CN105048464B - 磁平衡消谐无功补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能电力设备及控制设备领域，具体涉及一种磁平衡消谐无功补偿装置及方法，通过检测器采集线路三相不平衡数据，并且存储和处理，控制在负载线路上的负载切换开关状态，由此控制检测器所接两条支路的接入状态，其中一条支路设置磁平衡消谐装置，根据检测器检测线路上的用电质量，出现异常时，检测器控制负载切换开关接入磁平衡消谐装置，切断原来支路，进行磁平衡消谐。该方法及装置具有以下优点：1、及时准确检测供电电能质量达到的经济运行，有效地降低原有电磁平衡节电器的运行损耗；2、方便投入和切出保障供电；3、可以有效减低空载损耗；4、适用于负载情况复杂，电网谐波较大的地方，增加供电可靠性。

Description

磁平衡消谐无功补偿装置及方法

技术领域

本发明提供一种磁平衡消谐无功补偿装置及方法，属于智能电力设备及控制设备领域。

背景技术

电力系统用电负荷，特别是生活小区、医院、学校、办公楼及不连续工作的厂矿，每天都在周而复始的进行着高峰-低谷-高峰多次变化，节假日期间更是白白浪费大量电量。

严重的电网污染和三相电压电源不平衡情况，加剧了电能的损耗并使用户受害。上述问题产生的主要原因有：以谐波为主的电网污染，电源中的高次谐波一部分是由市电产生，另一部分是低压电气及电子设备导致的，比如采用变频器节电技术，仅在单一设备上进行有效的节电，但其工作中会产生大量谐波，污染了电网。谐波不仅造成电能的浪费，而且，还会造成变压器因涡流及损耗的加大而过热、电动机过热及转矩下降，还会造成低压电容器柜中电容器过热、中性线电流增大等结果。

在低压线路中，由于存在单相以及高次谐波的影响，使三相负荷不平衡，造成一系列的危害：影响变压器、电机的安全经济运行，引起供配电网络相线及零线电能损耗加大；影响计算机正常工作、照明灯寿命缩短(电压过高)或照度偏低(电压过低)以及电视机的损坏等；对通信系统存在干扰，影响正常的通信质量。

现有的三相电磁平衡和消谐技术中，大多采用直接接入消谐变压器，其存在的不足是一次投入成本高。由于一直在线运行，前期投入巨大，消谐变压器本身就存在电能消耗问题。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种根据实时负载情况，检测到电能质量恶劣的情况下，自动处理电能谐波，实现三相电磁平衡的高可开靠性的磁平衡消谐无功补偿方法；本发明还提供一种可以实现该方法的根据负载情况自动切换净化供电质量的磁平衡消谐无功补偿装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述磁平衡消谐无功补偿装置，包括变压器，变压器二次侧连接负载，在变压器二次侧与负载之间的线路上设置顺次串联的投切开关和检测器，负载线路上设置两条并联支路，一条支路为负载切换开关，另一条支路为磁平衡消谐装置，检测器的输出端分别连接负载切换开关和磁平衡消谐装置，检测器切换接通两个支路的一个使之连接负载，所述磁平衡消谐装置包括由三根立柱组成的三角铁芯，每根立柱上均缠绕磁平衡线圈和消谐线圈，任选两个消谐线圈的首端之间串接消谐阻抗，所选两个消谐线圈的尾端分别与未选中线圈的首端和尾端相连。

使用时，首先闭合投切开关，设备进入运行状态，由检测器采集电网频率、电压偏差、三相电压不平衡度和电网谐波畸变率等三相数据，检测器预先设定电网谐波畸变率和三相不平衡度的上限值，如果测得的电网谐波畸变率或三相不平衡度大于其上限值，检测器切断负载切换开关，接入磁平衡消谐装置进行磁平衡消谐，如果测得的电网谐波畸变率不大于其上限值，检测器投入负载切换开关，变压器直接为负载供电，无需进行磁平衡消谐。

其中，优选方案为：

所述变压器二次侧连接功率补偿电路，功率补偿电路包括顺次串接的补偿切换开关和补偿电容，两者的串联支路采用三角形结构或星形结构接入，补偿切换开关与检测器连接，检测器预设功率因数标准值，如果测得的功率因数小于其标准值，检测器控制补偿切换开关闭合，投入补偿电容进行无功功率补偿，待功率因数恢复至标准值后再将补偿切换开关断开，三角形结构接入适用于三相三线线路，星形结构适用于三相四线线路。

