CN201846088U - 一种带内部电参数测量及保护的智能电容器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带内部电参数测量及保护的智能电容器，包括单片机，所述单片机分别连接状态反馈电路、一组A/D转换器；所述接状态反馈电路依次连接开关以及电容器；所述每个A/D转换器连接电压互感器和电流互感器；所述单片机与所述开关之间还设有开关控制电路，通过控制所述开关的开闭，从而保证电容器在正常状态下工作。本实用新型通过对内部电参数的测量与保护能保证电路的工作可靠，保护电容器的工作稳定，并不易受损坏。

Description

一种带内部电参数测量及保护的智能电容器

技术领域

本实用新型公开了一种智能电容器，特别是一种能进行电容器投入后电参数采样、计算、显示，并控制输出的带内部电参数测量及保护的智能电容器。

背景技术

传统的自动无功补偿装置由智能无功控制器、熔丝、复合开关（或接触器）、热继电器、指示灯、低压电力电容器等多种分散器件组装而成。传统测控技术电气参数测量精度低，采样周期长。绝大部分控制器无谐波检测功能，保护功能不全，上下位机、同位机通讯能力不强。投切开关采用接触器投切电容时易产生高倍涌流与过电压，造成电气元件损坏；补偿速度慢，不可频繁投切，功耗、噪音大。现有复合开关“过零投切”技术指标不到位，可控硅保护功能不全，故障率高。

现有产品不具有内部电流及谐波测量保护功能，自诊断保护功能。而依靠空气开关、熔断器、热继电器等电气元件实现保护功能，保护配合差，保护可靠性低。而分立器件组装的成套补偿装置体积大，接线多，功耗大，安装耗时费力，维护不方便。单台装置柜体容量小，成本高，不利于扩容改造。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种带内部电参数测量及保护的智能电容器。

为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种带内部电参数测量及保护的智能电容器，包括单片机，所述单片机分别连接状态反馈电路、一组A/D转换器；所述接状态反馈电路依次连接开关以及电容器；所述每个A/D转换器连接电压互感器和电流互感器；所述单片机与所述开关之间还设有开关控制电路，通过控制所述开关的开闭，从而保证电容器在正常状态下工作。

本实用新型中，优选地，所述开关控制电路包括三极管N1、过零光耦U1、过零光耦U2，三极管N2、继电器K2、电容E1；所述状态反馈电路包括光耦U3、光耦U4、电阻R10、电阻R12；所述开关电路包括磁保持继电器K1、晶闸管Q1、晶闸管Q2, 晶闸管Q1与晶闸管Q2反并联后再与K1的触点并联，一端为电压输入端接电源，另一端为电压输出端接电容；所述三极管N1的基极与单片机连接，三极管N1的集电极连接的所述两个串联的过零光耦U1和过零光耦U2，在电压输出过零时，两个反并联的晶闸管Q1、晶闸管Q2导通；三极管N2的基极与单片机连接，集电极与继电器K2以及电容E1连接后串联磁保持继电器K1；两个并联的光耦U3和光耦U4的集电极与单片机连接，将当前的开关状态反馈给单片机。

本实用新型中，优选地，所述A/D转换器为三个，三相电中各相的电压互感器、电流互感器分别通过一个A/D转换器与单片机连接，用于测量电容器投切前后的电流和电压参数。

本实用新型中，优选地，所述AD转换器为型号为MCP3909的A/D转换器。

有益效果：本实用新型所述的带参数测量及保护的智能电容器通过低耐压的光耦串联电路进行光电隔离，在高电压的环境下使用时，为保证电路的工作可靠，对串联的光耦电路采用了电阻分压的静态均压保护，保护晶闸管导通和关闭时引起的电压浪涌不会使光耦受损坏。通过单片机控制过零光耦触发晶闸管导通和关闭，在晶闸管导通的状态下通过控制中间继电器吸合和分离，产生磁保持继电器驱动需要的正负脉冲，控制磁保持继电器闭合或断开。通过晶闸管和磁保持继电器的配合使用，控制无功电容的投入和切除。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本实用新型电气连接图。

