CN102082438A - 智能型无功功率自动补偿柜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能型无功功率自动补偿柜，可实现配电系统分相控制、动态快速的无功功率自动补偿，保证电网安全、优质、经济运行。包括有：柜体、显示部件以及控制部件；控制部件包括：单片微机控制主机及控制装置；单片微机控制主机及控制装置包括：单片微机控制主机、数据采集输入模块和数据输出控制部件；数据采集输入模块通过数据采集输入口采集到配电系统的电流信号及电压信号，经过运算、处理后向所述单片微机控制主机输送；单片微机控制主机将数据采集输入口输送来的数据进一步经过运算、比较、判断处理后，向显示模块输出数据并由显示部件进行显示；单片微机控制主机根据系统各相无功需求及各相的功率因数，将数据送至数据输出控制口。

Description

智能型无功功率自动补偿柜

技术领域

本发明属于电力配电设备领域，尤其涉及一种智能型无功功率自动补偿柜。

背景技术

电能质量是评价电力系统运行性能优劣的指标，其中电压的稳定性尤为重要。电力系统运行中，必须确保各输配电线路的母线电压稳定在允许的偏差范围之内，目前大多数国家规定的电压允许变化范围一般为+5％～-10％。

电压稳定与否主要取决于系统中无功功率的平衡。如果用电负荷的无功需求波动较大，如整流装置、逆变器、变频装置、电子开关电源、电弧炉及大型电动机和大型泵站等，就会导致线路电压超出允许极限范围。因此，电力系统的无功补偿和电压调整是保证电网安全、优质、经济运行的重要措施。

在工业配电系统中，已往无功补偿的方式，大都是采用电力电容器组，通过常规的交流接触器去控制电力电容器的投、切而实现的，由于交流接触器受到机械动作时间限制，因此，响应速度慢，无法满足波动较频繁的无功负荷对无功补偿的要求。并且，传统的无功功率自动补偿装置，一般都是针对三相平衡负载设计制造的，当电力系统中的三相无功负载明显不平衡时，如单相电弧焊接机的投入使用等，它便无法实现有效的调节了。

随着科学技术的发展，对电源质量要求越来越高。并且，绝大部分用户负荷均为感性负载，如：工矿企业、厂房、学校、机关、码头、家庭等。因为电路的功率因数是由负载决定的，功率因数的高低将影响到输配电线路中的电流大小、电压损失、功率损失以及发电设备的利用率。所以，为提高现代工业的用电质量和电压稳定，以及提高低压配电系统供配电网络中所有终端用电设备的功率因数，必须对供配电系统实行快速的无功支持。目前大多是采用静止式无功功率自动补偿，调节效果仍不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能型无功功率自动补偿柜，可实现配电系统分相控制、动态快速的无功功率自动补偿，保证电网安全、优质、经济运行。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

智能型无功功率自动补偿柜，包括有：柜体、显示部件以及控制部件，所述显示部件与控制部件电气连接；其中，所述控制部件包括有：单片微机控制主机及控制装置、显示模块以及电源模块；所述单片微机控制主机及控制装置包括有：单片微机控制主机、数据采集输入模块和数据输出控制部件；所述电源模块与所述单片微机控制主机相连并输送电源；所述数据采集输入模块通过数据采集输入口采集到配电系统的电流信号及电压信号，经过运算、处理后向所述单片微机控制主机输送；所述单片微机控制主机将数据采集输入口输送来的数据进一步经过运算、比较、判断处理后，向所述显示模块输出数据并由显示部件进行显示；所述数据输出控制部件包括有：电子式复合开关和电力电容器，所述电子式复合开关，包括有：一组或一组以上相并联连接的晶闸管和交流接触器，所述电力电容器和所述电子式复合开关串联连接；所述单片微机控制主机根据系统各相无功需求及各相的功率因数，将数据送至数据输出控制口，通过数据输出控制口直接操控数据输出控制部件的晶闸管和交流接触器从而控制电力电容器的投、切动作。

