CN109921432A - 一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，综合无功调压补偿装置由补偿***和控制***组成。补偿***包括电容器、阻尼回路、限压器、旁路断路器及可控断路器和快速开关，用以提升持续运行电压下的电压质量。控制***包括电流互感器、电压互感器、电压比较器、功率因数监测设备、功率因数比较器、逻辑运算电路以及触发电路构成。该装置通过识别负荷节点的电压及功率因数，通过可控断路器调整为串联电容补偿或并联电容补偿工作状态，以保证无功补偿的适应性及可靠性。本发明主要用于改善配电网的电能质量，尤其适用于对负荷集中于配电网线路末端且功率因数低的集中大负荷的电压补偿。

Description

一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置

技术领域

本发明属于电力***无功补偿、电压调整技术领域，具体涉及一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置。

背景技术

电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压波动与闪变、电压谐波等。电压偏差指供电***在正常运行方式下，某一节点的实际电压与***标称电压(即额定电压)之差与***标称电压之比的百分数。电压偏差是电压质量的重要指标之一。

合理的调整配电网沿线电压，是保证用户用电质量的根本。采用并联电容补偿装置可以提高功率因数、降低有功损耗，减小电压降落；采用串联电容补偿装置可以提供容性阻抗抵消线路的感性阻抗，改善线路沿线电压质量。但这两种方式都存在各自的局限性。当配电网末端带有集中大负荷时，采用传统的单一联电容补偿装置或并联电容补偿装置无法适应负荷的容量或功率因数变化。针对不同的负荷，采用的无功补偿技术也不同，因此由必要开发一种综合无功补偿装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，应用于配电网***中，用于配电网***中改善电压质量。

为达到上述目的，本发明所述一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，应用于配电网***中。综合无功调压补偿装置包括一台电容器C、一台电感线圈L、一台阻尼电阻R、一台限压器F、第一断路器QF1、第二断路器QF2、第三断路器QF3、旁路断路器QF4和快速开关K，第一至第三断路器均为可控断路器。

对于补偿***，电容器C用于补偿配电网线路发生的电压降落，使负荷节点电压满足规定的电能质量要求。阻尼电感L与阻尼电阻R并联、再与一台快速开关K串联，构成阻第一断路器QF1连接于电容器C与负荷Q之间，第二断路器QF2连接于电容器C与接地体之间，第三断路器QF3连接于电容器C的电源侧与负荷Q之间。当第一断路器QF1闭合、第二断路器QF2断开、第三断路器QF3断开时，综合无功调压补偿装置处于串联补偿工作状态；当第一断路器QF1断开、第二断路器QF2闭合、第三断路器QF3闭合时，综合无功调压补偿装置处于并联补偿工作状态。

控制***包括电源、电流互感器、电压互感器、电压比较器、功率因数监测设备、功率因数比较器、逻辑运算电路以及触发电路。

电源***使用太阳能电池板进行吸能储能，通过升压电路及稳压电路给控制***及其他电力电子器件供电。

电压互感器监测线路末端的电压，功率因数监测设备通过电压互感器与电流互感器监测功率因数，它们将信号传递给电压比较器及功率因数比较器，两个比较器输出逻辑信号给逻辑运算电路，运算结果输出给触发电路产生脉冲送入断路器的控制电路。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：利用时时检测到的电压幅值和功率因数双特征量进行比较识别，在串联电容补偿和并联电容补偿两种工作状态之间依据设定模式可控切换。当电压互感器及功率因数监测设备监测到的值均偏低时电压比较器与功率因数比较器将传递电位信号给逻辑运算电路，运算结果传递给触发电路，触发电路传出合适的脉冲给三台可控断路器，通过开关动作装置切换为并联电容补偿模式，此时，并联电容补偿可以提高功率因数，减小负荷电流在线路电感上产生的电压降，从而提高对负荷的供电电压质量；同理，当***功率因数提高超过阈值时装置将切换为串联电容补偿模式，此模式下，加装串联电容补偿后相当于抵消掉一部分线路的电抗，电压降落变小，从而提高对负荷的供电电压质量；准确率高，控制调节快，性能稳定。