图2为本实用新型中开关控制电路和开关电路的电路原理图。

具体实施方式

如1图所示，本实用新型公开了一种带内部电参数测量及保护的智能电容器，它包括单片机1，开关控制电路2，状态反馈电路3、开关4、电容器5以及AD转换器10；所述单片机1的UART接口与RS485接口7连接；所述单片机1的I/O接口和SPI接口分别与所述AD转换器10连接，AD转换器10还与电压互感器8、电流互感器9连接；所述单片机1依次与开关控制电路2，状态反馈电路3、开关4以及电容器5连接。三相电路中各相的电压互感器、电流互感器分别通过一个AD转换器与单片机1连接。所述AD转换器10为型号为MCP3909的AD转换器。单片机1的串行外设接口SPI与AD转换器连接，I/O接口与AD转换器连接进行增益控制。单片机1还设有ICD2接口6。本实用新型中电源通过开关电路进入智能电容器。

如图2所示，本实用新型公开了一种智能电容器控制装置，在单片机1和电容器5之间的开关控制电路2，并通过状态反馈电路3将当前开关状态反馈给单片机。所述电路和单片机MCU 1与电容器5相连。单片机MCU 1包含SA1_1和SA1_0两个控制信号输出作为开关控制电路2的输入，A1_STATE信号作为状态反馈电路3的输出给单片机1.。一个电压输入端PA1接电源，一个电压输出端PAOUT1输出到电容器。

一个控制信号SA1_1通过一个电阻R9与地相连，同时通过一个电阻R8与一个三极管N1基极相连。三极管N1的发射极连接到地，集电极与两个串联的可过零触发光耦U1、U2控制端相连。串联光耦U1的4脚和光耦U2的6脚相连，串联光耦U1的6脚通过二极管D2连接晶闸管Q1的门极，该二极管可保证加在Q1门极的电压为正向电压。串联光耦U2的4脚串接电阻R5，并通过二极管D3连接晶闸管Q2的门极。在串联光耦U1、U2的6脚和4脚之间分别加入一个分压电阻R3、R4组成一个静态均压电路。PAOUT1通过一个并联电阻R1、电容C1和二极管D1连接到U1的6脚，PA1通过一个并联电阻R6、电容C3和二极管D3连接到电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接到光耦U2的4脚。为保护晶闸管Q1、Q2免受过压、过电流损坏，其晶闸管阳极A、晶闸管阴极K两端并联了由电阻R2与电容C2组成的阻容吸收网络，并在PAOUT1的出线端加扼流圈L1吸收涌流。

一个控制信号SA1_0通过一个电阻R13与地相连，同时通过一个电阻R11与一个三极管N2基极相连。三极管N2的发射极连接到地，集电极连接到继电器K2控制线圈的一端2脚以及二极管D5阳极，D5的阴极与+5V电源相连。继电器K2控制线圈另一端5接电源+5V。继电器K2的常闭触点正向连接二极管D7到地，同时继电器K2的常闭触点还连接到磁保持继电器K1的信号端1。12V正向串接一个二极管D6到继电器K2的常开触点。继电器K2的公共端3，4接到电解电容E1的正端，电容E1的负端接磁保持继电器K1的信号端2。磁保持继电器的开关触点分别和PA1和PAOUT1连接。

状态输出信号A1_STATE连接至并联的两个普通光耦U3和U4的集电极，光耦U3和U4的发射极接地。PA1通过串联的两个限流电阻R10与R12连接到U3的阴极与U4的阳极。光耦U3的阳极与光耦U4的阴极连接到PAOUT1。

