CN103746385A - 一种用于配电网的串联电容补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于配电网的串联电容补偿装置及方法，包括电流互感器、电容器、电压互感器、阻尼回路、阻尼电抗、火花间隙、旁路开关和控制器；其中电容器串联接入输电线路中，相并联的阻尼电阻和阻尼电抗组成阻尼回路，火花间隙与旁路开关并联，火花间隙、阻尼回路、电容器相串联，电流互感器跨接在输电线路中测量输电线路的电流，电压互感器测量输电线路的电压并给控制器和旁路开关供电；电流互感器、电压互感器分别将其测量的电流信号、电压信号发送给控制器。本发明可提高线路末端电压值、改善线路电压质量、降低电压闪变危害并提高线路的输电能力。

Description

一种用于配电网的串联电容补偿装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统无功补偿领域，涉及一种用于配电网的串联电容补偿装置及方法。

背景技术

在我国，配电网输电线路复杂，网架薄弱，电网结构不合理，供电半径大，负荷情况复杂多变，常会出现线路末端电压不能满足电能质量情况。配电变压器数量多，部分配电线路带有多台大容量的电动机或变化迅速的工业负荷等冲击负荷，而且多数地区的配变和电动机的设施不够先进，这些因素将加大配网无功需求，大容量电动机的启停会造成严重的电压跌落、电压闪变等问题。这些问题极大地影响了人们的日常生活及工农业生产，也给电力企业带来经济损失和不良的社会影响。

对于长线路低电压问题，目前采取的方法主要有3种：（1）在线路的适当位置装设调压器，存在的缺点是：调压器本身就是一个自耦变压器，除自身成本高昂之外空载损耗还很大，相当于大幅度增加了线损；（2）在线路中或负载侧装设电容器并补装置或SVC，缺点是：成本高，改善低电压的效果很有限；（3）再造一条新的线路，再建一个新的变电站，或在负载上安装其他补偿设备，显然，这样有投资大、工期长的缺点。

串联电容补偿技术具有改善线路电压质量，降低电压闪变危害并提高线路的输电能力等优点。串联电容补偿具有以下几个优点：（1）自适应性。电容器是串联在线路中，随着负荷的变化，流过电容器的电流发生变化，因此电容提高末端电压的补偿效果也会随之变化。（2）串联补偿效果在功率因素较低，电感较大的线路上更加明显，装设较低投资的串联补偿装置可以带来明显的电能质量改善。（3）串联补偿可提高线路的输送功率，增强系统的稳定性。系统的输送容量近似表示为P=(U₁U₂/X_L)*sinδ，串联电容补偿抵消了线路的部分电抗，此时输送功率变为P=[U₁U₂/(X_l-X_c)]*sinδ，提高了输送容量，这在超高压线路中会带来巨大的经济效益。

目前串联补偿技术已在超高压线路中大量使用，取得了良好的补偿效果和经济效益，但是由于技术限制等原因，目前串补在国内配电网中的应用还很少见，针对配电网的电容补偿装置更是少见于报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于配电网的串联电容补偿装置及方法，用以解决配电网末端电压低于标准及电压闪变等问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于配电网的串联电容补偿装置，包括：电流互感器、电容器、电压互感器、阻尼回路、阻尼电抗、火花间隙、旁路开关和控制器；其中电容器串联接入输电线路中，相并联的阻尼电阻和阻尼电抗组成阻尼回路，火花间隙与旁路开关并联，火花间隙、阻尼回路、电容器相串联，电流互感器跨接在输电线路中测量输电线路的电流，电压互感器测量输电线路的电压并给控制器和旁路开关供电；电流互感器、电压互感器分别将其测量的电流信号、电压信号发送给控制器。

所述的电容器正常运行时，旁路开关断开，控制器通过电流互感器和电压互感器获得输电线路的电流和电压信号，获取输电线路的运行状态，判断输电线路是否存在故障。

所述当输电线路发生故障时，流过电容器的电流和其两侧电压发生变化，电流互感器和电压互感器将电流信号和电压信号输送到控制器。

当流过电容器的电流超过其额定运行电流的1.5倍时，控制器发出信号，控制旁路开关合闸将电容器旁路，实现电容器过压保护，待输电线路恢复正常供电后，流过电容器的电流恢复正常，控制器发出信号使旁路开关分闸，电容器投入运行。