相较于较为昂贵的调相机以及静止无功发生器等无功补偿设备，本设备没有复杂且成本较高的成套电力电子器件；同时本设备集成了串联电容补偿设备与并联点容补偿设备，与两台设备相比造价大幅缩小。本设备的补偿***与控制***独立，单独更换其中任一部分都是较为便捷的。

进一步的，还包括限压器F，限压器F并联在电容器C两端，限压器F用于抑制可能出现在综合无功调压补偿装置两端的过电压及电流，防止过电压、过电流损坏设备。

进一步的，还包括阻尼电感L、阻尼电阻R以及快速开关K，阻尼电感L和阻尼电阻R并联构成阻尼回路，阻尼回路和快速开关K串联形成旁路支路，旁路支路和电容器C并联，由于限压器F的能量吸收能力和电压耐受能力是有限的，无法长时间地吸收大量能量，因此在限压器允许的耐受时间内由快速开关快速响应将其旁路。阻尼回路用于抑制断路器闭合时电容器C的放电电流和振荡。

进一步的，电容器C还和旁路断路器QF4并联，在综合无功调压补偿装置检修时使用，可将装置整体旁路。

进一步的，控制***的电压使用太阳能电池板供电，电力电子器件的电源取自太阳能，长效、清洁环保。

进一步的，电压比较器包括两个电压输入端口以及一个输出端口，一个输入端口接电压互感器，另一个输入端口接比较电压，比较电压阈值选取为额定相电压的93％，93％是国标规定的电压幅值要求，若低于93％则需要采取一定的低电压治理措施。

进一步的，功率因数比较器的阈值选取为,0.7，若功率因数低于0.7则较适宜运用并联电容补偿，高于0.7适宜运用串联电容补偿。

进一步的，电压互感器与电流互感器均为电磁式互感器，电磁式互感器误差特性和暂态特性优于电容式互感器，且输出容量高。

附图说明

图1是本发明的综合无功调压补偿装置的连接示意图；

图2是本发明的综合无功调压补偿装置的电路图；

图3是本发明的综合无功调压补偿装置控制***的***结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

随着配电网供电容量、送电半径的不断发展，负荷引起的配电网问题也日益突出。当配电网线路较长，末端感性负荷较重时，线路压降严重，解决压降单一问题宜采用过补偿状态的串联电容补偿装置。但对于供电半径较大，功率因数低，负荷重且压降严重的配电网***，串联电容补偿很难实现对沿线电压的补偿，此时更宜采用并联电容补偿改善功率因数，进而减小线路压降。本发明通过时时检测线路上的电压、电流，根据压降及功率因数控制切换设备的工作状态，实现串联电容补偿与并联电容补偿的一体化，可适应配电网线路末端不同的负荷。本发明适用于末端带有低功率因数集中大负荷的配电网。

在配电网线路末端加装综合无功补偿装置对补偿末端具有低功率因数集中大负荷的线路是合理的。线路末端靠近负荷侧，将补偿设备安装在此处便于检修，可减小运维人员的工作量。同时，针对末端集中有较大感性负荷的情况，串联电容补偿装置可以通过电容效应提高节点电压，并联电容补偿装置可以通过提高功率因数降低有功损耗，进而提高节点电压。

图1是本发明的综合无功调压补偿装置的连接示意图，本装置分为两部分：补偿调压***以及控制***。本装置两部分均由A、B、C三相组成，以下所有设备以一相作说明。

图2是本发明的综合无功调压补偿装置的电路图，该可控串联电容补偿调压装置包括一台电容器C、一台电感线圈L、一台阻尼电阻R、一台限压器F、第一断路器QF1、第二断路器QF2、第三断路器QF3、旁路断路器QF4和快速开关K，第一至第三断路器均为可控真空断路器。电容器C连接在配电网的电源侧和负荷侧之间，限压器F并联在电容器C两端；阻尼电感L和阻尼电阻R并联构成阻尼回路，所述阻尼回路和快速开关K串联形成旁路支路，所述旁路支路和电容器C并联，电容器C还和旁路断路器QF4并联。旁路断路器QF4连接在配电网的电源侧和负荷侧之间。