综上，本发明的有益效果是：

为提高现代工业的用电质量和电压稳定，必须对供配电系统实现快速的无功功率支持，以实现分相的无功功率动态自动补偿。本发明的智能型无功功率自动补偿柜，实质为一种静止式智能型无功功率动态、分相控制的自动补偿柜。本发明首先采用的是微机控制系统，对系统数据进行在线式快速动态采集，然后由微机控制电子交流无触点开关晶闸管和交流接触器，直接快速投、切各相电力电容器，以实现动态无功分相自动补偿。由于数据采集输入模块通过数据采集输入口采集到配电系统的电流信号及电压信号，经过运算、处理后向所述单片微机控制主机输送；数据输出控制部件包括有：电子式复合开关和电力电容器，电子式复合开关，包括有：一组或一组以上相并联连接的晶闸管和交流接触器，电力电容器和所述电子式复合开关串联连接；单片微机控制主机根据系统各相无功需求及各相的功率因数，将数据送至数据输出控制口，通过数据输出控制口直接操控数据输出控制部件的晶闸管和交流接触器从而控制电力电容器的投、切动作。因此，可实现对配电系统实现快速性动态、分相无功功率自动补偿响应时间≤2S。对无功负载不平衡的三相配电系统实现单相的单独分相补偿。因而，为现代配电系统提供了一种快速性动态、分相无干扰的无功功率自动补偿装置。该静止式无功功率动态、分相自动补偿节能装置，既适用于无功负载平衡或不平衡的用电系统，也适用于无功功率波动频繁的用电设备，控制系统实现了快速动态、分相无扰动地投、切电力电容器。这就是全智能型、无触点化、无功功率动态、分相自动补偿节能型的新一代产品。

具体为：

1、采用单片微机控制：本装置的显示部分、测量部分、控制部分、保护部分均由单片微机控制系统实现。

2、晶闸管复合开关直接控制电容器投、切：本装置所有的电力电容器均由晶闸管复合开关直接控制投、切，以实现快速的动态无功功率自动补偿。

3、实现相控，每相独立补偿：本装置的电力电容器，采用分相设置，分相投、切，即分别测量各相的功率因数，分别控制各相的电力电容器投、切，实现分相无功自动补偿的相控系统可实现单相、双相、三相同时投切。

4、晶闸管采用过零触发、过零投、切电力电容器，以克服电力电容器在投、切的过程中，产生过大的电流对电网的冲击。

附图说明

图1是本发明智能型无功功率自动补偿柜的电路原理示意图；

图2是本发明智能型无功功率自动补偿柜的控制系统总框图；

图3是本发明智能型无功功率自动补偿柜的一次线路控制原理示意图；

图4是本发明智能型无功功率自动补偿柜的面板布置结构示意图；

图5是本发明智能型无功功率自动补偿柜的显示部件结构示意图；

图6是本发明智能型无功功率自动补偿柜的整体正面剖视结构示意图；

图7是本发明智能型无功功率自动补偿柜的整体左侧面剖视结构示意图；

图8是本发明智能型无功功率自动补偿柜的隔板结构示意图。

附图标记说明：

11、主回路铜母排；12、主回路电流互感器；13、低压断路器；14、电压信号互感器；15、支路熔断器；16、晶闸管；17、液晶数字显示口；18、单片微机控制主机；19、直流稳压电源输入口；110、滤波电容器；111、低压熔断器；112、压敏避雷器；113、测量电流互感器；114、分支铜母排；115、交流接触器；116、电容器放电灯；117、电力电容器；21、数据采集输入口；22、数据输出控制口；31、垂直干线铜母排；41、柜体；42、补偿柜技术指导窗口；43、液晶显示玻璃窗口；431、故障指示灯；432、第一液晶显示屏；433、第二液晶显示屏；434、柜体进线电源指示灯；435、控制系统模拟图；44、补偿柜铭牌；45、故障报警器；46、进风口；7、电容器补偿柜隔板；71、单片微机控制主机印制线路板；72、数据采集输入模块印制线路板；73、控制电源印制线路板。