所述当流过电容器的电流超过其额定运行电流的1.5倍时，电容器两侧出现过电压，火花间隙自击穿，电容器、阻尼回路与火花间隙组成放电回路，电容器开始放电。

在电容器放电时，阻尼回路抑制放电电流幅值和振荡频率，加快放电电流的衰减速度，保护电容器和火花间隙。

所述的控制器包括单片机系统、信息调理电路、键盘、指示灯和液晶显示器，单片机系统根据电流互感器发送的电流信号及电容器的容抗实时计算电容器两端的电压，当计算所得电压或电压互感器发送的电压超过设定值时控制器向旁路开关发出合闸指令。

一种用于配电网的串联电容补偿的方法，包括以下操作：

1）根据输电线路中负荷的分布情况及负荷大小确定用于电容补偿的电容器的位置和补偿容抗：

a)对于负荷仅分布在末端的输电线路，电容器设置在输电线路末端，其补偿容抗X_c，结合需要末端所需要的抬升电压量ΔU''由（3）式得到；

${\mathrm{\ΔU}}^{\″}=\frac{{\mathrm{QX}}_C}{U}+j\frac{{\mathrm{PX}}_C}{U}---\left(3\right)$

b)对于负荷分布均匀的输电线路，电容器设置在输电线路1/3～1/2范围内，结合需要末端所需要的抬升电压量ΔU''由（3）式得到；

c)对于复杂的辐射型线路，电容器补偿装置优化配置的目标函数设定为输电线路的电压畸变量最小：

$\mathrm{\φ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i=\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\left(\frac{U_i-U_n}{U_n}\right)}^2\mathrm{dt}=\mathrm{MIN}---\left(5\right)$

其中，m为输电线路总的负荷点数目，U_n为输电线路的额定电压，在线路中i处的电压U_i畸变量在时间T内的平均值φ_i为：

${\mathrm{\φ}}_i=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\left(\frac{U_i-U_n}{U_n}\right)}^2\mathrm{dt}---\left(4\right)$

由（5）式得到电容器的位置和补偿容抗；

2）确定电容器的位置和补偿容抗后，组装权利要求1所述的用于配电网的串联电容补偿的装置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的用于配电网的串联电容补偿装置，正常运行时旁路开关打开，电容器串联接入输电线路中，控制器通过电流互感器和电压互感器获取线路运行状态；发生故障时，控制器控制旁路开关闭合，电容器被旁路退出输电电网，保证线路正常运行。本发明提供的串联电容补偿装置可提高线路末端电压值、改善线路电压质量、降低电压闪变危害并提高线路的输电能力，尤其是为提高配电网电能质量，降低电压闪变危害提供了有效的技术手段。

本发明提供的用于配电网的串联电容补偿方法，根据不同的配电网来选择对应的电容补偿：根据输电线路中负荷的分布情况及负荷大小确定用于电容补偿的电容器的位置和补偿容抗；尤其是对复杂的辐射型线路，串联补偿装置优化配置的目标函数设定为线路的电压畸变量最小，实现了合理的电容补偿。

附图说明

图1为本发明的测量装置的结构示意图；

其中，1为输电线路；2为电流互感器；3为电容器；4为电压互感器；5为阻尼电阻；6为阻尼电抗；7为火花间隙；8为旁路开关；9为控制器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

由于输电线路存在电阻和电感，当电路中有电流流过时，线路首端和末端存在压降。采用简化的线路模型，线路的负荷均在线路末端，R为输电线路的电阻，X_C为输电线路的感抗值，此时线路压降：

$\mathrm{\ΔU}=\frac{\mathrm{PR}+Q{X}_L}{U}+j\frac{{\mathrm{PX}}_L-\mathrm{QR}}{U}---\left(1\right)$