电容器C是无功调压补偿装置的核心部件，其容值的大小和接入、退出直接影响沿线电压的补偿效果。串联补偿状态下有提升沿线电压的作用、并联补偿状态下可改善负荷的功率因数，用于补偿配电网线路末端发生的电压降落。

限压器F为无间隙金属氧化物避雷器，并联在电容器C两端，是用于抑制可能出现在综合无功调压补偿装置两端的过电压及电流，防止过电压、过电流损坏设备。当装置两端因***故障等各种原因出现过电压时，例如负载侧发生短路时电容两端电压急剧增大，利用限压器优良的非线性伏安特性、大的涌流能力和及时响应特性，可以有效地限制过电压和及时分流，保护电容器。

电感线圈L起阻尼作用与阻尼电阻并联构成阻尼回路，再与一台快速断路器K串联，其整体与电容器C并联。由于制造技术和成本的限制，限压器F的能量吸收能力和电压耐受能力是有限的，无法长时间地吸收大量能量，因此在限压器允许的耐受时间内由快速开关快速响应将其旁路。阻尼回路用于抑制断路器闭合时电容器C的放电电流和振荡。

旁路断路器QF4并联在串联补偿设备两端，在综合无功调压补偿装置检修时使用，可将装置整体旁路。

第一断路器QF1连接于电容器C与负荷Q之间，第二断路器QF2连接于电容器C与接地体之间，第三断路器QF3连接于电容器C的电源侧与负荷Q之间。当第一断路器QF1闭合、第二断路器QF2断开、第三断路器QF3断开时，综合无功调压补偿装置处于串联补偿工作状态；当第一断路器QF1断开、第二断路器QF2闭合、第三断路器QF3闭合时，综合无功调压补偿装置处于并联补偿工作状态。三台断路器均带有控制电路，可以接收来自控制***的脉冲信号，及时响应切换断路器的开合状态。

控制***包括电源、电流互感器、电压互感器、电压比较器、功率因数监测设备、功率因数比较器、逻辑运算电路以及触发电路。

电源***使用太阳能电池板进行吸能储能，通过升压电路及稳压电路给控制***和其他电力电子器件供电。

电压互感器与电流互感器均为电磁式互感器。电压互感器监测线路末端的电压、电流互感器监测线路末端流过的电流。两者均将监测信号送入功率因数监测设备，同时电压互感器还将信号送入电压比较器。

功率因数监测设备接收来自电压互感器与电流互感器的信号，通过内部电路获得功率因数，输出与功率因数相匹配的电压信号，功率因数范围为0至1，相应的输出电压信号为0至10V。输出的电压信号送入功率因数比较器。

电压比较器由两个电压输入端口和一个输出端构成。一个输入端口接电压互感器，时时采集运行相电压，另一个输入端为阈值电压，其电压设定为额定运行相电压的93％，即电能质量要求的最低值。电压比较器输出端接逻辑运算电路，当运行电压高于阈值电压时，输出高电位；低于阈值电压时，输出低电位。

功率因数比较器的本质也是一个电压比较器，由两个电压输入端和一个输出端构成。输入端一端接功率因数监测设备，接收比较电压，另一端为阈值电压，其电压设定为7V，对应0.7功率因数。功率因数比较器输出端接逻辑运算电路，当采集到的电压高于阈值电压时，输出高电位；低于阈值电压时，输出低电位。

逻辑运算电路由两个输入端和两个输出端构成，输入的两个值为电压比较器与功率因数比较器的输出值。表1为逻辑运算电路的真值表，其中0代表零电位信号，1代表正峰值高电位信号，-1代表负峰值高电位信号。

