CN105305470A - 配电网低压负荷平衡调节装置和自动换相开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网低压负荷平衡调节装置和自动换相开关，其中，所述配电网低压负荷平衡调节装置包括智能配变控制终端、三相负荷检测器和自动换相开关，其中，所述自动换相开关使用二极管作为电子电力开关，切换时间短，能够满足敏感负荷的要求，具有损耗极低、无需附加散热电路、体积小、节省成本等优点，并且实现了无弧切换，可以极大地延长接触器和辅助继电器的寿命。

Description

配电网低压负荷平衡调节装置和自动换相开关

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，特别涉及一种配电网低压负荷平衡调节装置和自动换相开关。

背景技术

三相负荷不平衡是低压配电网长期存在的生产实际问题，降低三相负荷不平衡度是供电企业提高运行管理水平的重要指标。低压配电网通常采用三相四线制供电模式，用户多为单相负荷或单相与三相混和负荷。无论是城市配网的居民小区、写字楼，还是农网的照明、水泵、机电等负荷，都呈现出较大的用电习惯差异性和不可预期性。由此所造成的低压三相负荷不平衡又会进一步带来较高的线损，因此，三相负荷不平衡难以有效完全消除，长期存在且危害严重。例如，在一台配变供电区域内，经常可见低压供电系统三相间的长期严重不平衡。这种不平衡不仅会增加线路及变压器的损耗，还会降低变压器的出力甚至影响变压器的安全运行。目前，针对三相负荷不平衡问题，通常采用的技术措施有：

1、将不对称负荷分散接在不同的供电点，以减少集中连接造成不平衡度严重超标的问题；

2、使用交叉换相等办法使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化；

3、改变网络，加大负荷接入点的短路容量或提高供电电压级别以提高系统承受不平衡负荷的能力；

4、装设平衡装置，如常用的无功功率补偿装置。

对于低压配电网来说，居民用户、商业写字楼或单相电动机的不平衡是不可预期的，毫无规律可言。因此，以上通过负荷预测进行负荷规划的方法或者无功功率补偿办法对于负载不平衡的改善都有一定的局限性，效果不佳。

近年来，随着电力电子技术和现代通讯技术的发展，众多厂家开始了对低压三相负荷不平衡控制技术的研究。国内较早提出一种三相负荷平衡控制开关柜，其技术是利用相位调整操作机构(一般为机械开关、交流触器或复合开关)改变相位的方式实现的相位切换，如图1所示。

申请号为201210187466.8的提出了一种低压三相负荷不平衡自动调整系统，该系统包括监控系统平台、监控终端、剩余电流断路器和自动换相开关。监控终端通过通信网络与监控系统平台连接，剩余电流断路器通过485通讯方式与监控终端连接，自动换向开关通过无线电力载波通讯方式与监控终端连接。此外，还有杭州得诚电力科技有限公司、中国电力科学研究院也提出相类似的技术方案。这些方案的共同特征是采用基于复合开关的自动换相开关和监测终端。

在以上技术方案中，核心器件是进行相位调整的换相开关。目前换相开关通常采用机械开关、交流触器或复合开关。

机械开关具有电压等级高、承受电流大、成本低廉的优点，但机械开关操作缓慢，合闸时间约在30～60ms，而且合闸时间不可控，电容器性质负荷的投入还会带来很大的涌流。

接触器是广泛用作控制电气设备闭合和开断的电子开关，它通过辅助接点来执行控制指令，间接操作主接点来开闭主电路。常用的电磁式交流接触器通过电磁吸合力控制主接点的开闭，触头位置容易起电弧，而且冲击电流大。接触器在吸合瞬间，吸引线圈需消耗比额定电流大5～7倍的电流，如果操作频率过高，则会使线圈严重发热，直接影响接触器的正常使用。

复合开关是结合了电力电子半导体(例如晶闸管)可控快速和机械开关优越电气性能两种优点的解决方案。能够避免机械开关动作缓慢、接触器不能频繁动作以及晶闸管损耗大的缺点。复合开关中的晶闸管只在接通与断开电容器的瞬间使用，损耗很小，无须考虑散热措施。复合开关中的机械开关可以使用交流接触器或磁保持继电器。磁保持继电器只有在接通或者断开瞬间控制线圈耗电，其余时间控制线圈不耗电，因此可以使补偿装置的损耗降至最小。但是由于使用晶闸管，设备成本较高，并且引入了晶闸管驱动电路后，需要精确实现过零触发，否则仍存在起弧，降低了设备的整体可靠性。现有工程运行经验来看，接触器触点仍会烧损。