具体实施方式

本发明公开了一种智能型无功功率自动补偿柜，请见图1至图4，包括有：柜体41、显示部件以及控制部件，所述显示部件与控制部件电气连接；其中，所述控制部件包括有：单片微机控制主机及控制装置、显示模块以及电源模块；所述单片微机控制主机及控制装置包括有：单片微机控制主机18、数据采集输入模块和数据输出控制部件；所述电源模块与所述单片微机控制主机相连并输送电源；所述数据采集输入模块通过数据采集输入口21采集到配电系统的电流信号及电压信号，经过运算、处理后向所述单片微机控制主机输送；所述单片微机控制主机将数据采集输入口21输送来的数据进一步经过运算、比较、判断处理后，向所述显示模块输出数据并由显示部件进行显示；所述数据输出控制部件包括有：电子式复合开关和电力电容器117，所述电子式复合开关，包括有：一组或一组以上相并联连接的晶闸管16和交流接触器115，所述电力电容器117和所述电子式复合开关串联连接；所述单片微机控制主机根据系统各相无功需求及各相的功率因数，将数据送至数据输出控制口22，通过数据输出控制口22直接操控数据输出控制部件的晶闸管16和交流接触器115从而控制电力电容器的投、切动作。

所述单片微机控制主机：包括主机硬件电路板、系统控制软件和系统应用软件。

如图1、2、3所示，所述单片微机控制主机与晶闸管16和交流接触器115分别电气连接，所述单片微机控制主机分别向晶闸管16和交流接触器115输出实时控制指令；所述数据采集输入模块包括有：主回路电流互感器12、电压信号互感器14和测量电流互感器113；所述主回路电流互感器12、电压信号互感器14和测量电流互感器113分别与所述单片微机控制主机电气连接，并向单片微机控制主机输送配电系统的电流信号及电压信号。

交流380V三相进线电源，通过主回路母排11，有三相支路分别连接电源线的各相线路，每一支路均包括有：主回路电流互感器12、低压断路器13、电压信号互感器14、测量电流互感器113、支路熔断器15、一组以上的电子式复合开关以及电力电容器117；所述主回路电流互感器12设置在主回路上，低压断路器13、电压信号互感器14、测量电流互感器113、支路熔断器15以及电子式复合开关采用串联的方式连接。

所述测量电流互感器113和电子式复合开关之间通过分支母排114连接。

所述单片微机控制主机及控制装置还包括低压熔断器111，所述低压熔断器111的一端分为两路：第一路与滤波电容器110串联后接地，第二路与压敏避雷器112串联后接地。

如图1、2所示，所述显示模块包括有液晶数字显示口17，所述电源模块包括有直流稳压电源输入口19。

如图4、5所示，所述智能型无功功率自动补偿柜的柜体41的正面设置有显示面板以及位于下部的进风口46，所述显示面板上安装有显示部件，所述显示部件包括有：一块或多块液晶显示装置。

所述显示部件包括有：位于显示面板上部的补偿柜技术指导窗口42、位于所述补偿柜技术指导窗口42下方的液晶显示玻璃窗口43；所述液晶显示玻璃窗口43下方设置有多个电容器放电灯116和故障报警器45。

所述液晶显示玻璃窗口43包括有多个故障指示灯431、第一液晶显示屏432、第二液晶显示屏433、多个柜体进线电源指示灯434和控制系统模拟图435；所述故障指示灯431、第一液晶显示屏432、第二液晶显示屏433按上、中、下方位排列，控制系统模拟图435位于第一液晶显示屏432、第二液晶显示屏433的右侧，柜体进线电源指示灯434位于控制系统模拟图435的上方。

如图4、6、7、8所示，所述柜体41采用前、后框架加中间隔板由钢板组装成封闭式的成套设备。柜体41的后部框架主要安装低压断路器13、低压熔断器111、晶闸管16、交流接触器115、电力电容器117、铜母排干线系统和输入输出端子排。柜体的前部框架主要安装有电容器补偿柜隔板7及操作系统。所述电容器补偿柜隔板7：包括位于上部的单片微机控制主机印制线路板71、位于中部的数据采集输入模块印制线路板72、位于下部控制电源印制线路板73。

