CN209344787U - 一种电力电容器合闸涌流抑制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电力电容器合闸涌流抑制装置，在三相断路器合闸之前，给三相电容器的至少之一相进行预充电；当预充电的电容器的两端电压充电至预设电压时，测量三相断路器电网侧测量点的相位角；当三相断路器电网侧测量点的相位角达到预设相位时，控制三相断路器合闸投入三相电容器。本实用新型实施例通过预充电消除电容器投入之后电路中电流的暂态分量，从而使三相电容器投入电路之后的电流不经过暂态过程或经过很短暂的暂态过程快速进入稳态，从而实现合闸涌流的抑制，对电容器可进行单相、两相或三相预充电，其充电方式灵活多样。

Description

一种电力电容器合闸涌流抑制装置

技术领域

本实用新型涉及电力控制技术领域，具体涉及一种电力电容器合闸涌流抑制装置。

背景技术

并联电容器组作为电力系统中重要的无功补偿装置，用于改善电网的功率因数、提高电能质量，由于其具有成本低、便于安装和维护等优点，使其成为目前电力系统中应用最为广泛的无功补偿装置之一。

并联电容器组的投入过程中的暂态现象会导致较大的合闸涌流。合闸涌流的产生是由于在电容器处于未充电状态时，在合闸瞬间流过电容器电流只受其回路阻抗的限制，而此时回路的阻抗极小，因此，所产生的合闸涌流理论上将会极大，涌流最大值发生在合闸瞬间。目前对于抑制并联电容器合闸涌流的方法有：采用串联电抗器、使用合闸电阻投切开关、应用选相合闸技术、应用晶闸管投切电容器技术。采用串联电抗器和合闸电阻投切开关的方法，仍然会产生较大涌流，抑制效果并不理想，应用选相合闸技术在选相开关在使用上具有一定的局限性，应用晶闸管投切电容器技术成本高、功耗大对于我国的大规模、长线路的电网不太实用。

实用新型内容

因此，本实用新型提供一种电力电容器合闸涌流抑制装置，克服现有技术中涌流抑制不理想的缺陷。

本实用新型实施例提供一种电力电容器合闸涌流抑制装置，应用于交流配电网，所述交流配电网包括三相交流电源、三相断路器、串联电抗器及三相电容器，其特征在于，包括：预充电模块、预充电电压测量模块、相位角检测模块及控制模块，其中，

所述预充电模块与三相电容器中的至少一相并联，用于在所述三相断路器合闸前对所述三相电容器的至少之一预充电至预设电压；所述预充电电压测量模块与进行预充电的电容器及所述控制模块连接，用于采集所述进行预充电的电容器两侧电压；所述相位角检测模块分别与三相断路器电网侧测量点及所述控制模块连接，用于采集所述三相断路器电网侧测量点的相位角；所述控制模块，用于当检测到的所述预充电电压达到所述预设电压，并且所述相位角达到预设相位时，控制所述三相断路器合闸，投入所述三相电容器。

优选地，所述三相交流电源为星型中性点非有效接地连接，所述三相电容器的无功补偿侧为星型中性点非有效接地连接。

优选地，所述预充电模块的充电模式为单相预充电模式时，所述预充电模块与三相电容器的其中之一相并联。

优选地，所述预充电模块的充电模式为两相预充电模式时，所述预充电模块与三相电容器的其中两相并联。

优选地，所述预充电模块的充电模式为三相预充电模式时，所述预充电模块与三相电容器的三相并联。

优选地，所述预充电模块为输出稳定高压直流的装置。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型提供的电力电容器合闸涌流抑制装置，通过预充电使投入电容器之后的三相电流暂态分量为零或者最小，使合闸之后的三相电流经历很短暂的暂态过程达到稳态，对于合闸涌流的抑制效果十分明显。

2.本实用新型提供的电力电容器合闸涌流抑制装置，通过开关装置控制预充电模块给电容器充电，直接将预充电装置并联接在电容器两端即可投入使用，可对电容器组进行单相预充电，对于原来的电网线路结构以及电气设备不需要做任何改变。

3.本实用新型提供的电力电容器合闸涌流抑制装置，其中的预充电模块，具有输出稳定直流高压与低功率的特点，其内部可以根据需要做到体积很小，便于运输与安装。

4.本实用新型提供的电力电容器合闸涌流抑制装置，可以对三相电容器进行单相、两相、三相预充电，其充电方式灵活多样。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的电力电容器合闸涌流抑制装置一个具体示例的组成图；

