CN106899024A - 一种应用于低压配电网络的低电压治理装置 - Google Patents

一种应用于低压配电网络的低电压治理装置 Download PDF

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田文林
杨洋
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Abstract

本发明公开了一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，目的在于，持了串联补偿调压效果明显和并联补偿输出容量连续可调的优点，能够有效解决低电压问题，所采用的技术方案为：包括并接在电源和负载间的串联补偿模块和并联补偿模块，串联补偿模块和并联补偿模块串接，所述串联补偿模块包括相并联的串联电容器组(C3)和旁路回路，所述串联电容器组(C3)包括若干个相并联的串联电容器，旁路回路采用两级旁路回路，所述并联补偿模块包括若干个相并联的并联电容器，并联电容器上均串联有复合开关，并联电容器的一端均接地。

Description

一种应用于低压配电网络的低电压治理装置
技术领域
本发明涉及配电网低电压治理领域，具体涉及一种应用于低压配电网络的低电压治理装置。
背景技术
合格的电压质量是电力用户生产生活的需要，也是供电企业保证电网安全、可靠和经济运行的重要条件。很多配电台区存在配电线路末端电压低、用户设备在用电高峰期无法正常工作等问题，如果进行线路改造，工程造价较高且工期较长，工作量较大；采用传统的并联电容器补偿装置进行电压调整，需要很大的装机容量，调整电压的同时又带来功率因数下降和网损增加的问题；为达到同样的电压提升效果，串联电容器补偿装置比并联补偿装置容量可大大降低，但串联电容器补偿装置只能根据负荷电流被动调压，当负荷电流小时电压提升效果较差，负荷电流大时又容易产生“过电压”的问题，且机械开关频繁动作极易损坏。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，保持了串联补偿调压效果明显和并联补偿输出容量连续可调的优点，能够有效解决低电压问题。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括并接在电源和负载间的串联补偿模块和并联补偿模块，串联补偿模块和并联补偿模块串接，所述串联补偿模块包括相并联的串联电容器组和旁路回路，所述串联电容器组包括若干个相并联的串联电容器，旁路回路采用两级旁路回路，所述并联补偿模块包括若干个相并联的并联电容器，并联电容器上均串联有复合开关，并联电容器的一端均接地。
所述并联补偿模块设置在电源侧，所述串联补偿模块设置在负载侧。
所述并联补偿模块靠近电源的一端设置有第二自动开关，串联补偿模块靠近负载的一端设置有第三自动开关，电源和负载间设置有第一自动开关。
所述并联补偿模块包括相并联的第一并联电容器和第二并联电容器，第一并联电容器串联有第一复合开关，第二并联电容器串联有第二复合开关。
所述串联补偿模块的串联电容器组包括两个相并联的串联电容器。
所述串联补偿模块的旁路回路包括相互并联的一级旁路开关和二级旁路开关。
所述二级旁路开关上串联有阻尼电阻。
所述串联电容器和并联电容器的额定电压为250V。
所述串联补偿模块和并联补偿模块连接至能够检测配电线路末端电气参数的串并联协调投切控制器。
与现有技术相比，本发明针对低压配电网络，采用串并联混合式主动调压，保持了串联补偿调压效果明显和并联补偿输出容量连续可调的优点，能够有效解决功率因数低、配电线路长等多种原因引起的低电压问题，保证各种工况下都能得到较好的低电压治理效果，且装置自身容量小，损耗低。
进一步，将并联补偿模块设置在电源侧，将串联补偿模块设置在负载侧，这样能够使并联补偿模块和串联补偿模块发挥各自的最大效果，且相互之间不会产生干扰，若将串补布置于电源侧，并补布置于负载侧，并补和串补的电压提升效果会互相抵消。
进一步，并联补偿模块由两组并联电容器组及其复合开关组成，其最大无功输出容量为QC。并联部分具有如下技术优势：一是用复合开关限制投切电容器的涌流，取消串联电抗器；二是电容器分成两组，可以实现三档输出，分别为0，1/2Qc和QC。
进一步，串联补偿模块由串联电容器组及其旁路回路组成，其串联部分的容抗为XC，具有如下技术特点：一是串联电容器组额定电压较高，从而取消了非线性电阻和保护间隙，从而简化了过电压保护；而是采用二级旁路方式，取消了阻尼电抗器，当控制器发出旁路命令后，二级旁路开关闭合，电容器通过阻尼电阻放电；二级旁路开关合闸完毕后一级旁路开关闭合，此时电容器已通过阻尼电阻放电，不会发生较大的放电电流，且一级旁路开关闭合后，线路电流全部通过一级旁路开关，不再流过电容器和阻尼电阻，不会产生损耗，解决了常规旁路回路的损耗问题，避免了旁路运行期间的插入损耗。
进一步，电容器的额定电压选择为250V，此时过载和承受短路过电压的能力大幅度提高，不需要配套过电压吸收设备，设备结构简单可靠。