本发明的各部分具体工作原理如下：

1、控制回路部分

控制回路部分的工作原理，详图1电子交流开关无功功率自动补偿柜系统框图及图2无功功率自动补偿柜微机控制系统框图。其工作过程，首先是采样，所述采样：是通过主回路电流互感器12、电压信号互感器14、测量电流互感器113将系统的电流信号及电压信号直接送至微机控制系统的数据采集输入口21，数据采集输入口将送来的数据经过运算、处理后直接送至单片微机控制主机18。单片微机控制主机将数据采集输入口送来的数据，再进一步经过运算、比较、判断处理后，分别送至液晶数字显示口17，通过第一液晶显示屏432及第二液晶显示屏433均用数字形式将送来各相的电流数据、各相的电压数据、各相的温度数据、各相的功率因数数据，通过液晶屏实现数字显示。其次单片微机控制主机将数据采集输入口送来的数据，同时经过运算、比较、判断处理后，根据系统各相无功需求及各相的功率因数，将数据送至数据输出控制口22，通过数据输出控制口直接操控晶闸管16和交流接触器115去控制电力电容器117的投、切。由于系统采用微机采集各相的电流和电压，所以采样速度快、精度高一个数据采集的时间为毫秒级，再通过控制晶闸管的投、切，实现快速控制晶闸管的控制时间最快可达10毫秒。因而该控制系统，完全可实现最佳的快速动态、分相控制的无功功率自动补偿要求。

2、保护部分

本发明具有过流、短路保护，超压、超温自动报警等保护功能。

本发明的“电子式复合开关”：

所述电子式复合开关，它是由晶闸管16和交流接触器115相互并联组合而成。它的工作原理如下：

晶闸管16为半导体电子器件，通过门极控制信号，采取过零触发，以完整的正弦波向电力电容器供电，从而代替了传统式的有触点开关。在这里采用晶闸管主要是为了提高电网的用电质量，抑制电容器在投、切过程中所产生的冲击电流和过电压，使电网供配电系统更加安全、更为可靠。众所周知，电网的谐波污染，大部分是来自用户用电设备的开、停或投、切而引起。

采用晶闸管控制后，“采取电压过零触发则过零导通”和过零关断，从根本上杜绝了电容器在投、切的过程中产生大电流对电网的冲击和过电压对电网的污染。因为，电力电容器在零电压开通时，此时电流也为零开始，根本不存在大电流的冲击。

因为，晶闸管器件流通过的电流为内部电子流，不存在接触问题，更无拉弧与火花出现，并且开关速度快，可频繁操作。由于它为可控器件，在开、关的过程中完全不存在电流冲击和过电压干扰等问题。但晶闸管亦存在着不足之处：则当晶闸管导通时有一定的器件压降，因而工作时晶闸管易发热，具有一定的能量消耗。

然而，交流接触器为双金属头接触式的电流，双触头间易产生熔焊及火花甚至拉弧，拉弧严重时更易造成相间短路，引发供电事故。而它的优点是：双金属触头之间，接触阻抗很低。因此，工作时耗能低，且不易发热。

正因为如此，本发明将晶闸管和交流接触器相互并联，组合成“电子式复合开关”后，这样就可以充分发挥上述两者的优点，克服上述两者的缺陷。

“电子式复合开关”的工作过程是这样的：

组合后的“电子式复合开关”，在导通时，晶闸管先导通，交流接触器后接通。断开时，交流接触器先断开，晶闸管后断开。在平时接通期间，两者均导通，但实际上，因为交流接触器接通时的阻抗远小于晶闸管导通时的阻抗。所以，在平时运行两者都导通期间，绝大部分负载电流均由接触器承载。因此，晶闸管在工作的过程中，流过的电流也就相当少，根本就不需要加特殊的散热装置。通过上述的组合，在导通时既可通过大电流，而又具有传统式的低功耗优点。同时在关断时，既不存在大电流对电网的冲击，也不存在高电压对电网的污染，更不会出现触点熔焊和拉弧，则具有现代型电子式的无触点优点。这就是我们所谓的新一代现代型和传统型相结合的“电子式复合开关”。

上述所列具体实现方式为非限制性的，对本领域的技术人员来说，在不偏离本发明范围内，进行的各种改进和变化，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.智能型无功功率自动补偿柜，包括有：柜体(41)、显示部件以及控制部件，所述显示部件与控制部件电气连接；其特征在于：所述控制部件包括有：单片微机控制主机及控制装置、显示模块以及电源模块；所述单片微机控制主机及控制装置包括有：单片微机控制主机(18)、数据采集输入模块和数据输出控制部件；所述电源模块与所述单片微机控制主机相连并输送电源；所述数据采集输入模块通过数据采集输入口(21)采集到配电系统的电流信号及电压信号，经过运算、处理后向所述单片微机控制主机输送；所述单片微机控制主机将数据采集输入口(21)输送来的数据进一步经过运算、比较、判断处理后，向所述显示模块输出数据并由显示部件进行显示；所述数据输出控制部件包括有：电子式复合开关和电力电容器(117)，所述电子式复合开关，包括有：一组或一组以上相并联连接的晶闸管(16)和交流接触器(115)，所述电力电容器(117)和所述电子式复合开关串联连接；所述单片微机控制主机根据系统各相无功需求及各相的功率因数，将数据送至数据输出控制口(22)，通过数据输出控制口(22)直接操控数据输出控制部件的晶闸管(16)和交流接触器(115)从而控制电力电容器的投、切动作。