线路中加入串联补偿装置时，容性阻抗X_C抵消了线路的部分感性电抗，从而起到调压的效果，串补装设之后线路压降：

${\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{SC}}=\frac{\mathrm{PR}+Q(X_L-X_c)}{U}+j\frac{P(X_L-X_C)-\mathrm{QR}}{U}---\left(2\right)$

末端电压的升高值为：

${\mathrm{\ΔU}}^{\″}=\frac{{\mathrm{QX}}_C}{U}+j\frac{{\mathrm{PX}}_C}{U}---\left(3\right)$

其中，ΔU''为末端所需要的抬升电压量，Q为输电线路的无功功率，U为输电线路的末端电压，P为输电线路的有功功率；

串联电容加入后，减少了线路的压降，提高了末端电压。将X_c/X_L的值定义为补偿度K=X_c/X_L，线路电感与电阻比值X_L/R较大的情况下，为了提高末端电压，补偿度一般要大于100%，即容性阻抗抵消线路的感性阻抗，并且补偿线路电阻的压降。

辐射型配电网的线路复杂，节点众多，合理选择串联补偿装置的容量及位置显得尤为重要。

本发明提出的用于配电网的串联电容补偿的方法，包括以下操作：

1）根据输电线路中负荷的分布情况及负荷大小确定用于电容补偿的电容器的位置和补偿容抗：

a)对于负荷仅分布在末端的输电线路

线路的负荷仅分布在线路的末端（如砖场，矿山等单负荷用户），串补装置的补偿效果与在线路的位置无关，但一般装在线路末端，靠近负荷处。对于补偿容抗X_c，根据需要提高的电压量ΔU''和公式（3）得到。

b)对于负荷分布均匀的输电线路

输电线路负荷分布比较均匀，串联补偿位置一般位于输电线路1/3～1/2范围内，可以抬升补偿点之后末端电压，使总的线路的电压跌落量减小。若补偿点位于线路末端，不能对线路中间的电压有补偿效果。根据末端所需要的抬升电压量ΔU''和公式（3）可以得到所需的补偿容抗X_c。

c)对于复杂的辐射型线路

配电网线路一般负荷点众多，结构复杂，多成辐射型分布。线路中电压跌落量随着线路与变电站距离的增加而增大，串联补偿的目的是为了线路的沿线电压，降低电压的低落量，因此各节点的电压畸变率（即各节点的电压低落量与额定电压的比值）达到最小，是优化配置串联补偿装置位置及容量的目标。串联补偿装置优化配置的目标函数设定为线路的电压畸变量最小。

在线路中i处的电压U_i畸变量在时间T（一般为24h）内的平均值φ_i为：

${\mathrm{\φ}}_i=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\left(\frac{U_i-U_n}{U_n}\right)}^2\mathrm{dt}---\left(4\right)$

其中，U_n为输电线路的额定电压。

目标函数为各节点处的电压畸变量φ率最小，即：

$\mathrm{\φ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i=\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\left(\frac{U_i-U_n}{U_n}\right)}^2\mathrm{dt}=\mathrm{MIN}---\left(5\right)$

其中，m为输电线路总的负荷点数目。

为简化线路模型，减少运算量，一般需要先将实际配电网线路进行简化处理，即将线路上分散的较小负荷集中于一点，辐射型线路的负荷简化为仅在输电主干线上的若干负荷点。通过求解上述公式（5）可以得到串补电容补偿装置的位置及补偿容抗，减少了计算的复杂程度。

2）确定电容器的位置和补偿容抗后，组装用于配电网的串联电容补偿的装置。

参见图1，本发明提供的用于配电网的串联电容补偿装置，包括：电流互感器2、电容器3、电压互感器4、阻尼回路5、阻尼电抗6、火花间隙7、旁路开关8和控制器9；其中电容器3串联接入输电线路1中，相并联的阻尼电阻5和阻尼电抗6组成阻尼回路，火花间隙7与旁路开关8并联，火花间隙7、阻尼回路、电容器3相串联，电流互感器2跨接在输电线路1中测量输电线路1的电流，电压互感器4测量输电线路的电压并给控制器9和旁路开关8供电；电流互感器2、电压互感器4分别将其测量的电流信号、电压信号发送给控制器9。

