CN2930052Y - 动态无功功率补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动态无功功率补偿装置，它包括接触器和电力电容器组构成的补偿电路，其特征在于：所述的补偿电路还包括由获取可控硅过零同步信号装置及其控制的复合继电器构成的快速复合继电器，和电容器组构成的补偿电路；所述快速复合继电器的延时时间＜5秒；补偿电路设置成若干个快速复合固态继电器补偿支路，和多个接触器补偿支路组成。当可控硅导通时，其继电器常开触点也闭合，闭合时的触点电阻很小，可通过大部分电流，通过可控硅的电流几乎等于零，可控硅上无压降和无发热，而且，消除了谐波，从而使补偿装置在动态状态下能可靠地运行。适用于电压波动转大而快的电网。

Description

动态无功功率补偿装置

技术领域

本实用新型涉及一种交流配电网络中的补偿无功功率的装置，尤其是用于50HZ、400伏等级的低压配电网络无功功率补偿装置。

背景技术

为了针对用电过程中产生的无功功率缺额、许多电气装置生产厂家生产出一些自动无功功率补偿装置，这些补偿装置一般由主回路、二次回路和含单片机系统的中央控制器三部分组成，而主回路主要由保护系统以及接触器和电力电容器组成的电路构成，由于受电容器承受涌流能力、放电时间和接触器不能太频繁动作的限制，这类产品存在以下不足之处：

1、补偿电容投切时电流冲击大，接触器动作频繁，致使寿命降低。

2、补偿精度差，补偿跟随不强，当电网负载变化快及波动大时，根本无法进行快速补偿。

为此，申请人于2001年7月2日申请了一项名为“动态电容补偿装置及其投切方式”的发明专利，并于2004年8月18日获得专利权，专利号为：01114333.9。解决了现有低压配电网络的补偿问题，该发明的内容为：

“本发明的目的是提供一种动态电容补偿装置及其投切方式，应能解决投切器件寿命及投切补偿速度的问题。

本发明包括主回路、二次回路和含单片机系统的中央控制器，其中主回路包括开关保护系统，以及接触器和电力电容器组成的补偿电路，其特征在于：所述接触器和电力电容器组成的补偿电路还加入了固态继电器电路，补偿电路设置成若干个固态继电器补偿支路和接触器补偿支路，每个补偿支路的结构为：熔断器、固态继电器或接触器常开触点，限流电抗器和角接电容器组依序连接；各补偿支路熔断器的另一端与装置内母线连接，内母线与外母线通过开关连接。

受控制器及其控制系统的控制，测量反馈系统对配电网络的电压、电流及其功率因数变化的动态过程进行测量，将无功功率欠补或过补的测量结果反映到控制器和控制系统，上述补偿支路的投切方式为：

当配电网络无功功率欠补时，先投入固态继电器补偿支路，如无功补偿量还欠补，则再投入接触器补偿支路；

当配电网络无功功率过补时，先切固态继电器补偿支路，如无功补偿量还过补，则再切接触器补偿支路；

上述投切补偿直到配电网络的功率因数进入设定值范围内为止。

该结构的动态电容补偿装置，结合了固态继电器其动作速度快和接触器低成本触点容量大的优点，同时辅以优化的投切方式，使补偿过程在动态中完成，与现有技术相比，性能价格比高。在补偿速度、精度和可靠性方面都得到了提高。”

在近来的实践应用中，申请人发现，在上述动态电容补偿装置中，使用了固态继电器的电路。固态继电器实际上是双向可控硅或两个单向可控硅的反向并联构成的，关断时不导电，开通时处于全导通状态。在大电流通过固态继电器时，由于可控硅的多层PN或NP结存在着一定的电阻，会产生压降、发热和不良谐波，严重的会烧坏元器件和线路，影响补偿装置的可靠运行。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种动态无功功率补偿装置，它应能克服上述固态继电器存在问题，使补偿装置可靠地运行。

依据《中华人民共和国机械行业标准》JB/T9663-1999《低压无功功率自动补偿控制器》中第3、10条的规定：动态无功功率补偿——一种延时时间很短的无功功率补偿，其延时时间一般不大于5秒，它主要应用于负载变化较快的场合。

目前市场上出现了一种复合继电器，该复合继电器的结构是：在双向可控硅或两反向并接的可控硅的两端，并接一个继电器的常开触点；其工作原理是：导通时，可控硅先过零导通，继电器常开触点后闭合，关断时，继电器常开触点先断开，可控硅后关断。

复合继电器应用在电容补偿电路中两次导通时间间隔一般为≥30秒，主要原因是补偿电容器在关断时刻电压处于峰值处，然后慢慢放电，国家标准规定要求3分钟放到50V以下。那么在放电过程中，电容器与电网之间的电压波形的正半波和负半波由严重不对称慢慢地变为对称，这个过程一般要几分钟。正因为这个放电过程中的电压波形不对称，使得传统利用单光耦取电压上升沿或下降沿做为过零同步信号时出现较大偏差，况且光耦的离散性加剧这一偏差，因此在最初的几秒钟内，电容器刚开始放电，正、负半波还严重不对称情况下，检测过零点很容易出现偏差，结果就会造成投入电容器时发生涌流冲击。波形正负半波越对称，则偏差越小，冲击也就小。

