CN101237147B - 集成电力电容器 - Google Patents

Abstract

一种集成电力电容器，包括壳体在所述壳体上方安装测控装置、电容器投切开关和保护电路，在所述壳体下方安装电力电容器；所述投切开关为复合式开关，其包括可控硅开关和磁保持继电器，所述的可控硅开关与所述磁保持继电器的结点并联，所述可控硅开关为两只反并联的晶闸管，所述的晶闸管的触发端连接用于控制在电压过零后触发晶闸管的触发芯片，所述的触发芯片、磁保持继电器连接用于检测三相电路并判断是否需要投切电容器的单片机。本发明提供一种电容投切时无冲击电流、延长使用寿命的集成电力电容器。

Description

集成电力电容器

技术领域

本发明涉及一种电力电容器。

背景技术

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后，可以提供感性电抗所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，进行无功补偿。无功补偿可以提高功率因数，是一项投资少，收效快的降损节能措施。

电网中常用的无功补偿方式包括：①在变电所母线集中安装并联电容器组；②在高低压配电线路中分散安装并联电容器组；③在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器；④在单台电动机处安装并联电容器等。

目前0.4KV输配电线路的无功补偿方式通常是用户车间配电屏安装并联补偿电容器，通过无功功率因数控制器来控制电力电容器的并联投切数量，从而实现无功功率的补偿，使功率因数达到0.95左右。由无功补偿控制器，刀熔开关，无功补偿装置的执行机构，热继电器，电力电容器等几部分组成。存在的缺点：1、投切电容时存在冲击电流大，使用寿命短；2、接线复杂，占用空间大，成本高，现场检修不方便。

(三)发明内容

为了克服已有的电力电容器在投切时存在较大的冲击电流、使用寿命短的不足，本发明提供一种电容投切时无冲击电流、延长使用寿命的集成电力电容器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种集成电力电容器，包括壳体在所述壳体上方安装测控装置、电容器投切开关和保护电路，在所述壳体下方安装电力电容器；所述投切开关为复合式开关，其包括可控硅开关和磁保持继电器，所述的可控硅开关与所述磁保持继电器的结点并联，所述可控硅开关为两只反并联的晶闸管，所述的晶闸管的触发端连接用于控制在电压过零后触发晶闸管的触发芯片，所述的触发芯片、磁保持继电器连接用于检测三相电路并判断是否需要投切电容器的单片机。

作为优选的一种方案：所述的壳体下方安装三个电力电容器，三个电力电容器之间相互角接，其中两个电容器连接投切开关。

作为优选的再一种方案：所述的壳体下方安装三个电力电容器，三个电力电容器之间相互星接，每个电容器连接投切开关。

进一步，所述壳体内安装温度传感器，所述的温度传感器连接单片机，所述单片机包括用于当超过设定温度时切除电力电容器的温度保护模块。

本发明的技术构思为：采样三相电源中的一线电流(如A线)与另外两线电压(如BC线)之间的相位差，通过一定的运算，得到当前电网的实时功率因数。此功率因数与投入门限和切除门限比较，在整个投切延时时间内，若在投切门限内，则不予动作；若小于投入门限，则投入一组电容；若大于切除门限或发生功率因数为负时，则切除一组已经投入的电容。再经过投切延时时间，重复比较与投切，直到当前的功率因数达到投切门限以内。在投切过程中若发现检测到的电压大于设定的过电压保护门限，则切除所有已投入的电容器，以起到保护电容的作用。在投切时若发现检测到的电流小于欠电流封锁门限，则停止投切动作，避免出现循环投切的现象。

智能型集成电力电容器的投切开关采用复合式开关，即将可控硅与磁保持继电器的结点并联，在接通和断开的瞬间既具有可控硅过零开关的优点，而在正常接通期间又具有接触器开关无功耗的优点。