具体的，本装置主要由电流互感器2、电容器3、电压互感器4、阻尼回路5、阻尼电抗6、火花间隙7、旁路开关真空断路器8和控制器9组成。电容器3串联接入输电线路1中，阻尼电阻5和阻尼电抗6组成阻尼回路，火花间隙7与旁路开关8并联在一起且两者与阻尼回路及电容器3串联在一起，电流互感器跨接在线路1中，测量线路的电流，电压互感器4测量线路的电压并给控制器9和旁路开关8供电。

电容器3正常运行时（投入运行时），旁路开关8断开，控制器9通过电流互感器2和电压互感器4获得输电线路1的电流和电压值信号，分析线路的运行状态，获取输电线路1的运行状态，判断线路是否存在故障。

当输电线路1发生故障时，流过电容器3的电流和其两侧电压发生变化，电流互感器2和电压互感器4将电流信号和电压信号输送到控制器。

当流过电容器3的电流超过其额定运行电流的1.5倍时，控制器9发出信号，控制旁路开关8合闸将电容器3旁路，实现电容器过压保护，待输电线路1恢复正常供电后，流过电容器3的电流恢复正常，控制器9发出信号使旁路开关8分闸，电容器3投入运行。

当流过电容器3的电流超过其额定运行电流的1.5倍时，电容器3两侧出现过电压，火花间隙7自击穿，电容器3、阻尼回路与火花间隙7组成放电回路，电容器3开始放电。

具体的，当线路发生故障时，流过电容器的电流和两侧电压发生变化，电流互感器2和电压互感器4将电流信号和电压信号输送到控制器。当超过设定值时，控制器发出信号，控制旁路开关8合闸将电容器组旁路以实现电容器组最终过压保护，待线路恢复正常供电后控制器将自动使旁路开关8分闸，将串补电容装置投入运行。

所述的电容器参数根据工程的具体要求而定，应能满足线路补偿效果的需要。

所述的火花间隙用以保护电容器组，并联在电容器组的两侧，当电容器两侧出现过电压时，火花间隙击穿用以保护电容器，可采用自触发或受控触发等方式。

所述的阻尼回路包括阻尼电阻和阻尼电抗两个组成部分，阻尼回路与阻尼电抗并联。当电容器放电时，火花间隙击穿，电容器、阻尼回路与火花间隙组成放电回路，阻尼回路抑制放电电流幅值和振荡频率，加快放电电流的衰减速度，用以保护电容器和火花间隙。

所述的旁路开关为真空断路器，用于长时间旁路电容器组及保护火花间隙。当线路需要切断串联电容器组，以及电容器组发生故障需要退网等情况下，旁路开关闭合用以旁路整个串联补偿补偿装置，保证线路正常运行。电容器被短接并释放电能，阻尼回路起到抑制电容器短路电流的作用。

所述的电流互感器用以电流测量，获取线路实时的电流量，反馈给控制器，控制器实时监控线路电流，判断线路运行状态。所述的电压互感器为控制器提供工作电源，并为旁路开关真空断路器提供操作电源，且具有电压测量功能，输送线路电压参数到控制器。

所述的控制器包括单片机系统、信息调理电路、键盘、指示灯以及液晶显示器等模块。单片机系统可根据回路电流及容抗实时计算电容器两端的电压，当计算所得电压或电压互感器发送的电压超过设定值时则发出断路器合闸指令，有效保护电容器及火花间隙。

本发明提供的用于配电网的串联电容补偿装置，可提高线路末端电压值、改善线路电压质量、降低电压闪变危害并提高线路的输电能力，尤其是为提高配电网电能质量，降低电压闪变危害提供了有效的技术手段。

Claims (8)