利用本公司的实用新型专利《一种获取可控硅过零同步信号的装置》专利号为ZL200520095559.3，应用到复合继电器上就可以很好地解决上述问题。关键技术就是采用光耦检测电压过零点，得到过零点附近的一个方波信号，而方波的中点正好处于电压过零点，在电容器放电过程中，这个方波由大变小，但方波的中点始终处于电压过零点。通过这一技术，就可以保证在电容器放电过程中的任何时刻都能精确捕抓到电压过零点，并在该时刻触发可控硅，可控硅过零导通，无涌流冲击。采用获取可控硅过零同步信号装置控制复合继电器，能使复合继电器的两次导通时间间隔＜5秒。

本实用新型包括主回路、二次回路和中央控制器，其中，主回路包括开关保护系统，以及接触器和电力电容器组成的补偿电路，其特征在于：

所述的补偿电路还包括由获取可控硅过零同步信号装置及其控制的复合继电器构成的快速复合继电器，和电容器组成的补偿电路；

所述快速复合继电器的延时时间＜5秒；

补偿电路设置成若干个快速复合固态继电器补偿支路，和多个接触器补偿支路组成，每个补偿支路的结构为：熔断器、快速复合固态继电器或接触器触点、限流电抗器和角接或星接电力电容器组依序连接，n＝1、2、3、4、5......，m＝1、2、3、4、5......的自然整数；各补偿支路熔断器的另一端与装置电源连接。

所述的快速复合固态继电器补偿支路和接触器触点补偿支路构成的补偿电路受控制器及其控制系统的控制，各补偿支路的投切顺序为：

当配电网络无功功率欠补时，先快速循环投入快速复合固态继电器补偿支路，再循环投入接触器触点补偿支路；

当配电网络无功功率过补时，先快速循环切快速复合固态继电器补偿支路，再循环切接触器触点补偿支路。

上述的投切补偿直到配电网络的功率因数进入设定值范围内为止。

以上结构的补偿装置的补偿电路中采用了其延时时间＜5秒的快速复合继电器，当可控硅导通时，其继电器常开触点也闭合，闭合时的触点电阻很小，可通过大部分电流，通过可控硅的电流几乎等于零。这样，在导电过程中，可控硅上无压降和无发热，而且，消除了谐波，从而使补偿装置在动态状态下能可靠地运行，而且，满足国家关于动态无功功率补偿的要求。

附图说明

图1是本实用新型结构框示意图。

图2是获取可控硅过零同步信号装置的电路原理图。

图3是图2中相应各点的电压波形图。

图4是本实用新型补偿支路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步说明。

在图1中可知，本实用新型由过流保护器、快速复合继电器及接触器和电容器组构成的主回路、电压和电流测量反馈系统构成的二次回路和控制器构成的控制电路组成。其工作原理为：从400V电源母线引连线至主回路的过流保护器和测量反馈系统，从电源母线来的电压信号及进线电流互感器来的电流信号经过测量反馈系统进入到中央控制器，经降压、滤波等处理，控制器根据反馈回来的电压、电流信号，计算到当前功率因数值或无功缺额和要求设定的功率因数值和无功定值相比较，发出指令经控制器到主回路，从而按照程序内定投切规律进行电容器补偿支路的投切，以达到保证功率因数或无功定值在设定值范围的目的。

在图2所示的获取可控硅过零同步信号装置的电路原理图中可知，它由两个过零光耦器V₁和V₂分别与相应的电阻R₁、R₃及R₂、R₄构成正、负两路半波梯形整形电路。其中，取自双向可控硅KP两端电极L、A的电路输入端分别通过电阻R₁、R₂与两光耦器V₁、V₂的输入正极连接，还分别交叉与两光耦器的输入负极连接。电阻R₃、R₄的一端接电源+V_c，另一端分别接两光耦器V₁、V₂的输出端，这两个输出端的电压分别为U_x和U_y。两过零光耦器V₁和V₂的两路输出电压U_x和U_y都输入到与门电路G，该与门电路G的输出电压为U_G作为单片机系统的输入信号。单片机系统的输出端与可控硅K_p的控制极连接。电容性负载C的一端与可控硅的一电极A连接，另一端接公共零线N。

