的有效值求出并显示出来。
图6给出电压采样电原理图。
3.3投切信号
至此,利用电压互感器和电流互感器获得线路上的阻抗角和电压值。当然,有了阻抗角也能求出功率因数,例如采用计算机作为控制机,就可以采用查表的方法得到与阻抗角相对应的功率因数。无论是阻抗角或功率因数及电压均可以获得投切信号。图7给出了控制功率补偿器投切的真空接触器线圈通断电原理示意图。
由图7可见,当线路中的功率因数低于投给定值(例如0.85)时,比较器1的输出信号使R—S触发器置1,真空接触器合上,即投入补偿。当功率因数高于切给定值(例如0. 95)时,比较器2有输出; 同样当线路中的电压超过电压切给定(例如11kV)时, 比较器3有输出;而R—S触发器置0,即使真空接触器断开的信号是比较器2、3相“或”的结果, 这时退出补偿。
3.4控制系统框图
图8给出了控制系统框图
图8 控制系统框图
4 主电路介绍
自动补偿器与电网之间采用跌落式熔断器相联,这样既可以保证熔断器拉断后补偿器与电网完全隔离,又可以在自动补偿器工作发生意外时起保护作用。补偿电容器采用并联补偿装置用的BAM11—200—3W 型电容器,电容器为三相, 内接成星形,电容器内部装有放电电阻,能使电容器从线路断开后在5分钟内剩余电压自降到50V以下。
考虑防雷电,电容器的每相上装有氧化锌避雷器,以保护补偿器。完成补偿电容器向电网投切的开关是设备的关键,直接影响补偿器的可靠性。六氟化硫断路器作为投切开关,考虑该类产品, 国内生产还不很稳定,而且价格高,一次性投资大;而真空接触器属国内老产品,价格低,可靠性高, 易破损, 一般用于户内, 但只要在补偿器的外壳箱体上作适当的处理, 完全可以用于户外。因此采用真空接触器不失为明知之举。
图中 FV —跌落式熔断器CT —电流互感器
F—氧化锌避雷器QF —真空接触器
PT —电压互感器C—补偿电容器
5 结束语
前面对10kV柱上无功补偿器的原理作了较全面的介绍,着重介绍了阻抗角的测量方法和控制原理。主要从由常规电路和组成的原理电路来论述。实际上本补偿器的控制部分是由MCS—51单片机组成的控制计算机通过软件来实现, 诸如采样、滤波、计数、计算、延时显示等功能,不但运行可靠, 控制精度高, 而且设定值修改容易, 电路简单等优点．