CN201682288U - 矿用隔爆型动态无功补偿与谐波治理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种矿用隔爆型无功功率补偿真空电磁起动器。包括一次回路部分及二次控制回路部分。一次回路部分包括隔离开关、熔断器、电流互感器、双向晶闸管、电容器组、滤波器组。二次回路部分包括主电路、数据采集电路、晶闸管触发脉冲电路、通信电路、人机接口电路。本实用新型的优点是利用一套装置实现了煤矿低压电网的无功功率及高次谐波的一体化补偿及治理，采用双向晶闸管来投切电容器及滤波器，投切速度快，能够动态地跟踪负荷的频繁变化；投切选择在电压过零点时动作，从而避免了投切过程的涌流。本实用新型设计合理，工作可靠，具有较大的推广价值，可广泛应用于煤矿低压电网。

Description

矿用隔爆型动态无功补偿与谐波治理装置

技术领域

本实用新型涉及一种煤矿井下供电系统的动态无功补偿与谐波治理装置。

背景技术

目前，煤矿井下低压供电系统(1140V、660V)中普遍存在两大问题，一是综采、综掘及运输系统大功率电动机因供电距离远，压降大，造成启动困难，影响企业正常生产；二是无功损耗大，电量浪费相当严重，影响企业经济效益。造成以上问题的主要原因之一是电感性负载产生的无功功率而导致的功率因数降低。煤矿井下低压供电系统中的功率因数普遍在0.5～0.7之间，使得线路损耗大，终端电压偏低，端电压达不到额定值，加之负荷大，形成电动机启动时十分困难，甚至造成过流，欠压跳闸事故，同时在线路中消耗了大量的无功电能。

由于煤矿电网中的负荷大部分是感性负载，因此，在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率。并联电容器补偿简单经济，灵活方便。但当今煤矿中存在着大量无功功率频繁变化的设备，如采煤机、大型刮板输送机、泵站、转载机等，这些负荷的特点：功率大，启动频繁等。这就要求补偿装置能够根据负荷的变化进行动态补偿。而并联电容器只能补偿固定无功，容易造成过补或欠补，无法满足系统的实际需要，还有可能和系统发生并联谐振，导致谐波放大。因此，当前一般对电容器分组，利用微机进行控制，根据功率因数的变化，对电容器组进行自动投切，以实现对无功功率的自动补偿。

目前在煤矿井下低压电网中使用的无功自动补偿装置主要有以下缺陷：一是以交流接触器作为电容器的投切开关，它的主要缺点是开关速度较慢，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较严重的冲击涌流和操作过电压，从而造成交流接触器的接点烧毁或是补偿电容器的内部击穿，严重影响了装置自身的使用寿命；二是在控制方式上以功率因数作为检测量和控制目标，由于功率因数取样方式仅检测电网中的电压与电流的相位差，因此并不能准确反映电网中负荷的无功分量大小，轻载时容易造成投切震荡从而影响补偿装置的使用寿命以及电网和用户设备的安全运行。

与此同时，煤矿井下低压电网中的各种变频调速装置、整流器等负荷容量不断增长。大量电力电子功率器件及装置的应用，给矿井带来节能和能量转换的同时，也给供电网络造成了严重的污染，大量的谐波注入矿井电网，造成系统效率变低并对其他设备和装置产生扰动，威胁矿井电网的安全运行。对于煤矿低压电网来说，由于供电系统的结构和谐波的次数已经基本固定，因此一般采用由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波器来抑制谐波。而当前的无源滤波器一般采用以交流接触器作为投切开关，用人工方式固定投入使用，这种方式的主要缺陷是不能快速跟踪负载的变化，当产生谐波的负载切除时，滤波器不能及时切除，而且用接触器投切滤波器时会引起较严重的冲击涌流和操作过电压，从而造成交流接触器的接点烧毁或是滤波电容器的内部击穿，严重影响了装置自身的使用寿命。

发明内容

本实用新型的目的是克服上述缺陷并提供一种煤矿井下供电系统使用的隔爆型动态无功补偿与谐波治理装置，其具有测量、计算、存储记忆、动态补偿、过零投切、过压报警等功能，采用双向晶闸管来投切电容器及滤波器，对煤矿低压电网的无功功率及高次谐波实现一体化的补偿及治理。