参照图3，电容器投入时，先触发导通晶闸管，然后再延时接通磁保持继电器，由于磁保持继电器闭合后，使晶闸管两端承受的电压近似为零。根据晶闸管的导通条件，在没有承受正向压降的情况下，即使有触发脉冲，当流过其的电流小于其自身的擎柱电流时，晶闸管就会关断；当切除电容器时，先强行断开磁保持继电器(因为此时无法使晶闸管导通)，同时对两只反并联的晶闸管施加过零触发脉冲，当晶闸管两端的电压过零后瞬间，晶闸管就会导通。延时导通一段时间后再撤去触发脉冲，晶闸管就会自然关断。至此，完成一次切除动作。下面说一下为什么对晶闸管施加过零触发脉冲？根据电容的特性方程：

Ic＝du/dt

式中：Ic为流过电容的电流，u为电容两端承受的电压，从方程可以看出，要使在电容器投入瞬间流过晶闸管的电流最小，就是要使电压变化率最小。因为补偿电容器在投入前其初始电压为零，所以必须在当施加在电容器两端的电压接近零时施加触发脉冲。为了清楚起见，绘制出了复合式开关的工作时序图，参照图4。

假设投切开关的投入命令高电平为有效，则切断命令为低电平有效；开关(可控硅、磁保持继电器)闭合用高电平有效表示；则开关断开用低电平有效表示，其各信号动作时序如图4所示，在图中：

δt1为投切开关接收到投入命令后等待电压过零所需的时间；

δt2是磁保持继电器延时闭合设定时间；

δtjo为磁保持继电器闭合动作时间；

δtif为磁保持继电器断开动作时间；

δt3是可控硅延时断开设定时间；

δt4为可控硅自然关断所需的时间。

在图中Uka、Ukb、Ukc、Ukd、Uke、ike分别表示投切信号、可控硅通断、磁保持继电器线圈通断信号、磁保持继电器通断、电网电压、电容(或触点)电流。

当投切开关接收到投入命令时，可控硅的触发信号准备就绪，只要电压过零就立刻触发可控硅，而磁保持继电器在接到投入命令后，要延时一段时间，此时间保证：只有当可控硅导通后，才能闭合磁保持继电器。当开关接收到切断命令后，磁保持继电器立即断开，经过一段时间可控硅触发信号消失，据可控硅关断特性，只有当通过可控硅阳极电流过零时，才能自然关断。

本发明的有益效果主要表现在：1、电容投切过程中无涌流冲击、无操作过电压、无电弧重燃，大大降低了补偿设备故障率，延长了设备的使用寿命；2、结构简单，占用空间小，现场检修方便

(四)附图说明

图1是集成电力电容器的内部结构示意图。

图2是三相电流电压的相位示意图。

图3是投切开关的电路图。

图4是投切开关的工作时序图。

图5是三相共补投切开关的示意图。

图6是三相分补投切开关的示意图。

图7是无功补偿的智能网络示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种集成电力电容器，包括壳体在所述壳体上方安装测控装置、电容器投切开关和保护电路，在所述壳体下方安装电力电容器；所述投切开关为复合式开关，其包括可控硅开关SCR1、SCR2和磁保持继电器RELAY，所述的可控硅开关SCR1、SCR2与所述磁保持继电器RELAY的结点并联，所述可控硅开关为两只反并联的晶闸管，所述的晶闸管的触发端连接用于控制在电压过零后触发晶闸管的触发芯片IC1，所述的触发芯片IC1通过S1和S2、磁保持继电器通过S3和S4连接用于检测三相电路并判断是否需要投切电容器的单片机。

在单片机中，采样三相电源中的一相电流(如A相)与另外两相电压(如BC相)之间的相位差，通过一定的运算，得到当前电网的实时功率因数。此功率因数与投入门限和切除门限比较，在整个投切延时时间内，若在投切门限内，则不予动作；若小于投入门限，则投入一组电容；若大于切除门限或发生功率因数为负时，则切除一组已经投入的电容。再经过投切延时时间，重复比较与投切，直到当前的功率因数达到投切门限以内。在投切过程中若发现检测到的电压大于设定的过电压保护门限，则切除所有已投入的电容器，以起到保护电容的作用。在投切时若发现检测到的电流小于欠电流封锁门限，则停止投切动作，避免出现循环投切的现象。

