CN203243056U - 中高压无功补偿复合结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种中高压无功补偿复合结构。包括电抗器本体、磁控箱、固定电容器组和控制器，其中控制器包括双CPU模块、采样及同步信号模块、触发反馈模块、电源模块，触发反馈模块通过磁控箱内的电路与电抗器本体内的绕组连接，触发反馈模块与双CPU模块连接，固定电容器组的输入端通过电流互感器与变电站进线电源连接，固定电容器组的输出端通过电压互感器与变电站出线负荷连接，且固定电容器组的输出端通过断路器与电抗器本体内的绕组连接，采样及同步信号模块的信号输入端与电压互感器及电流互感器连接，采样及同步信号模块的信号输出端与双CPU模块连接。本实用新型可克服现有的静止无功补偿装置性能的不足，快速提供电网所需的无功功率。

Description

中高压无功补偿复合结构

技术领域

本实用新型属于变压器装置领域, 具体是电力***中一种涉及到磁控电抗器与固定电容组结合的中高压无功补偿复合结构。属于中高压无功补偿复合结构的改造技术。

背景技术

随着国家对智能电网的重视程度的提高，业内对无功补偿装置的要求越来越高。近年来掀起的特高压输电以及风电建设的热潮也使到高性能的无功无偿装置显得更加重要。

无论是传统固定阻抗型的高压并联电抗器抑或是静止无功补偿装置(TCR、TSC)都难以满足智能电网的要求。新型的静止无功补偿装置磁控电抗器(MCR)具有非常优越的控制性能，MCR通过改变晶闸管的触发角度来改变直流偏磁的大小，从而改变磁阀的饱和度，进而改变电抗值来达到平滑调节无功输出，与固定电容器组结合使用，可以快速提供电网所需的无功功率，动态提供电压支撑，改善***的运行性能，在提高电网可靠性和优化电网运行状况的功能等方面都有非常大的潜力。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足, 提供一种控制可靠、灵活、快速，满足对无功补偿功率连续、平滑调节要求的中高压无功补偿复合结构。

本实用新型通过以下技术方案来达到上述目的：本实用新型的中高压无功补偿复合结构，包括有电抗器本体、磁控箱、固定电容器组和控制器,其中控制器包括有双CPU模块、采样及同步信号模块、触发反馈模块、电源模块，其中触发反馈模块通过磁控箱内的电路与电抗器本体内的绕组连接，触发反馈模块与双CPU模块连接，固定电容器组的输入端通过电流互感器与变电站进线电源连接，固定电容器组的输出端通过电压互感器与变电站出线负荷连接，且固定电容器组的输出端通过断路器与电抗器本体内的绕组连接，采样及同步信号模块的信号输入端与电压互感器及电流互感器连接，采样及同步信号模块的信号输出端与双CPU模块连接，电源模块与双CPU模块连接。

上述电抗器本体内装有2个铁心柱和4个普通绕组， 2个铁心柱分别第一铁心柱及第二铁心柱，2个铁心柱分别绕有两组单柱绕组，2个铁心柱所绕的单柱绕组即为上述所说的4组普通绕组，从两个对侧的普通绕组中抽出3%的绕组作为直流控制绕组，这两个直流控制绕组分别是从第一铁心柱所绕其中一个普通绕组中抽出的第一3%抽头绕组和从第二铁心柱所绕其中一个普通绕组中抽出的第二3%抽头绕组，磁控箱内装有第一阻容保护电路、第二阻容保护电路、续流二极管、压敏电阻、熔断器、第一晶闸管、第二晶闸管、单相交流电源，其中续流二极管与熔断器串联，压敏电阻与上述串联电路并联，压敏电阻的一端与第二3%抽头绕组相连，压敏电阻的另一端与第一晶闸管的阴极相连,第一晶闸管和第二晶闸管构成共阴极结构，第二晶闸管的两端并接第二阻容保护回路，第二晶闸管的阳极与第二3%抽头绕组相连，第二晶闸管的阴极与第二铁心柱所绕另一普通绕组相连, 第一晶闸管的两端并接第一阻容保护电路，第一晶闸管的阳极与第一3%抽头绕组相连，第一晶闸管的阴极与第一铁心柱所绕另一普通绕组相连。