本实用新型的技术方案是：

矿用隔爆型动态无功补偿与谐波治理装置包括一次回路部分及二次控制回路部分。一次回路部分包括隔离开关、熔断器、电流互感器、双向晶闸管、电容器组、滤波器组，熔断器一端通过隔离开关与供电线路连接，另一端通过并联的双向晶闸管连接电容器组和滤波器组。

隔离开关：在装置检修时将需要检修的电气设备与带电的电网可靠地隔离，以保证检修工作的安全。

熔断器：实现短路保护功能。

电流互感器：将供电线路的大电流变换成小电流用于二次回路采样。

双向晶闸管：实现电容器及滤波器的无触点投切。

电容器组：根据总补偿容量进行分组，由微机控制投切，以实现对无功功率的自动补偿。

滤波器组：是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波器来抑制谐波。

二次回路部分是动态无功补偿与谐波治理微机控制器，包括主电路、数据采集电路、晶闸管触发脉冲电路、通信电路、人机接口电路，数据采集电路一端连接一次回路中的电流互感器，另一端连接微机主电路的信号输入端，微机主电路连接晶闸管触发脉冲电路、通信电路、人机接口等电路，晶闸管触发脉冲电路与一次回路中的双向晶闸管连接。

微机主电路：主CPU芯片采用完全集成的混合信号系统级芯片C8051F，另配快速擦写存储器及实时时钟电路。C8051F是一种十分适合于测控系统的机型，其采用了流水线技术，指令的执行效率高，片内包括了看门狗、ADC、DAC、电压基准输出、定时器等多种资源，并集成JTAG，支持在线编程。快速擦写存储器(Flash)及实时时钟电路用来存储系统预设参数、事故记录并提供相应的时刻。

数据采集电路：包括电流、电压信号的电压形成、低通滤波保护电路、信号测量放大等电路，用于测量一次回路的电流和电压，并将信号送到微机主电路中的A/D转换器中。

晶闸管触发脉冲电路：CPU通过对测量结果分析、判断，决定是否输出触发脉冲进行无功补偿及滤波，即电容器组和滤波器的投切。为了避免投切过程中产生涌流，电容的投切选择在电网电压过零点时动作。

通信电路：采用RS485与上位机通信，主要用来进行电网运行参数和系统运行状态的数据输出，可与煤矿安全监测系统联网。

人机接口电路：由中文液晶显示模块、键盘等电路组成。键盘部分用于参数设定等功能，而液晶显示部分显示电网的运行状况，包括显示系统电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电容器、滤波器的投切状态等内容。

矿用隔爆型动态无功补偿与谐波治理装置进入工作状态后，微机主电路通过数据采集电路测量一次回路的电流和电压瞬时值，并进行数字滤波处理，实时计算出电网的电压、电流有效值及无功功率、有功功率、功率因数、谐波含量等参数。然后与保存在快速擦写存储器中的整定值相比较，当系统的无功功率大于装置的单组电容器值时就给晶闸管触发脉冲电路发出投入一组电容器指令；当系统的无功功率为容性时就给晶闸管触发脉冲电路发出切除一组电容器指令；当系统的谐波含量大于整定值时就给晶闸管触发脉冲电路发出投入滤波器指令，反之则切除滤波器。当电网出现过电压时，则通过晶闸管触发脉冲电路切除所有电容器及滤波器。

本实用新型的优点是利用一套装置实现了煤矿低压电网的无功功率及高次谐波的一体化补偿及治理，采用双向晶闸管来投切电容器及滤波器，投切速度快，能够动态地跟踪负荷的频繁变化；投切选择在电压过零点时动作，从而避免了投切过程的涌流。本实用新型设计合理，工作可靠，具有较大的推广价值。

上述所述矿用隔爆型动态无功补偿与谐波治理装置外部设有防爆外壳。

附图说明

图1本实用新型装置的电路原理框图；

图2本实用新型装置控制器的原理框图；

具体实施方式

实施例如图1、图2所示，矿用隔爆型动态无功补偿与谐波治理装置包括一次回路部分及二次控制回路部分。一次回路部分包括隔离开关、熔断器、电流互感器、双向晶闸管、电容器组、滤波器组，熔断器一端通过隔离开关与供电线路连接，另一端通过并联的双向晶闸管连接电容器组和滤波器组。二次回路部分是动态无功补偿与谐波治理微机控制器，包括主电路、数据采集电路、晶闸管触发脉冲电路、通信电路、人机接口电路组成，数据采集电路一端连接一次回路中的电流互感器，另一端连接微机主电路的信号输入端，微机主电路连接晶闸管触发脉冲电路、通信电路、人机接口等电路，晶闸管触发脉冲电路与一次回路中的双向晶闸管连接。