所述投切开关、负载切换开关和补偿切换开关均采用IGBT功率开关，IGBT功率开关属于场效应管和三极管的复合型功率器件，热稳定性好、安全工作区大，适用于高压电路，具有较大的输入电阻和较小的输入电容，驱动功率低，开关速度高，对电网无污染。

所述三角铁芯为三个完全相同的矩形单框拼合成的等边三棱柱，内角互为60度，外角互为120度，磁平衡线圈分为磁平衡线圈A、B、C，磁平衡线圈A第一段缠绕在立柱A上，第二段缠绕在立柱B，第三段缠绕在立柱A上，磁平衡线圈A在立柱A、B上的缠绕方向相反，磁平衡线圈B第一段缠绕在立柱B上，第二段缠绕在立柱C，第三段缠绕在立柱B上，磁平衡线圈B在立柱B、C上的缠绕方向相反，磁平衡线圈C第一段缠绕在立柱C上，第二段缠绕在立柱A，第三段缠绕在立柱C上，磁平衡线圈C在立柱C、A上的缠绕方向相反，磁平衡线圈A、B和C的第三段上设有公共端，公共端连接至中性线，三个磁平衡线圈的第一段和第三段匝数相等，第二段匝数为第一段和第三段匝数之和，磁平衡线圈A首先在立柱A上顺时针缠绕，然后在立柱B上逆时针缠绕，最后再回到立柱A上进行顺时针缠绕，磁平衡线圈B、C的缠绕方式与磁平衡线圈A雷同，通电后，同一根立柱上磁平衡线圈内的电流相位相反，产生的磁通方向相反，相互抵消，中性线电流减少，消除不平衡；消谐线圈分为消谐线圈A、消谐线圈B和消谐线圈C，三者进行相同设置，且分别缠绕在立柱A、立柱B和立柱C上，在任意两个消谐线圈的首端之间串接消谐阻抗，所选两个线圈的尾端分别与未选中线圈的首端和尾端相连接，三个消谐线圈将三相电之间的相位差取出并通过消谐阻抗进行消耗，有效消除电路谐波。

所述检测器包括数据采集模块和控制芯片，数据采集模块输入端与变压器二次侧相连接，数据采集模块输出端与控制芯片相连接，控制芯片同时与负载切换开关相连接，数据采集模块实现电网频率、电压偏差、三相电压不平衡度和电网谐波畸变率等数据的采集、缓存，并将数据传送至控制芯片，控制芯片可采用单片机或PLC，控制芯片根据数据采集模块采集的数据控制负载切换开关和补偿切换开关的投切动作，由此实现电网的磁平衡消谐和无功补偿。

所述数据采集模块包括电流采集电路、电压采集电路和电能计量芯片，电流采集电路和电压采集电路输入端分别连接至变压器二次侧，电流采集电路和电压采集电路输出端连接至电能计量芯片输入端，电能计量芯片输出端连接至控制芯片，电流采集电路和电压采集电路采用领域内常用采集电路，电能计量芯片可采用ATT7022E计量芯片，在电能计量领域使用广泛，其中涉及的外围电路已被本领域技术人员熟知，在此不再赘述，另外，数据采集模块也可以采用具有通信端口的电能质量分析仪等其他兼顾电能质量检测和通信功能的现有电能质量检测设备。

本发明还提供一种利用上述磁平衡消谐无功补偿装置进行磁平衡消谐无功补偿方法，包括以下步骤：

(1)在变压器输出端与负载之间的线路上设置顺次串联的投切开关和检测器，投切开关闭合后检测器采集开始变压器输出线路三相数据，并且对采集到的数据进行存储和处理；

(2)在负载的线路上设置并联的两个支路，一条支路为负载切换开关，另一条支路磁平衡消谐装置，检测器控制负载切换开关的投切，以接通两个支路的一个使之连接负载；

(3)根据检测器采集的数据检测线路上的用电质量，三相平衡时，检测器控制负载切换开关闭合，变压器直接为负载供电，出现三相不平衡时，检测器控制负载切换开关断开，接入磁平衡消谐装置，进行磁平衡消谐。

上述步骤中，第一步执行过程中检测器所采集的三相数据包括电网频率、电压偏差、三相电压不平衡度和电网谐波畸变率等，与此同时，检测器还采集变压器的功率因数，变压器输出端设置功率补偿电路，由检测器设定功率因数标准值，当检测器测得的功率因数小于标准值时，启动功率补偿电路进行功率补偿；检测器预先设定电网谐波畸变率和三相不平衡度的上限值，如果测得的电网谐波畸变率或三相不平衡度大于其上限值，第三步执行过程中断开负载切换开关，接入磁平衡消谐装置进行磁平衡消谐，如果测得的电网谐波畸变率大于其上限值，第三步执行过程中闭合负载切换开关，无需进行磁平衡消谐。