本实用新型的高压无功补偿复合结构的有益效果是避免现有静止无功补偿装置的不足，平滑调节电抗值得到滞后的无功功率，与固定电容器组结合使用，快速提供电网所需的无功功率，动态提供电压支撑，改善***的运行性能，提高电网可靠性与稳定性，优化电网运行状况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图1为本实用新型的典型接线方式示意图。

附图2为电抗器本体及磁控箱内部的原理图。

附图3为采样及同步信号模块的电路原理图。

附图4为触发反馈模块的电路原理图。

附图5为液晶界面监控平台的示意图。

附图6为PC权限管理单元用户登陆界面的示意图。

附图7为PC界面监控平台的示意图。

附图8为电源模块的电路原理图。

图中：1. 电抗器本体，2.电容器组，3.磁控箱，4.电压互感器，5.电流互感器，6. 第二阻容保护回路，7. 第二3%抽头绕组，8.续流二极管，9.压敏电阻，10.熔断器，11.第一铁心柱，12.第一晶闸管，13.单相交流电源，14.二级电压互感器，15. TVS保护电路和滤波电路，16.直流电压抬升电路，17.过压保护电路，18.相位补偿电路，19.过零检测电路，20.三极管，21.脉冲变压器，22.触发脉冲整型电路，23.光电耦合，24.电压比较电路，25.桥式整流电路，26.两级PT，27.掉电保护电路，28.电平转换电路，29.电源指示灯，晶闸管29、第二铁心柱30、第一3%抽头绕组31、第一阻容保护回路32。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型的典型接线图。电抗器本体1内的绕组与电容器组2均并接于变电站或厂用电母线上，电抗器的容量一般设计为电容器组的容量的一半。当变电站负荷变化较大时，通过电容的投切可以改变注入电网的容性无功功率，但电容两端电压不能突变，因此只能对电容投切而不能无级控制，注入***的容性无功功率是有级无功。

磁控电抗器可以弥补电容器组2的不足，本实施例中，磁控电抗器为三相六晶闸管同时运行，图2仅列出单相的电抗器本体1和磁控箱3的内部原理图，本实施例中，电抗器本体1为单相磁控电抗器本体，磁控箱3为单相磁控箱，电抗器本体1内部装有2个铁心柱和4个普通绕组，2个铁心柱分别第一铁心柱11及第二铁心柱30，2个铁心柱分别绕有两组单柱绕组，2个铁心柱所绕的单柱绕组即为上述所说的4组普通绕组，从两个对侧的普通绕组中抽出3%的绕组作为直流控制绕组，这两个直流控制绕组分别是从第一铁心柱11所绕其中一个普通绕组中抽出的第一3%抽头绕组31和从第二铁心柱30所绕其中一个普通绕组中抽出的第二3%抽头绕组7，磁控箱内装有第一阻容保护电路32、第二阻容保护电路6、续流二极管8、压敏电阻9、熔断器10、第一晶闸管12、第二晶闸管29、单相交流电源13，其中续流二极管8与熔断器10串联，压敏电阻9与上述串联电路并联，压敏电阻9的一端与第二3%抽头绕组7相连，压敏电阻9的另一端与第一晶闸管12的阴极相连,第一晶闸管12和第二晶闸管29构成共阴极结构，第二晶闸管29的两端并接第二阻容保护回路6，第二晶闸管29的阳极与第二3%抽头绕组7相连，第二晶闸管29的阴极与第二铁心柱30所绕另一普通绕组相连, 第一晶闸管12的两端并接第一阻容保护电路32，第一晶闸管12的阳极与第一3%抽头绕组31相连，第一晶闸管12的阴极与第一铁心柱11所绕另一普通绕组相连。