进一步，串并联协调投切控制器实时监测配电线路末端电压和无功功率等电气参数，控制串联电容器组和并联电容器组的投入和退出，并且具备完善的保护功能，保证装置内部故障时从系统中可靠退出。
附图说明
图1为本发明的结构主接线图；
图2为输电线路等值电路图；
图3为并联补偿的等值电路图；
图4为串联补偿的等值电路图；
图5为采用本发明串并联混合式补偿的等值电路图；
图6为串补出口侧线路短路时电容器端电压仿真波形；
图7为传统阻尼放电回路示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。
参见图1，本发明包括并接在电源和负载间的串联补偿模块和并联补偿模块，串联补偿模块和并联补偿模块串接，并联补偿模块设置在电源侧，串联补偿模块设置在负载侧，并联补偿模块靠近电源的一端设置有第二自动开关QA2，串联补偿模块靠近负载的一端设置有第三自动开关QA3，电源和负载间设置有第一自动开关QA1。串联补偿模块和并联补偿模块连接至能够检测配电线路末端电气参数的串并联协调投切控制器。
串联补偿模块包括相并联的串联电容器组C3和旁路回路，串联电容器组C3包括两个相并联的串联电容器，旁路回路采用两级旁路回路，串联补偿模块的旁路回路包括相互并联的一级旁路开关KM1和二级旁路开关KM2，二级旁路开关KM2上串联有阻尼电阻R。并联补偿模块包括相并联的第一并联电容器C1和第二并联电容器C2，第一并联电容器C1串联有第一复合开关K1，第二并联电容器C2串联有第二复合开关K2，第一并联电容器C1和第二并联电容器C2的一端均接地。串联电容器和并联电容器的额定电压为250V。
参见图1，本发明串并联混合式低电压治理成套装置主要由串联补偿模块、并联补偿模块和串并联协调投切控制器三个部分组成，串联补偿模块由串联电容器组C3和由一级旁路开关KM1、二级旁路开关KM2和阻尼电阻R构成的旁路回路组成，其串联部分的容抗为XC。与应用于高压配电网络的串联电容器补偿装置相比，具有如下技术特点：一是串联电容器组额定电压较高，从而取消了非线性电阻(氧化锌限压器)、保护间隙，从而简化了过电压保护；而是采用二级旁路方式，取消了阻尼电抗器，避免了旁路运行期间的插入损耗。
并联补偿模块由两个并联电容器C1、C2及其复合开关K1、K2组成，其最大无功输出容量为QC。并联部分具有如下技术优势：一是用复合开关限制投切电容器的涌流，取消串联电抗器；二是电容器分成两组，可以实现三档输出，分别为0，1/2Qc和QC。
串并联协调投切控制器实施监测配电线路末端电压和无功功率等电气参数，控制串联电容器组和并联电容器组的投入和退出。并且具备完善的保护功能，保证装置内部故障时从系统中可靠退出。
无补偿时电压降落的分析：输电线路等值电路如图2所示，由于线路存在电阻R和电抗X，沿线产生电压损失ΔU1，电压损失计算公式如公式(1)所示：
仅采用并补时电压提升效果分析：采用并联补偿的等值电路如图3所示，补偿后电压损失计算公式如公式(2)所示，并联补偿提升电压幅度如公式(3)所示：
从公式(3)可以看出，并联补偿的电压提升效果与系统等值电抗XL密切相关，等值电抗XL越大，即系统短路容量越小时，电压提升效果越好；等值电抗XL越小，即系统短路容量越大时，电压提升效果越差。
仅采用串补时电压提升效果分析：采用串联补偿的等值电路如图4所示，补偿后电压损失计算公式如公式(4)所示，串联补偿提升电压幅度如公式(5)所示：
从公式(5)可以看出，串联补偿的电压提升效果与负荷无功Q密切相关，负荷无功Q越大，即功率因数越低时，电压提升效果越好；负荷无功Q越小，即功率因数越高时，电压提升效果越差。
串并联混合式补偿装置的电压提升效果分析：采用串并联混合式补偿装置的等值电路如图5所示，补偿后电压损失计算公式如公式(6)所示，串并联混合式补偿装置提升电压幅度如公式(7)所示：
从公式7可以看出，串并联补偿装置的电压提升效果由两部分组成，一部分是Qc在XL上产生的电压提升，另一部分是负荷无功在QC在串补XC上产生的电压提升，其电压补偿效果远高于单独采用串补或并补的技术方案。
串并联补偿装置主回路中将并补布置于电源侧，串补布置于负荷侧，可见各自设备的效果发挥到最大，且相互之间互不干扰；如果将串补布置于电源侧，并补布置于负荷侧，并补和串补的电压提升效果会互相抵消，不建议采用。
电容器参数设计：低压380V配电系统的串补额定补偿容抗一般较低，实际运行端电压一般在几十伏，因此，串联电容器的额定电压可以低于系统额定电压。补偿容抗XC＝1Ω的话，穿越电流I＝100A，正常运行电压为：UC＝IXC＝100×1＝100(V)
如果电容器额定电压UN选择为100V，则电容器选择为100V-10kvar即可，但存在如下困难：
1)电容器选型困难，目前低压电容器额定电压一般为230V及以上，没有低于200V的电容器可以选型；
2)需要短路时存在较大的短路电流穿过电容器，电容器端电压将急剧增大，如果电容器无法承受过电压，必须考虑增加过电压限制器等设备限制短路过电压。