所述检测器包括数据采集模块和控制芯片，数据采集模块用于采集、存储变压器输出线路三相数据，并将该数据传送至控制芯片进行处理，控制模块与负载切换开关相连接。

所述的负载切换开关和投切开关均采用IGBT功率开关，IGBT功率开关属于场效应管和三极管的复合型功率器件，热稳定性好、安全工作区大，适用于高压电路，具有较大的输入电阻和较小的输入电容，驱动功率低，开关速度高，对电网无污染。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

磁平衡消谐无功补偿方法通过检测负载运行电能质量参数，并且进行处理和控制磁平衡消谐装置的投入或者切除，使得：

1、该方法检测负载运行的电能质量的参数，能及时准确记录电能质量变化；

2、在电能质量优良的时候，直接接入负载，断开磁平衡消谐装置，有效避免空载损耗，节能、经济运行；

3、由于该方法是自动完成磁平衡消谐装置的切换工作不需要运行人员的复杂繁重倒闸操作，同时更重要的一条是减少了误操作，提高供电可靠性；

4、安装、改造原有供电线路方便，检测器安装和磁平衡消谐装置安装不会造成大面积停电，不会对原有供电系统产生损坏；

5、不同容量变压器根据负载运行规律循环被接入使用，提高整体变压器的寿命。

实现本方法的装置带来的有益效果还具有：适用于负载环境复杂的地方，特别是生活小区等，节约负载、空载损耗节能省电，增加供电可靠性，减少突发性停电。

附图说明

图1本发明实施例1方框图；

图2实施例1补偿电容连接电路图；

图3实施例3补偿电容连接电路图；

图4为本发明磁平衡消谐装置结构示意图。

图中：1、磁平衡线圈A；2、磁平衡线圈B；3、磁平衡线圈C；4、立柱A；5、立柱B；6、立柱C；7、消谐阻抗；8、消谐线圈A；9、消谐线圈B；10、消谐线圈C；11、补偿电容；12、补偿切换开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1所示，所述磁平衡消谐无功补偿装置，包括变压器，变压器二次侧连接负载，在变压器二次侧与负载之间的线路上设置顺次串联的投切开关和检测器，负载线路上设置两条并联支路，一条支路为负载切换开关，另一条支路为磁平衡消谐装置，检测器的输出端分别连接负载切换开关和磁平衡消谐装置，检测器切换接通两个支路的一个使之连接负载，所述磁平衡消谐装置包括由三根立柱组成的三角铁芯，每根立柱上均缠绕磁平衡线圈和消谐线圈，任选两个消谐线圈的首端之间串接消谐阻抗7，所选两个消谐线圈的尾端分别与未选中线圈的首端和尾端相连。

使用时，首先闭合投切开关，设备进入运行状态，由检测器采集电网频率、电压偏差、三相电压不平衡度和电网谐波畸变率等三相数据，检测器预先设定电网谐波畸变率和三相不平衡度的上限值，如果测得的电网谐波畸变率或三相不平衡度大于其上限值，检测器切断负载切换开关，接入磁平衡消谐装置进行磁平衡消谐，如果测得的电网谐波畸变率不大于其上限值，检测器投入负载切换开关，变压器直接为负载供电，无需进行磁平衡消谐。

其中，变压器二次侧连接功率补偿电路，功率补偿电路包括顺次串接的补偿切换开关12和补偿电容11，两者的串联支路采用三角形结构接入，如图2所示，补偿切换开关12与检测器连接，检测器预设功率因数标准值，如果测得的功率因数小于其标准值，检测器控制补偿切换开关12闭合，投入补偿电容11进行无功功率补偿，待功率因数恢复至标准值后再将补偿切换开关12断开，三角形结构接入适用于三相三线线路，星形结构适用于三相四线线路；投切开关、负载切换开关和补偿切换开关12均采用IGBT功率开关，IGBT功率开关属于场效应管和三极管的复合型功率器件，热稳定性好、安全工作区大，适用于高压电路，具有较大的输入电阻和较小的输入电容，驱动功率低，开关速度高，对电网无污染。