上述磁控箱3与电抗器本体1分开。可以通过改变第一3%抽头绕组31的整流电路的直流的大小，控制第一晶闸管12的导通与关闭，而这个直流的大小会改变单柱绕组和第一铁心柱11处磁阀的饱和程度，从而改变注入***的感性无功功率，电感的感性无功抵消了电容的部分容性无功，从而改善电网运行状况，提高***可靠性。为防止第一晶闸管12两端承受冲击电压，在第一晶闸管12两端并联第一阻容保护回路32，以保护第一晶闸管12。在第一晶闸管12的通断瞬间，增加续流二极管8可增加换流速度；压敏电阻9和熔断器10可以保护续流二极管8不受两端冲击电压的影响。上述第二晶闸管29和第二阻容保护电路6的原理与第一晶闸管12和第一阻容保护回路32的原理相同。

如图4所示，对第一晶闸管12的控制通过低压侧控制器触发驱动电路来实现；为方便获得电路的运行工况，增加晶闸管反馈回路，以检测第一晶闸管12的导通状况。

控制器的采样模块是对电网及电抗器电气量的测量，高电压通过电压互感器4和二级电压互感器14接入采样电路板，大电流的采集电路与高电压采集电路相似。这些电气量包括电压、电流、频率等模拟量和温度、压力、瓦斯等开关量。从电压采样回路中引出分支，检测过零点产生矩形波同步信号，为触发角的精确控制提供相位基准。当检测到***或本体内部故障时，通过继电器输出驱动断路器的跳闸，以保护电抗器设备。

控制器各模块具体说明如下：

控制器内部框图如图1所示，双CPU模块包括有ARM处理器与DSP数字处理单元，ARM处理器与DSP数字处理单元通过UART直接相连，互传数据，ARM处理器与DSP数字处理单元直接驱动液晶显示器，并通过RS232通讯单元与计算机进行人机界面交互，实现实时远程监控。

本实用新型中双CPU模块是极其重要的核心模块，其供电是否稳定直接影响本***的可靠性。DSP数字处理单元和ARM处理器单元均具备掉电保护功能。正常工作时通过厂用电经开关电源供电，当外部电源故障时转为内置电池供电，提高了本结构的可靠性。

此外，上述双CPU模块包括DSP数字处理单元、ARM处理器单元外，还包括有通讯单元、电源掉电保护单元、电平转换单元、事故告警单元。

电平转换单元包括两部分：串口输出电平转换为常用的TTL电平和采样回路直流电压抬升所用电平。由于电脑串口输出电压高达12V，必须进行电平转换。而DSP数字处理器只能采集0~5V电位，因此本模块还需要抬升电压的直流电平。

事故告警单元是在***故障时，ARM处理器会通过放大电路驱动蜂鸣器进行告警，同时输出开关信号，切除电抗器。

图3为采样及同步信号模块的原理图，包括有二级电压互感器14、TVS保护电路和滤波电路15、直流电压抬升电路16、过压保护电路17、相位补偿电路18、过零检测电路19，二级电压互感器14一次侧接于降压后的100V交流电，二次侧是TVS保护电路和滤波电路15。电压信号经过直流抬升电路16接于运放的反相输入端，其后接于下一级运放的反向输入端以还原其相位。信号进入DSP之前接有过压保护电路17，过压保护电路17为二极管正向串联电路，起到限幅作用，保证进入DSP的电压在允许范围内。

对于同步信号模块，由于TVS保护电路和滤波电路15会影响信号前后的相位，因此增加相位补偿电路18，最后经过过零检测电路19产生触发角的相位基准。采样及同步信号模块采集的三路母线电压、三路母线电流、三路电抗器输出电流后传送给DSP数字处理单元。