本发明采用目前较为成熟可靠的电容器型号，额定电压选择为250V，此时过载和承受短路过电压的能力大幅度提高，不需要配套过电压吸收设备，设备结构简单可靠。图6为串补出口侧线路短路时电容器端电压仿真波形，从仿真结果可以看出，即使出现短路工况，短路电压有效值仅212V，低于其250V的额定电压，在串联电容器长期运行过电压范围以内，不需要采取额外的过电压保护措施。
无损耗阻尼放电回路设计：
串补旁路开关合闸时，如不加装阻尼回路，回路电阻很小，电容器将以高频、大幅值且衰减缓慢的周期性放电电流放电，这对电容器本身以及放电回路中其他设备都很不利。因此，在放电回路中接入阻尼电阻R。R的作用是限制电容器放电电流幅值，以及消耗放电能量，使放电电流很快衰减。L的作用是为了降低旁路开关合闸时工频负荷电流流过R时的有功损耗，适当选择R与L的比例，可使工频负荷电流主要从电抗中流过，而电容器高频放电电流主要从电阻中流过，常规阻尼放电回路如图7所示。传统阻尼回路存在如下三方面缺陷：
1)当旁路开关DL闭合时，工频负荷电流通过电阻R和电阻L，必然产生一定的插入损耗，损耗大小和阻尼回路参数和线路电流大小决定；
2)电阻器对放电电流起阻尼作用，电阻器阻值设计小了，会导致放电电流衰减不明显；电阻器阻值设计大了，会导致稳态损耗过大；电抗器同样存在这样的问题。传统阻尼回路的参数要在性能和损耗之间找到最佳平衡点，设计难度较高；
3)阻尼电抗器一般采用铁芯电抗器，体积大，重量大，不利于成套设备小型化和轻型化。
本发明采用一种新型的无损耗旁路回路，主要设备包括串联电容器组C3、阻尼电阻R、一级旁路开关KM1和二级旁路开关KM2，如图1所示。当控制器发出旁路命令后，二级旁路开关KM2闭合，电容器通过电阻器放电；KM2合闸完毕，KM1闭合，此时电容器已通过电阻放电，不会发生较大的放电电流，且KM1旁路后，线路电流全部通过KM1，不再流过电容器C3和电阻器R，不会产生损耗，解决了常规旁路回路的损耗问题。由于无损耗阻尼回路采用了两个旁路开关，因此也称为两级旁路回路。
电容器不平衡保护方案：由于低压串联电容器组的每相电容器台数较少(一相一台接线方式较为常见)，且三相电流不平衡问题较为严重，因此，常用的桥差、差动保护均无法使用，本装置采用特殊设计的“阻抗保护”，实现电容器内部故障的保护，分别测量电容器端电压和线路，计算其阻抗值，当其实际阻抗值与额定阻抗的偏差达到定值时，保护动作，将装置永久退出。
串并联回路协调控制策略：
自动投切功能：检测到线路电压低于投入定值时控制器向旁路接触器开关发出分闸指令，将串联补偿电容器串联到线路中；接触器分闸后，其串入并联电容器控制回路的常开节点闭合，将并联电容器投入系统。检测到线路电压高于切除定值时控制器向旁路接触器开关发出合闸指令，将串联补偿电容器串联到线路中；接触器合闸后，其串入并联电容器控制回路的常开节点打开，将并联电容器同步切除。
线路发生相间短路后的快速退出功能：当任何一相的线路二次电流有效值超过整定值时，控制系统立即在3ms之内向旁路接触器发出合闸指令，将串联电容器短接，将并联电容器同步切除。
过负荷保护：当保护测控装置检测到串补电容两端的电压有效值超过设计值立即向快速旁路开关发出合闸指令。
装置故障后的自动退出功能：当装置出现故障时，立即向快速旁路开关发出合闸指令，快速旁路开关在12ms之内合闸将补偿电容器短接。
本发明由串联和并联两部分组成，并联部分依靠容性无功功率Qc在系统电抗XL上产生电压提升，串联部分依靠负荷无功QL在串补XC上产生电压提升，其电压补偿效果远高于单独采用串补或并补的技术方案。串并联补偿装置主回路中将并补布置于电源侧，串补布置于负荷侧，可见各自设备的效果发挥到最大，且相互之间互不干扰。适用于复杂工况，无论是线路过长还是无功配置不合理引起的低电压问题均能取得显著的电压提升效果。
本发明采用目前较为成熟可靠的电容器型号，额定电压选择为250V，此时过载和承受短路过电压的能力大幅度提高，不需要配套过电压吸收设备，设备结构简单可靠。
本发明无损耗阻尼回路采用两级旁路方式，放电电流分为两个阶段，第一阶段为带阻尼放电，此时放电电流为非周期快速衰减电流，但电流衰减至大于零的某一值；第一阶段为无阻尼放电，由于电容器端电压已经大大降低，此时放电电流虽然为周期放电电流，但幅值很低，不会对开关和电容器造成危害。采用无损耗阻尼放电回路，设备体积、重量均明显下降，且不存在插入损耗，技术经济指标优越。
由于低压串联电容器组的每相电容器台数较少(一相一台接线方式较为常见)，且三相电流不平衡问题较为严重，因此，常用的桥差、差动保护均无法使用，本装置采用特殊设计的“阻抗保护”，实现电容器内部故障的保护。并联电容器分成两组，可以实现三档输出，分别为0，1/2Qc和QC。并联电容器采用复合开关控制投切，降低了投入涌流，省去了串联电抗器，节约了控制。采用串并联回路协调控制策略，串、并联回路协调工作，根据线路电压和电流自动投切，发生故障情况下自动退出。