如图4所示，三角铁芯为三个完全相同的矩形单框拼合成的等边三棱柱，内角互为60度，外角互为120度，磁平衡线圈分为磁平衡线圈A、B、C，磁平衡线圈A1第一段缠绕在立柱A4上，第二段缠绕在立柱B5，第三段缠绕在立柱A4上，磁平衡线圈A1在立柱A、B上的缠绕方向相反，磁平衡线圈B2第一段缠绕在立柱B5上，第二段缠绕在立柱C6，第三段缠绕在立柱B5上，磁平衡线圈B2在立柱B、C上的缠绕方向相反，磁平衡线圈C3第一段缠绕在立柱C6上，第二段缠绕在立柱A4，第三段缠绕在立柱C6上，磁平衡线圈C3在立柱C、A上的缠绕方向相反，磁平衡线圈A、B和C的第三段上设有公共端，公共端连接至中性线，三个磁平衡线圈的第一段和第三段匝数相等，第二段匝数为第一段和第三段匝数之和，磁平衡线圈A1首先在立柱A4上顺时针缠绕，然后在立柱B5上逆时针缠绕，最后再回到立柱A4上进行顺时针缠绕，磁平衡线圈B、C的缠绕方式与磁平衡线圈A1雷同，通电后，同一根立柱上磁平衡线圈内的电流相位相反，产生的磁通方向相反，相互抵消，中性线电流减少，消除不平衡；消谐线圈分为消谐线圈A8、消谐线圈B9和消谐线圈C10，三者进行相同设置，且分别缠绕在立柱A4、立柱B5和立柱C6上，任选两个消谐线圈的首端之间串接消谐阻抗7，所选两个消谐线圈的尾端分别与未选中线圈的首端和尾端相连接，三个消谐线圈将三相电之间的相位差取出并通过消谐阻抗7进行消耗，有效消除电路谐波。

检测器包括数据采集模块和控制芯片，数据采集模块输入端与变压器二次侧相连接，数据采集模块输出端与控制芯片相连接，控制芯片同时与负载切换开关相连接，数据采集模块实现电网频率、电压偏差、三相电压不平衡度和电网谐波畸变率等数据的采集、缓存，并将数据传送至控制芯片，控制芯片可采用单片机或PLC，控制芯片根据数据采集模块采集的数据控制负载切换开关和补偿切换开关12的投切动作，由此实现电网的磁平衡消谐和无功补偿。

数据采集模块包括电流采集电路、电压采集电路和电能计量芯片，电流采集电路和电压采集电路输入端分别连接至变压器二次侧，电流采集电路和电压采集电路输出端连接至电能计量芯片输入端，电能计量芯片输出端连接至控制芯片，电流采集电路和电压采集电路采用领域内常用采集电路，电能计量芯片可采用ATT7022E计量芯片，在电能计量领域使用广泛，其中涉及的外围电路已被本领域技术人员熟知，在此不再赘述，另外，数据采集模块也可以采用具有通信端口的电能质量分析仪等其他兼顾电能质量检测和通信功能的现有电能质量检测设备。

实施例2：

本实施例提供一种利用实施例1进行磁平衡消谐无功补偿方法，包括以下步骤：

(1)在变压器输出端与负载之间的线路上设置顺次串联的投切开关和检测器，投切开关闭合后检测器采集开始变压器输出线路三相数据，并且对采集到的数据进行存储和处理；

(2)在负载的线路上设置并联的两个支路，一条支路为负载切换开关，另一条支路磁平衡消谐装置，检测器控制负载切换开关的投切，以接通两个支路的一个使之连接负载；

(3)根据检测器采集的数据检测线路上的用电质量，三相平衡时，检测器控制负载切换开关闭合，变压器直接为负载供电，出现三相不平衡时，检测器控制负载切换开关断开，接入磁平衡消谐装置，进行磁平衡消谐。

上述步骤中，第一步执行过程中检测器所采集的三相数据包括电网频率、电压偏差、三相电压不平衡度和电网谐波畸变率等，与此同时，检测器还采集变压器的功率因数，变压器输出端设置功率补偿电路，由检测器设定功率因数标准值，当检测器测得的功率因数小于标准值时，启动功率补偿电路进行功率补偿；检测器预先设定电网谐波畸变率和三相不平衡度的上限值，如果测得的电网谐波畸变率或三相不平衡度大于其上限值，第三步执行过程中断开负载切换开关，接入磁平衡消谐装置进行磁平衡消谐，如果测得的电网谐波畸变率大于其上限值，第三步执行过程中闭合负载切换开关，无需进行磁平衡消谐。

其中，检测器包括数据采集模块和控制芯片，数据采集模块用于采集、存储变压器输出线路三相数据，并将该数据传送至控制芯片进行处理，控制模块与负载切换开关相连接；负载切换开关和投切开关均采用IGBT功率开关，IGBT功率开关属于场效应管和三极管的复合型功率器件，热稳定性好、安全工作区大，适用于高压电路，具有较大的输入电阻和较小的输入电容，驱动功率低，开关速度高，对电网无污染。