通过上述描述可知，机械开关、交流触器或复合开关都存在各自的缺点，将这些开关用于变向时，也会相应地带来各种问题。

发明内容

为此，本发明提出一种配电网低压负荷平衡调节装置和自动换相开关，可充分地消除由于现有技术的限制和缺陷导致的一个或多个问题。

本发明另外的优点、目的和特性，一部分将在下面的说明书中得到阐明，而另一部分对于本领域的普通技术人员通过对下面的说明的考察将是明显的或从本发明的实施中学到。通过在文字的说明书和权利要求书及附图中特别地指出的结构可实现和获得本发明目的和优点。

本发明提供了一种配电网低压负荷平衡调节装置，包括智能配变控制终端、三相负荷检测器和自动换相开关，其特征在于，

所述三相负荷检测器安装在配电网低压侧各供电支路上，其检测三相输电线路电量，并通过通信总线将检测到的三相输电线路电量传送给所述智能配变控制终端；

所述智能配变控制终端对三相负荷检测器检测到的三相输电线路电量进行处理，计算出三相不平衡度，做出负荷控制策略并且向所述自动换相开关发出切换指令；

所述自动换相开关根据所述智能配变控制终端的指令执行换相操作，将重负荷相的负荷切换至轻负荷相，以实现负荷的三相平衡，其中，所述自动换相开关使用二极管作为电子电力开关。

优选的，所述自动换相开关使用二极管作为电力电子开关，其由A相换相开关、B相换相开关、C相换相开关、电流互感器、切换开关控制电路和通信总线组成，所述A相换相开关与A相线连接，所述B相换相开关与B相线连接，所述C相换相开关与C相线连接，所述A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关并联后与所述电流互感器和切换开关控制电路依次串联；所述A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关结构相同，均包括一个接触器、一个辅助继电器和一个二极管，其中，所述二极管的负极与辅助继电器串联后与接触器并联。

优选的，所述控制电路利用电流互感器检测负荷电流进行系统状态判断，并根据智能配变控制终端的切换指令，切换开关控制电路产生控制信号，控制接触器和辅助继电器的通断电。

优选的，所述自动换相开关通过通信总线与所述智能配变控制终端进行通信。

优选的，所述通信总线为485总线。

优选的，所述三相负荷检测器为电流电压互感器。

本发明还提供了一种自动换相开关，其特征在于，所述自动换相开关使用二极管作为电力电子开关，其由A相换相开关、B相换相开关、C相换相开关、电流互感器、切换开关控制电路和通信总线组成，所述A相换相开关与A相线连接，所述B相换相开关与B相线连接，所述C相换相开关与C相线连接，所述A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关并联后与所述电流互感器和切换开关控制电路依次串联；所述A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关结构相同，均包括一个接触器、一个辅助继电器和一个二极管，其中，所述二极管的负极与辅助继电器串联后与接触器并联。

优选的，所述控制电路利用电流互感器检测负荷电流进行系统状态判断，并根据智能配变控制终端的切换指令，切换开关控制电路产生控制信号，控制接触器和辅助继电器的通断电。

优选的，所述自动换相开关通过通信总线与所述智能配变控制终端进行通信。

优选的，所述通信总线为485总线。

本发明具有以下优点：

1、使用一种全新的三相自动换相开关。

智能切换开关使用二极管作为电力电子开关，在开关闭合过程中，二极管正向电压大于0.7V即可导通，无需附加的触发信号，简化了控制电路，同时也提高了设备可靠性。二极管仅在开关接通和断开的瞬间工作，在开关断开状态由辅助继电器承受耐压，在开关闭合状态由接触器承受电流，所以损耗极低，无需附加散热电路。而且与晶闸管相比，二极管的成本和体积占据明显的优势。

在整个切换过程中，二极管起到保护辅助继电器触点和接触器触点的双重作用，辅助继电器和接触器可以互相保护，实现了无弧切换，可以极大地延长接触器和辅助继电器的寿命。

由于二极管自然导通与截止的特性，以及辅助继电器和接触器的无弧切换，智能切换开关的操作时间理论上最大为半个周波(10ms)。如果进行三相供电系统相间切换，切换时间最长为3.3ms，能够满足敏感负荷的要求。

2、装置扩容性良好。装置采用采用RS485通讯总线技术。增加线路时，装置很容易实现扩容。

附图说明

图1为现有技术中的三相负荷平衡控制换相开关的原理示意图。

图2为根据本发明实施例的、配电网低压负荷平衡调节装置的结构示意图。

图3为根据本发明实施例的、自动换相开关的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

如图2所示，本发明提供的配电网低压负荷平衡调节装置包括智能配变控制终端、三相负荷检测器(未示出)和自动换相开关。

所述三相负荷检测器安装在配电网低压侧各供电支路上，其检测三相输电线路电量，并通过通信总线将检测到的三相输电线路电量传送给所述智能配变控制终端。优选的，所述三相负荷检测器为电流电压互感器，其将检测到的负荷的电流和电压传送给智能配变控制终端。