图2为本实用新型实施例提供的中性点非有效接地的系统三相同时投切电容器的等效电路示意图；

图3为本实用新型实施例提供的不计线路参数的理想情况时的单相等效电路；

图4为本实用新型实施例提供的计线路参数的实际情况时的单相等效电路。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实用新型实施例提供一种电力电容器合闸涌流抑制装置，应用于交流配电网，如图1所示，交流配电网包括三相交流电源1、三相断路器2、串联电抗器3、三相电容器4，上述电力电容器合闸涌流抑制装置包括：预充电模块5、预充电电压测量模块6、相位角检测模块7及控制模块8。本实用新型实施例中，三相交流电源1为星型中性点非有效接地连接，三相电容器4的无功补偿侧为星型中性点非有效接地连接。

本实用新型实施中，如图1所示，断路器BRK1-BRK3为三相断路器，每相支路上电抗器分别为L₁、L₂、L₃，每相支路上的起无功补偿作用的电容器分别为C₁、C₂、C₃，C_N为中性点对地杂散电容。预充电模块5与三相电容器4中的至少一相并联，用于在三相断路器2合闸前对三相电容器3的至少之一相预充电至预设电压；预充电电压测量模块6分别与进行预充电的电容器及控制模块8连接，用于采集进行预充电的电容器的预充电电压；相位角检测模块7分别与三相断路器2电网侧测量点及控制模块8连接，用于采集三相断路器电网侧测量点S的相位角；控制模块8，用于当检测到的预充电电压达到预设电压，并且相位角达到预设相位时，控制三相断路器2合闸，投入三相电容器4。

本实用新型实施例中，相位角检测模块7可以通过首先测量断路器电网侧测量点S处的电压，然后计算该电压的相位角，也可以通过可以测量相位角的仪器或装置进行相位角的测量。

本实用新型实施例中，预充电模块5为输出稳定高压直流的电源装置，其装置内部可以根据需要做到体积很小，便于运输与安装。预充电模块5与电容器4并联，通过如图1所示的开关BRK4-BRK6进行预充电模块5的投入与切除，预充电模块5在三相断路器合闸之前给三相电容器5中的至少之一相进行充电，通过预充电消除电容器投入之后电路中电流的暂态分量，从而使三相电容器投入电路之后的电流不经过暂态过程或经过很短暂的暂态过程快速进入稳态，从而实现合闸涌流的抑制。

本实用新型实施例中，设电网侧A相电源电压为u_A＝U_msin(ωt+θ)，如图2所示，中性点非有效接地的系统三相同时投切电容器的等效电路中，U_m为电网交流相电压峰值，θ为电源相电压以正序电压基波零相位为参考的相位角。针对AB回路，BC回路列KVL方程：

对N节点列写KCL方程：

联立(1)(2)两式，对于星型连接中性点不接地的三相对称电路，R₁＝R₂＝R₃＝R，L₁＝L₂＝L₃＝L，C₁＝C₂＝C₃＝C，设各相支路上的电容器所带初电量分别为：解得：

其中，K＝ω²CL为电抗率，为关合涌流角频率，为此三相电路稳态时流过单相电容的电流，ω为电源工频角频率。

由于本实用新型提供的电路的连接方式星型连接中性点不接地的三相对称电路，各相流过的电流情况都一样，这里以A相电流为例进行说明，A相电容电流由稳态分量和暂态分量两部分组成，其稳态分量为：

i_{A_steady}＝I_m[cos(ωt+θ-π/2)+2cos(ωt+θ+π/6)](4)，暂态分量为：

因此，若存在电容电压初始值U_C1(0)、U_C2(0)、U_C3(0)和合闸时电源相位θ能够使得暂态部分为零，则电容器投入之后无暂态过程直接进入稳态，没有涌流冲击。

B、C两相电流同理可解，最终求解满足A相电流暂态分量为零，B、C相电流暂态分量最小的解为：

其中，U_C1(0)、U_C2(0)、U_C3(0)为电容电压初始值即预充电的目标值，θ为三相合闸时A相电源的相位，k＝X_L/X_C＝ω²CL为电抗率。

当三相电容器预充电目标值满足上式(6)即可最大程度地减小合闸涌流，可以将电容器进行投切。

本实用新型实施例中，不计线路参数的理想情况时，在如图3所示的理想情况下的单相等效电路中，BRK为断路器，L为串联电抗器，C为电容器，在三相电路中，设A相电源电压为u_A＝U_msin(ωt+θ)，预设电压由以下公式确定：

其中，U_C1(0)、U_C2(0)、U_C3(0)分别为给A相电容器C₁、B相电容器C₂、C相电容器C₃预充电的预设电压，U_m为电网交流相电压峰值，ω为电源工频角频率，X_L为电感器的感抗，X_C为每相电容器的容抗，k为电抗率。