实施例3：

如图3所示，本实施例在实施例1的基础上改变了补偿切换开关12和补偿电容11的接入方式，将原先的三角形结构改为星形结构，适用于三相四线制线路，本实施例其他结构与实施例1相同。

Claims (9)

1.一种磁平衡消谐无功补偿装置，包括变压器，变压器二次侧连接负载，其特征在于，在变压器二次侧与负载之间的线路上设置顺次串联的投切开关和检测器，负载线路上设置两条并联支路，一条支路为负载切换开关，另一条支路为磁平衡消谐装置，检测器的输出端分别连接负载切换开关和磁平衡消谐装置，检测器切换接通两个支路的一个使之连接负载，所述磁平衡消谐装置包括由三根立柱组成的三角铁芯，每根立柱上均缠绕磁平衡线圈和消谐线圈，任选两个消谐线圈的首端之间串接消谐阻抗(7)，所选两个消谐线圈的尾端分别与未选中线圈的首端和尾端相连；所述三角铁芯为三个完全相同的矩形单框拼合成的等边三棱柱，磁平衡线圈分为磁平衡线圈A、B、C，磁平衡线圈A(1)第一段缠绕在立柱A(4)上，第二段缠绕在立柱B(5)，第三段缠绕在立柱A(4)上，磁平衡线圈A(1)在立柱A、B上的缠绕方向相反，磁平衡线圈B(2)第一段缠绕在立柱B(5)上，第二段缠绕在立柱C(6)，第三段缠绕在立柱B(5)上，磁平衡线圈B(2)在立柱B、C上的缠绕方向相反，磁平衡线圈C(3)第一段缠绕在立柱C(6)上，第二段缠绕在立柱A(4)，第三段缠绕在立柱C(6)上，磁平衡线圈C(3)在立柱C、A上的缠绕方向相反，磁平衡线圈A、B和C的第三段上设有公共端，公共端连接至中性线。

2.根据权利要求1所述的磁平衡消谐无功补偿装置，其特征在于，所述变压器二次侧连接功率补偿电路，功率补偿电路包括顺次串接的补偿切换开关(12)和补偿电容(11)，两者的串联支路采用三角形结构或星形结构接入，补偿切换开关(12)与检测器连接。

3.根据权利要求2所述的磁平衡消谐无功补偿装置，其特征在于，所述投切开关、负载切换开关和补偿切换开关(12)均采用IGBT功率开关。

4.根据权利要求1所述的磁平衡消谐无功补偿装置，其特征在于，所述检测器包括数据采集模块和控制芯片，数据采集模块输入端与变压器二次侧相连接，数据采集模块输出端与控制芯片相连接，控制芯片同时与负载切换开关相连接。

5.根据权利要求4所述的磁平衡消谐无功补偿装置，其特征在于，所述数据采集模块包括电流采集电路、电压采集电路和电能计量芯片，电流采集电路和电压采集电路输入端分别连接至变压器二次侧，电流采集电路和电压采集电路输出端连接至电能计量芯片输入端，电能计量芯片输出端连接至控制芯片。

6.一种使用权利要求1所述的磁平衡消谐无功补偿装置进行磁平衡消谐无功补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在变压器输出端与负载之间的线路上设置顺次串联的投切开关和检测器，投切开关闭合后检测器采集开始变压器输出线路三相数据，并且对采集到的数据进行存储和处理；

(2)在负载的线路上设置并联的两个支路，一条支路为负载切换开关，另一条支路磁平衡消谐装置，检测器控制负载切换开关的投切，以接通两个支路的一个使之连接负载；

(3)根据检测器采集的数据检测线路上的用电质量，三相平衡时，检测器控制负载切换开关闭合，变压器直接为负载供电，出现三相不平衡时，检测器控制负载切换开关断开，接入磁平衡消谐装置，进行磁平衡消谐。

7.根据权利要求6所述的磁平衡消谐无功补偿方法，其特征在于，所述第一步中检测器同时采集变压器的功率因数，变压器输出端设置功率补偿电路，由检测器设定功率因数标准值，当检测器测得的功率因数小于标准值时，启动功率补偿电路进行功率补偿。

8.根据权利要求6所述的磁平衡消谐无功补偿方法，其特征在于，所述投切开关和负载切换开关均采用IGBT功率开关。

9.根据权利要求6所述的磁平衡消谐无功补偿方法，其特征在于，所述检测器包括数据采集模块和控制芯片，数据采集模块用于采集、存储变压器输出线路三相数据，并将该数据传送至控制芯片进行处理，控制模块与负载切换开关相连接。