参照图2，假设三相电压分别为Ua、Ub、Uc，A线的电流为Ia。

则有Ua＝Usinwt，Ub＝Usin(wt+120°)，Uc＝Usin(wt+240°)，从而得到BC见的线电压为：若A线负载为纯电阻性，则A线电流Ia与A线电压Ua同相，则Ia超前Ubc的角度为90°；

若A线负载为感性，则A线电流Ia滞后A线电压Ua角度∮(0°≤∮≤90°)，则Ia超前Ubc的角度为90°-∮；

若A线负载为容性，则A线电流Ia超前A线电压Ua角度∮(0°≤∮≤90°)，则Ia超前Ubc的角度为90°+∮；

在该控制器中为了计算方便，我们电流相位的采样为电压采样的的第二个周期，即若没有相位差Ia之后Ua的角度为360°。实际检测中，假设我们检测到Ia滞后Ubc的角度为α，根据以上的分析得知：

若180°≤α≤270°，则电路为容性负载，cos∮＝cos(270°-α)。

若α＝270°，则电路为阻性负载，cos∮＝cos(270°-α)。

若270°≤α≤360°，电路为容性负载，cos∮＝cos(α-270°)。

投切开关采用复合式开关，即将可控硅SCR1、SCR2与磁保持继电器RELAY的结点并联，在接通和断开的瞬间既具有可控硅过零开关的优点，而在正常接通期间又具有接触器开关无功耗的优点。

电容器投入时，先触发导通晶闸管SCR1、SCR2，然后再延时接通磁保持继电器RELAY，由于磁保持继电器RELAY闭合后，使晶闸管SCR1、SCR2两端承受的电压近似为零。根据晶闸管的导通条件，在没有承受正向压降的情况下，即使有触发脉冲，当流过其的电流小于其自身的擎柱电流时，晶闸管就会关断；当切除电容器时，先强行断开磁保持继电器RELAY(因为此时无法使晶闸管导通SCR1、SCR2)，同时对两只反并联的晶闸管SCR1、SCR2施加过零触发脉冲，当晶闸管SCR1、SCR2两端的电压过零后瞬间，晶闸管SCR1、SCR2就会导通。延时导通一段时间后再撤去触发脉冲，晶闸管就会自然关断。至此，完成一次切除动作。

假设投切开关的投入命令高电平为有效，则切断命令为低电平有效；开关(可控硅、磁保持继电器)闭合用高电平有效表示，则开关断开用低电平有效表示，其各信号动作时序如图所示，在图中：

δt1为投切开关接收到投入命令后等待电压过零所需的时间；

δt2是磁保持继电器延时闭合设定时间；

δtjo为磁保持继电器闭合动作时间；

δtjf为磁保持继电器断开动作时间；

δt3是可控硅延时断开设定时间；

δt4为可控硅自然关断所需的时间。

在图中Uka、Ukb、Ukc、Ukd、Uke、ike分别表示投切信号、可控硅通断、磁保持继电器线圈通断信号、磁保持继电器通断、电网电压、电容(或触点)电流。

当投切开关接收到投入命令时，可控硅的触发信号准备就绪，只要电压过零就立刻触发可控硅SCR1、SCR2，而磁保持继电器RELAY在接到投入命令后，要延时一段时间，此时间保证：只有当可控硅SCR1、SCR2导通后，才能闭合磁保持继电器RELAY。当开关接收到切断命令后，磁保持继电器RELAY立即断开，经过一段时间可控硅SCR1、SCR2触发信号消失，据可控硅关断特性，只有当通过可控硅阳极电流过零时，才能自然关断。

在执行投入或切除补偿电容器的功能的时候，有两种方式即：图5所示的三相共补投切开关和图6所示的三相分补投切开关。它们分别应用在不同的应用场合。传统的低压无功补偿都是采用三相共补的方式，适用于三相负载平衡、各相负载的功率因数相近的网络。三相分补的方式适用于各相负载相差较大，其功率因数值也有较大差别的场合。但从经济的角度出发，多采用电容器三相共补与单相分补相结合的接线方案。