本实用新型为一种在煤矿井下供电系统使用的隔爆型动态无功补偿与谐波治理装置，其具有测量、计算、存储记忆、动态补偿、过零投切、过压报警等功能，采用双向晶闸管来投切电容器及滤波器，对煤矿低压电网的无功功率及高次谐波实现一体化的补偿及治理。如图1所示，装置的一次回路部分主要由隔离开关HK、熔断器FU、电流互感器CT、双向晶闸管SCR1～SCR16、电容器组1C～6C、滤波器组1LC～2LC等组成(虚线框内的电路均装在防爆外壳内部)。

装置的二次回路部分是动态无功补偿与谐波治理微机控制器，如图2所示，其主要由主电路、数据采集电路、晶闸管触发脉冲电路、通信电路、人机接口等路组成。主CPU芯片采用完全集成的混合信号系统级芯片C8051F020，其片内包括了看门狗、采样速率为100ksps的12位ADC、12位的DAC、电压基准输出、定时器等多种资源，并集成JTAG，支持在线编程。

矿用隔爆型动态无功补偿与谐波治理装置的隔离开关HK闭合，微机控制器上电复位并开始工作。一次回路的电流、电压通过隔离变换及电压形成、低通滤波保护电路、信号测量放大等数据采集电路后变为C8051F020片内ADC能够处理的0～2.5V电压信号，C8051F片内CPU定时采集ADC的转换输出来测量一次回路的电流和电压瞬时值，并进行数字滤波处理，实时计算出电网的电压、电流有效值及无功功率、有功功率、功率因数、谐波含量等参数。然后与保存在快速擦写存储器中的整定值相比较，当系统的无功功率大于装置的单组电容器值时就给晶闸管触发脉冲电路发出投入一组电容器指令，例如当要使电容器组1C投入时，使能C-10，C-11输出端，使双向晶闸管SCR1，SCR2在电压过零时导通，从而彻底克服了使用接触器投切时涌流大、电压冲击大、振动等缺点，并且使动态响应时间由使用接触器投切时的最快1秒提高到毫秒级(本装置的动态响应时间为t≥20mS)；当系统的无功功率为容性时就给晶闸管触发脉冲电路发出切除一组电容器指令，例如当要使电容器组1C切除时，应禁止C-10，C-11输出端，使双向晶闸管SCR1，SCR2截止；控制器按照“先接通的先分断”的循环投切顺序自动的对电容器组进行投入和切除控制，使电网的无功功率消耗保持在最低状态。当系统的谐波含量大于整定值时就给晶闸管触发脉冲电路发出投入滤波器指令，反之则切除滤波器。当电网出现过电压时，则通过晶闸管触发脉冲电路切除所有电容器及滤波器，并在显示报警信号，防止电容器在过电压条件下运行。

微机控制器计算出的电网各数值送中文液晶显示模块实时显示，装置需预设的参数如CT变比、每组电容器容量、过电压定值等保存在快速擦写存储器24C256中。键盘电路共有移位、调整、确认、退出四个键，程序设计时采用的键盘复用功能，配合中文菜单可方便地实现参数设置、时钟校准等工作。

本实用新型可广泛应用于煤矿低压电网。

Claims (1)

1.矿用隔爆型动态无功补偿与谐波治理装置，包括一次回路部分及二次控制回路部分，其特征在于一次回路部分包括隔离开关、熔断器、电流互感器、双向晶闸管、电容器组、滤波器组，熔断器一端通过隔离开关与供电线路连接，另一端通过并联的双向晶闸管连接电容器组和滤波器组；二次回路部分是动态无功补偿与谐波治理微机控制器，包括主电路、数据采集电路、晶闸管触发脉冲电路、通信电路、人机接口电路，数据采集电路一端连接一次回路中的电流互感器，另一端连接微机主电路的信号输入端，微机主电路连接晶闸管触发脉冲电路、通信电路、人机接口等电路，晶闸管触发脉冲电路与一次回路中的双向晶闸管连接。

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