温度、压力、轻瓦斯和重瓦斯四路开关量从电抗器附带装置获得，传送至DSP数字处理单元。最后由处理器计算出有功功率、无功功率、功率因数，连同以上采样参数传输至将液晶和PC界面显示。

上述采样及同步信号模块具备遥测、遥信功能，对三路母线电压、三路母线电流、三路电抗器输出电流九路模拟量以及温度、压力、轻瓦斯和重瓦斯四路开关量进行采样。

同步比较模块实现母线电压相位Uab与触发角参考相位的校准。本模块具备过零检测、相位补偿功能，可消除由于硬件带来的固有误差，通过矩形波发生电路得到准确的参考相位，将同步信号送入DSP数字处理单元，为精确的智能控制提供基础。

触发反馈模块的原理图如图4所示，包括有三极管20、脉冲变压器21、触发脉冲整型电路22，光电耦合电路23、电压比较电路24、桥式整流电路25、两级PT26，包括有触发驱动单元及检测反馈单元。 

对于触发驱动单元：DSP数字处理单元经同步比较后，送出触发信号，经光电耦合电路23转换为光信号，通过光纤传输，磁控箱3的接送端将光信号转换为电信号，通过三极管20和脉冲变压器21组成放大电路，连接第一晶闸管12进行触发，改变电抗器的电抗值。触发脉冲整型电路22可以对脉冲变压器21输出的直流电压进行波形整型，增加触发脉冲陡度，使第一晶闸管12更快速地导通。然后重复对***电流电压信号采集，进而自动改变第一晶闸管12触发角，从而实现了MCR控制的闭环控制。第二晶闸管29的控制原理与第一晶闸管12的控制原理相同。

对于检测反馈单元：第一晶闸管12的阳极和阴极连接到检测电路的输入端，两端的高压通过两级PT 26降压后，在经过桥式整流电路25得到高低电平，经电压比较电路24来判断第一晶闸管12是否正常导通或截止，最后通过光电耦合电路23反馈至DSP数字处理单元，并在PC界面显示以提醒运行人员注意第一晶闸管12的实时状态。第二晶闸管29的控制原理与第一晶闸管12的控制原理相同。

上述触发反馈模块在晶闸管的驱动与检测环节，本实用新型采用光电耦合来实现强电与弱电的隔离，防止过电压对电路板的冲击。触发与反馈回路结构简单，可靠性很高。

本模块采用脉冲变压进行触发，脉冲变压器响应速度快，抗干扰能力强；漏感小，保证了更好的输出脉冲波形；驱动功率大，隔离强，性能好，电路简单可靠性高使用方便。在电压等级较高的环境下，为检测晶闸管的实际导通情况，增加晶闸管反馈模块。

图5是用户权限管理单元的示意图，该单元具备密码验证、密码修改的功能。

图6和图7分别是液晶界面和PC界面交互模块的示意图。可实现数据实时显示、控制、参数修改、数据库的查询、故障追忆等功能，并通过通讯单元在RS485总线载体上向变电站综合自动化***互送数据或指令。

对于液晶单元：DSP数字处理器以ARM处理器作为中间环节，驱动液晶显示器进行实时运行状态和数据的监测与控制。液晶的功能具体是对MCR的启动、停止、空载、自动运行、手动触发各个状态的控制，以及对三相母线电流、电压、频率、有功功率、无功功率、功率因数、电抗器输出电流进行监测。

对于PC界面单元：DSP数字处理器通过串口与人性化PC界面交互通讯，人机界面由C++ builder软件开发，除具备液晶的全部功能外，还与强大的数据库***连接，另设运行人员权限管理功能、实时数据波形显示功能、故障录波功能、PT和CT修改功能。