 本实用新型开关电路及控制电路：单片机通过控制SA1_1为高，三极管N1导通，过零光耦导通。在PA1、PAOUT1上交流电电压过零时，晶闸管Q1、Q2导通。SA1_0为高电平，三极管N2导通，继电器K2断开，12V对电容E1充电，磁保持继电器K1吸合。再将SA1_1置低，三极管N1关断，过零光耦不导通，在PA1、PAOUT1上交流电电流过零时，晶闸管Q1，Q2关断。从而完成开关的闭合以及电容器的投入。单片机通过控制SA1_1为高，三极管N1导通，过零光耦导通，在交流电PA1、PAOUT1电压过零时，晶闸管Q1，Q2导通，SA1_0为低电平，三极管N2截止，K2闭合，电容E1通过D7对地放电，磁保持继电器K1断开。再将SA1_1置低，三极管N1关断，过零光耦不导通，在PA1、PAOUT1上交流电电流过零时，晶闸管Q1，Q2关断，完成电容器的切除。

当开关处于闭合状态的时候，PA1、PAOUT1短路，光耦U3和U4被截止，A1_STATE输出高电平给单片机。当开关断开的时候，PA1、PAOUT1上为交流电， A1_STATE输出周期为10ms的脉冲信号。

开关控制电路：投入控制过程：单片机通过控制控制信号SA1_1为高，三极管N1导通，过零光耦导通，在PA1、PAOUT1上交流电压过零时，晶闸管Q1，晶闸管Q2导通。SA1_0为高电平，三极管N2导通，继电器K2断开，12V对电容E1充电，磁保持继电器K1吸合。再将SA1_1置低，三极管N1关断，过零光耦不导通，在PA1、PAOUT1上交流电流过零时，晶闸管Q1，Q2关断。

切除控制过程：单片机通过控制SA1_1为高，三极管N1导通，过零光耦导通，在交流电PA1、PAOUT1电压过零时，晶闸管Q1，Q2导通。SA1_0为低电平，三极管N2截止，继电器K2闭合，电容E1通过二极管D7对地放电，磁保持继电器K1断开。再将SA1_1置低，三极管N1关断，过零光耦不导通，在PA1、PAOUT1上交流电流过零时，晶闸管Q1，Q2关断。

由于光耦合器电压较低，本电路采用两个光耦U1和U2串联使用。并由于电子器件的离散性，为保证开关Q1、Q2、K1在开通关断过程中电压不全部作用在一个光耦U1或U2上，而采用了静态均压技术。该技术使得电路不会因为静态电压超过单个器件的最大电压范围而烧毁，从而提高了开关的可靠性。

本实用新型具有内部电参数检测和保护功能，电容器投入后的电压、电流、相位值可以准确测量。在长期运行后电容值衰减多少，智能电容器中的嵌入式程序经过高速高精度的采样计算可以计算得到，便于准确地进行无功补偿。

本实用新型具有谐波保护功能，外界有谐波干扰的情况下保证电容器能够安全工作。如果电容器长时间工作在有谐波干扰的电网中，会严重影响电容寿命，甚至烧毁电容，智能电容器中的嵌入式程序经过高速高精度的采样计算，当谐波总畸变率超过5%就将电容器切出电网保护。

本实用新型具有谐振保护功能。当电网谐波引起谐振的时候，电容器的电压电流会有较大的陡增。为避免电压、电流的冲击，当智能电容器内部的电压互感器与电流互感器采集到电压、电流值超过设定的阈值的时候，果断将电容器切出电网，从而起到在谐振环境下对电容保护的作用。

本实用新型的低压智能电容器是应用于0.4KV电网的新型无功补偿设备。它由CPU测控单元，晶闸管复合开关，保护装置，两台(△型)或一台(Y型)低压自愈式电力电容器组成一个独立完整的智能补偿装置单元。本实用新型的低压智能电容器组成的低压无功补偿装置具有补偿方式灵活、补偿效果好，装置体积小，功耗低，价格廉，安装维护方便，使用寿命长，保护功能强，可靠性高等特点，满足用户对无功补偿要切实达到提高功率因数、改善电压质量、节能降损的实际需求。