1.一种用于配电网的串联电容补偿装置，其特征在于，包括：电流互感器（2）、电容器（3）、电压互感器（4）、阻尼回路（5）、阻尼电抗（6）、火花间隙（7）、旁路开关（8）和控制器（9）；其中电容器（3）串联接入输电线路（1）中，相并联的阻尼电阻（5）和阻尼电抗（6）组成阻尼回路，火花间隙（7）与旁路开关（8）并联，火花间隙（7）、阻尼回路、电容器（3）相串联，电流互感器（2）跨接在输电线路（1）中测量输电线路（1）的电流，电压互感器（4）测量输电线路的电压并给控制器（9）和旁路开关（8）供电；电流互感器（2）、电压互感器（4）分别将其测量的电流信号、电压信号发送给控制器（9）。

2.如权利要求1所述的用于配电网的串联电容补偿的装置，其特征在于，电容器（3）正常运行时，旁路开关（8）断开，控制器（9）通过电流互感器（2）和电压互感器（4）获得输电线路（1）的电流和电压信号，获取输电线路（1）的运行状态，判断输电线路（1）是否存在故障。

3.如权利要求2所述的用于配电网的串联电容补偿的装置，其特征在于，当输电线路（1）发生故障时，流过电容器（3）的电流和其两侧电压发生变化，电流互感器（2）和电压互感器（4）将电流信号和电压信号输送到控制器。

4.如权利要求2所述的一种用于配电网的串联电容补偿的装置，其特征在于，当流过电容器（3）的电流超过其额定运行电流的1.5倍时，控制器（9）发出信号，控制旁路开关（8）合闸将电容器（3）旁路，实现电容器过压保护，待输电线路（1）恢复正常供电后，流过电容器（3）的电流恢复正常，控制器（9）发出信号使旁路开关（8）分闸，电容器（3）投入运行。

5.如权利要求2所述的一种用于配电网的串联电容补偿的装置，其特征在于，当流过电容器（3）的电流超过其额定运行电流的1.5倍时，电容器（3）两侧出现过电压，火花间隙（7）自击穿，电容器（3）、阻尼回路与火花间隙（7）组成放电回路，电容器（3）开始放电。

6.如权利要求5所述的用于配电网的串联电容补偿的装置，其特征在于，在电容器（3）放电时，阻尼回路抑制放电电流幅值和振荡频率，加快放电电流的衰减速度，保护电容器（3）和火花间隙（7）。

7.如权利要求1所述的用于配电网的串联电容补偿的装置，其特征在于，所述的控制器（9）包括单片机系统、信息调理电路、键盘、指示灯和液晶显示器，单片机系统根据电流互感器（2）发送的电流信号及电容器（3）的容抗实时计算电容器（3）两端的电压，当计算所得电压或电压互感器（4）发送的电压超过设定值时控制器（9）向旁路开关（8）发出合闸指令。

8.一种用于配电网的串联电容补偿的方法，其特征在于，包括以下操作：

1）根据输电线路中负荷的分布情况及负荷大小确定用于电容补偿的电容器的位置和补偿容抗：

a)对于负荷仅分布在末端的输电线路，电容器设置在输电线路末端，其补偿容抗X_c，结合需要末端所需要的抬升电压量ΔU''由（3）式得到；

${\mathrm{\ΔU}}^{\″}=\frac{{\mathrm{QX}}_C}{U}+j\frac{{\mathrm{PX}}_C}{U}---\left(3\right)$

b)对于负荷分布均匀的输电线路，电容器设置在输电线路1/3～1/2范围内，结合需要末端所需要的抬升电压量ΔU''由（3）式得到；

c)对于复杂的辐射型线路，电容器补偿装置优化配置的目标函数设定为输电线路的电压畸变量最小：

$\mathrm{\φ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i=\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\left(\frac{U_i-U_n}{U_n}\right)}^2\mathrm{dt}=\mathrm{MIN}---\left(5\right)$

其中，m为输电线路总的负荷点数目，U_n为输电线路的额定电压，在线路中i处的电压U_i畸变量在时间T内的平均值φ_i为：

${\mathrm{\φ}}_i=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{\left(\frac{U_i-U_n}{U_n}\right)}^2\mathrm{dt}---\left(4\right)$

由（5）式得到电容器的位置和补偿容抗；

2）确定电容器的位置和补偿容抗后，组装权利要求1所述的用于配电网的串联电容补偿的装置。

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