表1

电压比较器输出	功率因数比较器输出	逻辑运算输出1	逻辑运算输出2
				1	0	-1	1
1	1	0	0
				0	0	-1	1
0	1	1	-1

逻辑运算电路的两路输出信号接触发电路。逻辑运算输出1控制第一断路器QF1、逻辑运算输出2控制第二断路器QF2及第三断路器QF3，其中0代表断路器不动作、1代表断路器闭合操作、-1代表断路器断开操作。

触发电路负责接收逻辑运算电路的两路电位信号，之后根据逻辑运算输出1输出的电位幅值输出对应的脉冲信号给第一断路器QF1的控制电路，根据逻辑运算输出2输出的电位幅值输出对应的脉冲信号第二断路器QF2和第三断路器QF3的控制电路，保证真空断路器动作。

本发明提出了一种用于配电网低功率因数的集中大负荷综合无功调压补偿装置。综合无功调压补偿装置由补偿***和控制***组成。补偿***主要由电容器、阻尼回路、限压器、旁路断路器及可控断路器、快速开关等构成，用以提升持续运行电压下的电压质量。控制***主要由电源、电流互感器、电压互感器、电压比较器、功率因数监测设备、功率因数比较器、逻辑运算电路以及触发电路构成。该装置通过识别负荷节点的电压及功率因数，通过可控断路器调整为串联电容补偿或并联电容补偿工作状态，以保证无功补偿的适应性及可靠性。电源为电流互感器、电压互感器、电压比较器、功率因数监测设备、功率因数比较器、逻辑运算电路以及触发电路提供工作电源。本发明主要用于改善配电网的电能质量，尤其适用于对负荷集中于配电网线路末端且功率因数低的集中大负荷的电压补偿。装置三相集成、结构简单，轻便。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，其特征在于，包括电容器C和断路器，所述断路器第一断路器QF1、第二断路器QF2和第三断路器QF3，所述第一断路器QF1连接于电容器C与负荷Q之间，第二断路器QF2连接于电容器C与接地体之间，所述第三断路器QF3连接于电容器C的电源侧与负荷Q之间，所述第一断路器QF1、第二断路器QF2和第三断路器QF3根据控制***发送的脉冲信号，切换断路器的开合状态；

控制***包括电流互感器、电压互感器、电压比较器、功率因数监测设备、功率因数比较器、逻辑运算电路以及触发电路，

所述电压互感器和电流互感器的输入端均与电网连接，电压互感器的输出端与电压比较器的输入端连接，电压互感器的输出端和电流互感器的输出端均与功率因数监测设备的输入端连接，功率因数监测设备的输出端与功率因数比较器的输入端连接，电压比较器的输出端和功率因数比较器的输出端均与触发电路连接，触发电路用于切换断路器的开合状态。

2.根据权利要求1所述的一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，其特征在于，还包括限压器F，所述限压器F并联在电容器C两端。

3.根据权利要求2所述的一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，其特征在于，还包括阻尼电感L、阻尼电阻R以及快速开关K，所述阻尼电感L和阻尼电阻R并联构成阻尼回路，所述阻尼回路和快速开关K串联形成旁路支路，所述旁路支路和电容器C并联。

4.根据权利要求1所述的一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，其特征在于，所述电容器C还和旁路断路器QF4并联。

5.根据权利要求1所述的一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，其特征在于，控制***的由太阳能电池板供电。

6.根据权利要求1所述的一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，其特征在于，所述电压比较器包括两个电压输入端口以及一个输出端口，其中一个输入端口与电压互感器连接，另一个输入端口接比较电压，比较电压阈值为额定相电压的93％。

7.根据权利要求1所述的一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，其特征在于，所述功率因数比较器的阈值为0.7。

8.根据权利要求1所述的一种用于末端集中负荷的配电网综合无功调压补偿装置，其特征在于，所述电压互感器与电流互感器均为电磁式互感器。