单台智能电容器使用时具有以下功能：

A、自动采集电容回路的电压、电流、功率、相位、谐波参数。

B、根据采集参数进行无功补偿控制算法运算，决定单台智能电容器的两级、循环投切。

C、具有过压、欠压、短路、过流、过谐波、三相不平衡、过温保护与自诊断功能。

D、含通讯接口，可上传电容器运行工况参数与补偿电路参数。

本实用新型的电气性能指标如下：

额定电压：230V或400V，额定频率：50±2Hz。功率消耗：＜3VA。

主回路绝缘强度：试验电压2500V1min,无闪络、击穿。

保护电路连续性：所有接地的元件与接地螺钉间有可靠的电气连接。

安全防护：装置的壳体、可能带电的金属件及要求接地的电器元件的金属座与接地螺钉间有可靠的电气连接。防护等级：IP43。

采样、控制电路防护：装置内置采样控制的电流回路使用专用的接线端子，电路一端有可靠接地。

满足《DL/T842-2003低压并联电容器装置使用技术条件》要求。

本实用新型电源影响如下：

当电源电压波动在-20%~+10％范围以内时，各项性能不变。

当电源波形总畸变率≤5%，各项性能不变。

当频率在48.5HZ~51.5HZ范围内变化时，各项性能不变。

本智能电容器应用如下。

（1）就地分散补偿应用：直接安装于负载控制柜内。一般负载容量100kw以下的常采用此补偿方式。常规配置比例为负载总功率25％～40％，选用一台或几台共补或分补相应容量的智能电容器模块。特点是就地补偿、接线简单，可靠性高，维护方便，投资少，节能降损效果显著。

（2）户外配电箱、配变的集中补偿应用：柱上挂于配电变压器旁。容量100KVA～315KVA的变压器常规配置比例为变压器容量的25％～35％，选用相应容量的智能电容器模块组合。特点是体积小，接线简单，可靠性高，维护方便，投资少，节能降损效果显著。

（3）箱式变集中补偿应用：安装在箱变低压室。根据美变或欧变的容量大小，箱变无功补偿容量一般为配变容量的25％～40％。选用若干台相应容量的共补或分补智能电容器模块组合。特点是节约空间，接线简单，可靠性高，维护方便，投资少，节能降损效果显著。

（4）低压成套柜集中补偿应用：根据要求的成套柜补偿容量，选用若干台容量相应的智能电容器模块联网组柜。特点是接线简单，维护方便，节约成本，单柜补偿容量大（可达800KVAR）。

本实用新型提供了一种带内部电参数测量及保护的智能电容器的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种带内部电参数测量及保护的智能电容器，包括单片机，所述单片机分别连接状态反馈电路、一组A/D转换器；所述接状态反馈电路依次连接开关以及电容器；所述每个A/D转换器连接电压互感器和电流互感器；其特征在于，所述单片机与所述开关之间还设有开关控制电路，通过控制所述开关的开闭，从而保证电容器在正常状态下工作。

2.根据权利要求1所述的一种带内部电参数测量及保护的智能电容器，其特征在于，所述开关控制电路包括三极管N1、过零光耦U1、过零光耦U2，三极管N2、继电器K2、电容E1；所述状态反馈电路包括光耦U3、光耦U4、电阻R10、电阻R12；所述开关电路包括磁保持继电器K1、晶闸管Q1、晶闸管Q2, 晶闸管Q1与晶闸管Q2反并联后与继电器K1的触点并联，一端为电压输入端接电源，另一端为电压输出端接电容；所述三极管N1的基极与单片机连接，三极管N1的集电极连接的所述两个串联的过零光耦U1和过零光耦U2，在电压输出过零时，两个反并联的晶闸管Q1、晶闸管Q2导通；三极管N2的基极与单片机连接，集电极与继电器K2以及电容E1连接后串联磁保持继电器K1；两个并联的光耦U3和光耦U4的集电极与单片机连接，将当前的开关状态反馈给单片机。

3.根据权利要求1所述的一种带内部电参数测量及保护的智能电容器，其特征在于，所述A/D转换器为三个，三相电中各相的电压互感器、电流互感器分别通过一个A/D转换器与单片机连接，用于测量电容器投切前后的电流和电压参数。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种带内部电参数测量及保护的智能电容器，其特征在于，所述AD转换器为型号为MCP3909的A/D转换器。

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