2.如权利要求1所述的智能型无功功率自动补偿柜，其特征在于：所述单片微机控制主机与晶闸管(16)和交流接触器(115)分别电气连接，所述单片微机控制主机分别向晶闸管(16)和交流接触器(115)输出实时控制指令；所述数据采集输入模块包括有：主回路电流互感器(12)、电压信号互感器(14)和测量电流互感器(113)；所述主回路电流互感器(12)、电压信号互感器(14)和测量电流互感器(113)分别与所述单片微机控制主机电气连接，并向单片微机控制主机输送配电系统的电流信号及电压信号。

3.如权利要求2所述的智能型无功功率自动补偿柜，其特征在于：交流380V三相进线电源，通过主回路母排(11)，有三相支路分别连接电源线的各相线路，每一支路均包括有：主回路电流互感器(12)、低压断路器(13)、电压信号互感器(14)、测量电流互感器(113)、支路熔断器(15)、一组以上的电子式复合开关以及电力电容器(117)；所述主回路电流互感器(12)设置在主回路上，低压断路器(13)、电压信号互感器(14)、测量电流互感器(113)、支路熔断器(15)以及电子式复合开关采用串联的方式连接。

4.如权利要求3所述的智能型无功功率自动补偿柜，其特征在于：所述测量电流互感器(113)和电子式复合开关之间通过分支母排(114)连接。

5.如权利要求3或4所述的智能型无功功率自动补偿柜，其特征在于：所述单片微机控制主机及控制装置还包括低压熔断器(111)，所述低压熔断器(111)的一端分为两路：第一路与滤波电容器(110)串联后接地，第二路与压敏避雷器(112)串联后接地。

6.如权利要求1或5所述的智能型无功功率自动补偿柜，其特征在于：所述显示模块包括有液晶数字显示口(17)，所述电源模块包括有直流稳压电源输入口(19)。

7.如权利要求1至5中任何一项所述的智能型无功功率自动补偿柜，其特征在于：所述智能型无功功率自动补偿柜的柜体(41)的正面设置有显示面板以及位于下部的进风口(46)，所述显示面板上安装有显示部件，所述显示部件包括有：一块或多块液晶显示装置。

8.如权利要求7所述的智能型无功功率自动补偿柜，其特征在于：所述显示部件包括有：位于显示面板上部的补偿柜技术指导窗口(42)、位于所述补偿柜技术指导窗口(42)下方的液晶显示玻璃窗口(43)；所述液晶显示玻璃窗口(43)下方设置有多个电容器放电灯(116)和故障报警器(45)。

9.如权利要求8所述的智能型无功功率自动补偿柜，其特征在于：所述液晶显示玻璃窗口(43)包括有多个故障指示灯(431)、第一液晶显示屏(432)、第二液晶显示屏(433)、多个柜体进线电源指示灯(434)和控制系统模拟图(435)；所述故障指示灯(431)、第一液晶显示屏(432)、第二液晶显示屏(433)按上、中、下方位排列，控制系统模拟图(435)位于第一液晶显示屏(432)、第二液晶显示屏(433)的右侧，柜体进线电源指示灯(434)位于控制系统模拟图(435)的上方。

10.如权利要求1至5中任何一项所述的智能型无功功率自动补偿柜，其特征在于：所述柜体(41)包括有前、后框架和中间隔板；柜体的前部框架安装有电容器补偿柜隔板(7)；所述电容器补偿柜隔板(7)包括位于上部的单片微机控制主机印制线路板(71)、位于中部的数据采集输入模块印制线路板(72)、位于下部控制电源印制线路板(73)。

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