所述智能配变控制终端是利用现代数字信号处理技术，能够实现配变状态监测、负荷不平衡控制策略、无功补偿控制、报表、计量、远方系统通讯的高集成度、高智能化控制终端。具体的，所述智能配变控制终端对三相负荷检测器检测到的三相输电线路电量进行处理，计算出三相不平衡度，做出负荷控制策略并且向所述自动换相开关发出切换指令，将重负荷相的负荷切换至轻负荷相，以实现负荷的三相平衡。其中，当计算出的三相不平衡度超过某个阈值时，认为存在三相负荷不平衡的问题，需要做出负荷控制策略。所述做出负荷控制策略具体可以为：建立典型的0—1整数规划数学模型，该数学模型为Z函数；求出解的集合中各解点的Z值；然后将Z值按大小排序；最后按序检验每个解的可行性，如求极大化，则从Z值最大的解开始检验；如求极小化，则从Z值最小的解开始检验。在检验中发现的第一个可行解即为最优解。进一步地举例说明，若此时有n个在网的可调整负荷，则相对应的有3n个开关状态变量，会产生23n个解点(变量组合)，求出这些相互独立状态产生的目标函数Z值；其次，将所有解点按Z值从小到大的顺序排列。最后，按顺序找符合约束条件的解点，Z值最小的变量组合对应的开关状态组合方案即为最优的电力负荷调整方案，即最优的三相间负荷分配组合。以上只是示例性的说明，本领域技术人员可以采用其他方法来计算三相不平衡度以及制定负荷不平衡控制策略。

所述自动换相开关根据所述智能配变控制终端的指令执行换相操作，将重负荷相的负荷切换至轻负荷相，以实现负荷的三相平衡。

如图3所示，所述自动换相开关使用二极管作为电力电子开关，其由A相换相开关、B相换相开关、C相换相开关、电流互感器、切换开关控制电路和通信总线组成，所述A相换相开关与A相线连接，所述B相换相开关与B相线连接，所述C相换相开关与C相线连接，所述A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关并联后与所述电流互感器和控制电路依次串联；所述A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关结构相同，均包括一个接触器(K11、K21、K31)、一个辅助继电器(K12、K22、K32)和一个二极管(D1、D2、D3)，其中，所述二极管(D1、D2、D3)的负极与辅助继电器(K12、K22、K32)串联后与接触器(K11、K21、K31)并联。所述自动换相开关通过通信总线与所述智能配变控制终端进行通信，所述控制电路利用电流互感器TA检测负荷电流进行系统状态判断，并根据智能配变控制终端的切换指令，切换开关控制电路SCU产生控制信号，控制接触器(K11、K21、K31)和辅助继电器(K12、K22、K32)的通断电。

优选的，本发明所采用的通信总线为485总线。

例如，当从A相线切换到B相线时，工作过程如下：

1、智能配变控制终端下发从A相线切换到B相线的命令。控制电路SCU通过通信总线(例如RS485协议)接收到此切换命令。

2、断开A相换相开关(S1)。当控制单元SCU接到开关断开指令后，SCU先控制继电器K12闭合，由于K11处于闭合状态，K12闭合后没有电流通过K12的触点；在电路电流为正半周时，SCU控制接触器K11断电，接触器K11的触点将断开，随着K11触点距离的增加，触点两端的电压也增加，当电压超过二极管D1的导通电压时，二极管D1将导通，并把K11触点分离过程中触点承受的电压钳位在0.7V以下，K11触点在电流正半周内完全断开；当电流为负半周期时，SCU控制辅助继电器K12断开，在电流的负半周期，二极管D1反向偏置不导通，没有电流通过负荷，辅助继电器K12在电流负半周期内完成断开，即智能开关S1完成了断开过程。在开关S1断开的过程中，触点K11承受的电压不超过0.7V，触点不会发生拉弧。辅助继电器在断开时由于没有电流通过，而且反向电压都加在二极管上，所以辅助继电器在断开时触点也不会产生拉弧。