无功补偿的智能网络：参照图7，多台智能集成电力电容器联网使用时，可以自动生成一个网络，对系统进行无功补偿。如下图，将其中一台电容模块设为主机，对无功功率因数进行计算，其他几台设为从机，主机通过485通讯的方式对从机进行控制，从而构成低压无功自动控制系统。如果个别从机出现故障，则自动退出，不影响其余工作。如果主机故障，也要退出，在其余从机中产生一个新的主机，组成一个新的系统；容量相同的电容按循环投切原则，容量不同的电容按适补原则进行投切。

温度保护：内置温度传感器，能够反映电容器过电流，过谐波，漏电流过大和环境温度过高等情况下导致电容器内部发热，实现过温度保护，超过设定温度以后自动切除电容器，并退出运行，达到保护设备的目的。

Claims (6)

1.一种智能集成电力电容器，包括壳体，其特征在于：在所述壳体上方安装测控装置、电容器投切开关和保护电路，在所述壳体下方安装电力电容器；所述投切开关为复合式开关，其包括可控硅开关和磁保持继电器，所述的可控硅开关与所述磁保持继电器的结点并联，所述可控硅开关为两只反并联的晶闸管，所述的晶闸管的触发端连接用于控制在电压过零后触发晶闸管的触发芯片，所述的触发芯片、磁保持继电器连接用于检测三相电路并判断是否需要投切电容器的单片机；

电容器投入时，先触发导通晶闸管，然后再延时接通磁保持继电器，由于磁保持继电器闭合后，使晶闸管两端承受的电压近似为零；根据晶闸管的导通条件，在没有承受正向压降的情况下，即使有触发脉冲，当流过其的电流小于其自身的擎柱电流时，晶闸管就会关断；当切除电容器时，先强行断开磁保持继电器，此时无法使晶闸管导通，同时对两只反并联的晶闸管施加过零触发脉冲，当晶闸管两端的电压过零后瞬间，晶闸管就会导通；延时导通一段时间后再撤去触发脉冲，晶闸管就会自然关断；至此，完成一次切除动作；

在单片机中，采样三相电源中的一相电流与另外两相电压之间的相位差，通过运算得到当前电网的实时功率因数；此功率因数与投入门限和切除门限比较，在整个投切延时时间内，若在投切门限内，则不予动作；若小于投入门限，则投入一组电容；若大于切除门限或发生功率因数为负时，则切除一组已经投入的电容；再经过投切延时时间，重复比较与投切，直到当前的功率因数达到投切门限以内；在投切过程中若发现检测到的电压大于设定的过电压保护门限，则切除所有已投入的电容器；在投切时若发现检测到的电流小于欠电流封锁门限，则停止投切动作。

2.如权利要求1所述的智能集成电力电容器，其特征在于：将其中一台智能集成电力电容器设为主机，对无功功率因数进行计算，其他几台智能集成电力电容器设为从机，主机通过485通讯的方式对从机进行控制，从而构成低压无功自动控制系统；如果个别从机出现故障，则自动退出，不影响其余工作；如果主机故障，也要退出，在其余从机中产生一个新的主机，组成一个新的系统；容量相同的电容按循环投切原则，容量不同的电容按适补原则进行投切。

3.如权利要求1或2所述的智能集成电力电容器，其特征在于：所述的壳体下方安装三个电力电容器，三个电力电容器之间相互角接，其中两个电容器连接投切开关。

4.如权利要求1或2所述的智能集成电力电容器，其特征在于：所述的壳体下方安装三个电力电容器，三个电力电容器之间相互星接，每个电容器连接投切开关。

5.如权利要求1所述的智能集成电力电容器，其特征在于：所述壳体内安装温度传感器，所述的温度传感器连接单片机，所述单片机包括用于当超过设定温度时切除电力电容器的温度保护模块。

6.如权利要求4所述的智能集成电力电容器，其特征在于：所述壳体内安装温度传感器，所述的温度传感器连接单片机，所述单片机包括用于当超过设定温度时切除电力电容器的温度保护模块。

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