本实用新型的液晶界面与PC界面人机交互模块可以实现人性化交互功能，具备遥信、遥测、遥控单元，运行可靠，操作方便。设有用户权限管理功能，可提高***的安全性。

电源模块包括有掉电保护电路27、电平转换电路28、电源指示灯29，其中掉电保护电路27采用掉电保护芯片ICL7673，该芯片是外部电源与纽扣电池自动切换芯片；电平转换电路28采用稳压器AMS1117，稳压器AMS1117是电平转换芯片；当电平转换顺利时，电源指示灯29亮，代表处理器供电正常。晶闸管驱动板安装在高压磁控箱内，其所需的直流电通过提取3%的单柱绕组交流电压经电压互感器连接开关电源取电。本实用新型的电源模块供电方式灵活：控制器所需的直流电通过开关电源从厂用电取电。

Claims (7)

1.一种中高压无功补偿复合结构，其特征在于包括有电抗器本体、磁控箱、固定电容器组和控制器,其中控制器包括有双CPU模块、采样及同步信号模块、触发反馈模块、电源模块，其中触发反馈模块通过磁控箱内的电路与电抗器本体内的绕组连接，触发反馈模块与双CPU模块连接，固定电容器组的输入端通过电流互感器与变电站进线电源连接，固定电容器组的输出端通过电压互感器与变电站出线负荷连接，且固定电容器组的输出端通过断路器与电抗器本体内的绕组连接，采样及同步信号模块的信号输入端与电压互感器及电流互感器连接，采样及同步信号模块的信号输出端与双CPU模块连接，电源模块与双CPU模块连接。

2.根据权利要求1所述的中高压无功补偿复合结构，其特征在于上述电抗器本体内装有2个铁心柱和4个普通绕组， 2个铁心柱分别第一铁心柱及第二铁心柱，2个铁心柱分别绕有两组单柱绕组，2个铁心柱所绕的单柱绕组即为上述的4组普通绕组，从两个对侧的普通绕组中抽出3%的绕组作为直流控制绕组，这两个直流控制绕组分别是从第一铁心柱所绕其中一个普通绕组中抽出的第一3%抽头绕组和从第二铁心柱所绕其中一个普通绕组中抽出的第二3%抽头绕组，磁控箱内装有第一阻容保护电路、第二阻容保护电路、续流二极管、压敏电阻、熔断器、第一晶闸管、第二晶闸管、单相交流电源，其中续流二极管与熔断器串联，压敏电阻与上述串联电路并联，压敏电阻的一端与第二3%抽头绕组相连，压敏电阻的另一端与第一晶闸管的阴极相连,第一晶闸管和第二晶闸管构成共阴极结构，第二晶闸管的两端并接第二阻容保护回路，第二晶闸管的阳极与第二3%抽头绕组相连，第二晶闸管的阴极与第二铁心柱所绕另一普通绕组相连, 第一晶闸管的两端并接第一阻容保护电路，第一晶闸管的阳极与第一3%抽头绕组相连，第一晶闸管的阴极与第一铁心柱所绕另一普通绕组相连。

3.根据权利要求1所述的中高压无功补偿复合结构，其特征在于上述触发反馈模块是晶闸管触发反馈模块。

4.根据权利要求1至3任一项所述的中高压无功补偿复合结构，其特征在于上述双CPU模块还连接有液晶界面和PC界面人机交互模块。

5.根据权利要求4所述的中高压无功补偿复合结构，其特征在于上述双CPU模块包括有ARM处理器与DSP数字处理单元，ARM处理器与DSP数字处理单元通过UART直接相连。

6.根据权利要求5所述的中高压无功补偿复合结构，其特征在于上述双CPU模块中的ARM处理器与DSP数字处理单元直接驱动液晶界面和PC界面人机交互模块中的液晶显示器。

7.根据权利要求6所述的中高压无功补偿复合结构，其特征在于上述双CPU模块中的ARM处理器与DSP数字处理单元通过RS232通讯单元与液晶界面和PC界面人机交互模块中的计算机进行人机界面交互，实现实时远程监控。

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