Claims (9)

1.一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，其特征在于，包括并接在电源和负载间的串联补偿模块和并联补偿模块，串联补偿模块和并联补偿模块串接，所述串联补偿模块包括相并联的串联电容器组(C3)和旁路回路，所述串联电容器组(C3)包括若干个相并联的串联电容器，旁路回路采用两级旁路回路，所述并联补偿模块包括若干个相并联的并联电容器，并联电容器上均串联有复合开关，并联电容器的一端均接地。
2.根据权利要求1所述的一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，其特征在于，所述并联补偿模块设置在电源侧，所述串联补偿模块设置在负载侧。
3.根据权利要求2所述的一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，其特征在于，所述并联补偿模块靠近电源的一端设置有第二自动开关(QA2)，串联补偿模块靠近负载的一端设置有第三自动开关(QA3)，电源和负载间设置有第一自动开关(QA1)。
4.根据权利要求1所述的一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，其特征在于，所述并联补偿模块包括相并联的第一并联电容器(C1)和第二并联电容器(C2)，第一并联电容器(C1)串联有第一复合开关(K1)，第二并联电容器(C2)串联有第二复合开关(K2)。
5.根据权利要求1所述的一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，其特征在于，所述串联补偿模块的串联电容器组(C3)包括两个相并联的串联电容器。
6.根据权利要求1所述的一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，其特征在于，所述串联补偿模块的旁路回路包括相互并联的一级旁路开关(KM1)和二级旁路开关(KM2)。
7.根据权利要求6所述的一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，其特征在于，所述二级旁路开关(KM2)上串联有阻尼电阻(R)。
8.根据权利要求1所述的一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，其特征在于，所述串联电容器和并联电容器的额定电压为250V。
9.根据权利要求1所述的一种应用于低压配电网络的低电压治理装置，其特征在于，所述串联补偿模块和并联补偿模块连接至能够检测配电线路末端电气参数的串并联协调投切控制器。
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