图3所示，是图2中各相应点的电压波形图。图中，有可控硅KP两端电压U_LA过零光耦器V₁和V₂输出电压U_x、U_y，以及与门电路G输出电压U_G的波形图。结合图1来看，图1的输入电压U_LA为正弦波，正半波经过第一过零光耦器V₁后在输出端得出电压U_x，其波形相应为凹梯形；负半波经过第二过零光耦器V₂后在输出端得出电压U_y，其波形为凹梯形，但方向已与电压U_x的错开关相反。两梯形波的电压U_x和U_y经过与门电路G，电压U_x的上升沿与电压U_y的下降沿使与门电路G输出电压U_G，该电压U_G的波形为方波。由图中可清楚地看到，方波电压U_G的中点即为正弦波电压U_LA的过零点。该方波电压U_G输入到单片机系统中，经分析运算求出该方波的宽度，取其中点作为触点发信号，触发可控硅KP的控制极，使可控硅KP在过零处触发导通，其误差很小。这个触发点信号的取得与施加在可控硅KP两端电压U_LA的高低无关，这从图3的波形图中可明显辩出。在可控硅KP电压过零点处触发，使可控硅KP和负载，特别是电容性负载，避免了合闸电涌流的冲击，提高了可控硅KP和负载的可靠性和使用寿命。

在可控硅控制原理和实践中，我们还认识到，在图2中，不采用与门电路G，将两梯形波的电压U_x和U_y直接输入到单片机系统中，利用这两个电压的上升沿和下降沿进行分析运算，求出相应上升和下降沿之间产生的波形宽度，再取其中点作为触发信号也是可行的，也能达到在可控硅KP电压在过零处触发的效果，这样做虽说会使单片机系统的结构和程序复杂化。但是，这也是能使可控硅KP实现过零同步触发的一途径，也可采用。

图4所示，是本实用新型补偿支路原理示意图，在图中可知，复合继电器KFJ是在双向可控硅KP或两个单向可控硅反向并联的结构上，再并接一通用继电器的常开触点J构成。复合继电器也叫复合开关。现有的市场上可以购到的复合开关产品和技术，如深圳市友邦怡电气技术有限公司产的YBY-30；杭州浙泰电气有限公司产的QFK5F-45等。现有复合开关在补偿电路中的两次导通时间间隔均≥30秒，无法满足动态无功功率补偿要求。本实用新型采用图2中的获取可控硅过零同步信号装置来控制复合继电器，构成快速复合继电器或叫快速复合开关。图4中的双向可控硅KP就是图2中的双向可控硅KP，图2中的负载电容C就是图4中的补偿电容组C，相互对应。快速复合继电器的工作原理为：导通时，可控硅KP先过零开通，通用继电器常开触点J后闭合；关断时，通用继电器常开触点J先断开，可控硅KP后关断。补偿电路由多个快速复合继电器KFJ补偿支路和多个接触器KM补偿支路组成，每条补偿支路的连接关系为：熔断器FU、快速复合继电器1KFJ～MKFJ或接触器常开触点1KM～nKM、角接或星接电力电容器组C依序连接，其中，n＝1、2、3、4、5、6......，M＝1、2、3、4、5、6......的自然整数，各补偿支路熔断器FU的另一端都与装置电源连接。

在附图4中，快速复合继电器KFJ补偿支路和接触器KM补偿支路的动作顺序是这样的：当整个配电网络无功欠补时，控制器及其系统发出投电容信号，先快速投入快速复合继电器1KFJ......MKFJ补偿支路，如无功补偿量还欠补，则再投入接触器1KM......nKM补偿支路。当整个配电网络无功过补时，控制器及其系统发出切电容信号，先快速切快速复合继电器1KFJ......MKFJ补偿支路，如无功补偿量还过补，则再切接触器1KM......nKM补偿支路。直到配电网络功率因数或无功定值进入设定值范围内为止。

所述的快速复合继电器可以是固态的或者分立元件构成。

本装置优点是补偿速度快，精度高，可靠性好，易于维护，性能价格比高，完全可替代目前大部分自动无功功率补偿装置。

Claims (2)

1、一种动态无功功率补偿装置，它包括接触器(KM)和电力电容器组(C)构成的补偿电路，其特征在于：

所述的补偿电路还包括由获取可控硅过零同步信号装置及其控制的复合继电器(KFJ)构成的快速复合继电器(KFJ)，和电容器组(C)构成的补偿电路；

所述快速复合继电器的延时时间＜5秒；

补偿电路设置成若干个快速复合继电器(KFJ)补偿支路，和多个接触器(KM)补偿支路组成，每个补偿支路的结构为：熔断器(FU)、快速复合继电器(1KFJ～mKFJ)或接触器触点(1KM～nKM)、限流电抗器和角接或星接电力电容器组依序连接，n＝1、2、3、4、5……，m＝1、2、3、4、5……的自然整数；各补偿支路熔断器(FU)的另一端与装置电源连接。

2、根据权利要求1所述的动态无功功率补偿装置，其特征在于：

所述的快速复合继电器(1KFJ～mKFJ)补偿支路和接触器触点(1KM～nKM)补偿支路构成的补偿电路受控制器及其控制系统的控制，各补偿支路的投切顺序为：

当配电网络无功功率欠补时，先快速循环投入快速复合继电器(1KFJ或～mKFJ)补偿支路，再循环投入接触器触点(1KM或～nKM)补偿支路；

当配电网络无功功率过补时，先快速循环切快速复合继电器(1KFJ～mKFJ)补偿支路，再循环切接触器触点(1KM～nKM)补偿支路。

上述的投切补偿直到配电网络的功率因数进入设定值范围内为止。

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