根据上述式(7)可知，上述给三相电容器的至少之一相进行预充电，包括：

1)单相预充电，给A相电容器进行预充电，B、C两相电容器不预充电，A相电容器预充电的预设电压为

2)两相预充电，给B、C两相电容器预充电，A相电容器不预充电，B、C两相预充电的预设电压为

3)三相预充电，给A、B、C三相电容器同时充电，预设电压满足以下公式：

本实用新型实施例中，A相断路器电网侧测量点的预设相位为A相电源电压相位θ＝90°。

本实用新型实施例中，在计线路参数的实际情况时，在如图4所示的考虑线路实际参数时的单相等效电路中，L_A为等效电感，R_A为负载电阻，测量点S位于断路器BRK电网侧，设U_pcc为测量点电压的峰值，为测量点S的电压以正序电压基波零相位为参考的相位角，设A相电源电压为u_A＝U_msin(ωt+θ)，则在考虑线路实际参数时，在三相电路中的三相断路器电网侧的电压值及相位角为：

其中，L_A为等效电感，R_A为电源侧所带负载的电阻，U_pcc为三相断路器电网侧的电压的峰值，U_m为电网交流相电压峰值，为断路器电网侧的电压以正序电压基波零相位为参考的相位角，θ为A相电源电压相位角。

根据式(1)-式(6)的推算原理，则预设电压应满足下式：

其中，U_{C1_1}(0)、U_{C2_1}(0)、U_{C3_1}(0)分别为A相电容器C₁、B相电容器C₂、C相电容器C₃预充电的预设电压，R_A为电源侧所带负载的电阻，L_A为等效电感，L_equ为考虑电路实际参数后折算等效后的电感，X_c为单相电容器的容抗，X_Lequ为等效电感的感抗，k₁为等效电抗率，ω为电源工频角频率，U_m为电网交流相电压峰值。

根据上述式(8)可知，上述三相支路上的电容器的至少之一预充电至预设电压，包括：

1)单相预充电，给A相电容器进行预充电，B、C两相电容器不预充电，A相电容器预充电的预设电压为

2)两相预充电，给B、C两相电容器预充电，A相电容器不预充电，B、C两相电容器预充电的预设电压为

3)三相预充电，给A、B、C三相电容器同时充电，预设电压满足以下公式：

根据式(1)-式(6)的推算原理，在考虑线路实际参数时，修正后的预设电压相位为：A相电网电源电压相位A相断路器电网侧测量点的预设相位为

本实用新型实施例提供的电力电容器合闸涌流抑制装置，通过预充电模块预充电使投入电容器之后的三相电流暂态分量为零或者最小，使合闸之后的三相电流经历很短暂的暂态过程达到稳态，预充电模块与电容器并联连接，对电容器组进行单相预充电，因此对于原来的电网线路结构不需要做任何改变，通过开关装置控制预充电给电容器充电，直接将预充电装置并联接在电容器两端即可投入使用；在电容器投入电网进行无功补偿之前完成一次预充电动作即可，其控制方式简单灵活，可以对三相电容器进行单相、两相、三相预充电，其充电方式灵活多样。通过预充电消除电容器投入之后电路中电流的暂态分量，从而使三相电容器投入电路之后的电流不经过暂态过程或经过很短暂的暂态过程快速进入稳态，从而实现合闸涌流的抑制。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种电力电容器合闸涌流抑制装置，应用于交流配电网，所述交流配电网包括三相交流电源、三相断路器、串联电抗器及三相电容器，其特征在于，包括：预充电模块、预充电电压测量模块、相位角检测模块及控制模块，其中，

所述预充电模块与三相电容器中的至少一相并联，用于在所述三相断路器合闸前对所述三相电容器的至少之一预充电至预设电压；

所述预充电电压测量模块与进行预充电的电容器及所述控制模块连接，用于采集所述进行预充电的电容器两侧电压；

所述相位角检测模块分别与三相断路器电网侧测量点及所述控制模块连接，用于采集所述三相断路器电网侧测量点的相位角；

所述控制模块，用于当检测到的所述预充电电压达到所述预设电压，并且所述相位角达到预设相位时，控制所述三相断路器合闸，投入所述三相电容器。

2.根据权利要求1所述的电力电容器合闸涌流抑制装置，其特征在于，所述三相交流电源为星型中性点非有效接地连接，所述三相电容器的无功补偿侧为星型中性点非有效接地连接。

3.根据权利要求2所述的电力电容器合闸涌流抑制装置，其特征在于，所述预充电模块的充电模式为单相预充电模式时，所述预充电模块与三相电容器的其中之一相并联。

4.根据权利要求2所述的电力电容器合闸涌流抑制装置，其特征在于，所述预充电模块的充电模式为两相预充电模式时，所述预充电模块与三相电容器的其中两相并联。

5.根据权利要求2所述的电力电容器合闸涌流抑制装置，其特征在于，所述预充电模块的充电模式为三相预充电模式时，所述预充电模块与三相电容器的三相并联。

6.根据权利要求1-5任一所述的电力电容器合闸涌流抑制装置，其特征在于，所述预充电模块为输出稳定高压直流的装置。