3、闭合B相换相开关(S2)。SCU控制继电器K22在电压的负半周通电，继电器触点在电压负半周的时候稳定闭合，由于二极管D2反向偏置，触点闭合过程中没有电流通过，智能开关S2还处于断开状态；当电源电压过零后，二极管D2迅速导通，负荷开始有电流流过，同时SCU控制接触器K21通电，K21的触点在二极管D2正向导通期间完成稳定闭合，即完成了智能开关S2的闭合过程。在S2触点闭合的过程中，触点之间的距离从完全断开的最大到完全闭合期间，触点承受的电压仅为二极管D2的正向电压0.7V，不会产生浪涌电流或起弧。

本发明的自动切换开关使用二极管作为电力电子开关，在开关闭合过程中，二极管正向电压大于0.7V即可导通，无需附加的触发信号，简化了控制电路，同时也提高了设备可靠性。二极管仅在开关接通和断开的瞬间工作，在开关断开状态由辅助继电器承受耐压，在开关闭合状态由接触器承受电流，所以损耗极低，无需附加散热电路。而且与晶闸管相比，二极管的成本和体积占据明显的优势。

在整个切换过程中，二极管起到保护辅助继电器触点和接触器触点的双重作用，辅助继电器和接触器可以互相保护，实现了无弧切换，可以极大地延长接触器和辅助继电器的寿命。

由于二极管自然导通与截止的特性，以及辅助继电器和接触器的无弧切换，智能切换开关的操作时间理论上最大为半个周波(10ms)。如果进行三相供电系统相间切换，切换时间最长为3.3ms，能够满足敏感负荷的要求。

另外，本发明的装置扩容性良好。装置采用采用RS485通讯总线技术。增加线路时，装置很容易实现扩容。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种配电网低压负荷平衡调节装置，包括智能配变控制终端、三相负荷检测器和自动换相开关，其特征在于，

所述三相负荷检测器安装在配电网低压侧各供电支路上，其检测三相输电线路电量，并通过通信总线将检测到的三相输电线路电量传送给所述智能配变控制终端；

所述智能配变控制终端对三相负荷检测器检测到的三相输电线路电量进行处理，计算出三相不平衡度，做出负荷控制策略并且向所述自动换相开关发出切换指令；

所述自动换相开关根据所述智能配变控制终端的指令执行换相操作，将重负荷相的负荷切换至轻负荷相，以实现负荷的三相平衡，其中，所述自动换相开关使用二极管作为电子电力开关。

2.根据权利要求1所述的配电网低压负荷平衡调节装置，其特征在于，所述自动换相开关使用二极管作为电力电子开关，其由A相换相开关、B相换相开关、C相换相开关、电流互感器、切换开关控制电路和通信总线组成，所述A相换相开关与A相线连接，所述B相换相开关与B相线连接，所述C相换相开关与C相线连接，所述A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关并联后与所述电流互感器和切换开关控制电路依次串联；所述A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关结构相同，均包括一个接触器、一个辅助继电器和一个二极管，其中，所述二极管的负极与辅助继电器串联后与接触器并联。

3.根据权利要求2所述的配电网低压负荷平衡调节装置，其特征在于，所述控制电路利用电流互感器检测负荷电流进行系统状态判断，并根据智能配变控制终端的切换指令，切换开关控制电路产生控制信号，控制接触器和辅助继电器的通断电。

4.根据权利要求2所述的配电网低压负荷平衡调节装置，其特征在于，所述自动换相开关通过通信总线与所述智能配变控制终端进行通信。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的配电网低压负荷平衡调节装置，其特征在于，所述通信总线为485总线。

6.根据权利要求5所述的配电网低压负荷平衡调节装置，其特征在于，所述三相负荷检测器为电流电压互感器。

7.一种自动换相开关，其特征在于，所述自动换相开关使用二极管作为电力电子开关，其由A相换相开关、B相换相开关、C相换相开关、电流互感器、切换开关控制电路和通信总线组成，所述A相换相开关与A相线连接，所述B相换相开关与B相线连接，所述C相换相开关与C相线连接，所述A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关并联后与所述电流互感器和切换开关控制电路依次串联；所述A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关结构相同，均包括一个接触器、一个辅助继电器和一个二极管，其中，所述二极管的负极与辅助继电器串联后与接触器并联。

8.根据权利要求7所述的自动换相开关，其特征在于，所述控制电路利用电流互感器检测负荷电流进行系统状态判断，并根据智能配变控制终端的切换指令，切换开关控制电路产生控制信号，控制接触器和辅助继电器的通断电。

9.根据权利要求7所述的自动换相开关，其特征在于，所述自动换相开关通过通信总线与所述智能配变控制终端进行通信。

10.根据权利要求7-9中任意一项所述的自动换相开关，其特征在于，所述通信总线为485总线。