低压无功补偿装置的设计毕业论文(论文)说明书

./摘要本课题研究以低压电网无功补偿改造为背景,研制了一种360KVAR无功功率补偿装置,该装置以实时的电网监测数据为依据,采用动态补偿的方式,投切、分段时按国家有关规定限制涌流,补偿断电源功率因数不低于0.95,自动补偿电网中的无功损耗,提高功率因数,降低线损,从而提高电网的负载能力和供电质量。装置采用JKL2B—12系列无功功率自动补偿控制器,取样物理量为无功电流,交流采样抗电网高次谐波干扰,提取基波电力参数控制投切电力电容器来提高功率因数。电容器接触器则采用CJ19-63/21系列,该接触器带有抑制涌流装置,能有效的减少合闸涌流对电容的冲击和抑制开断时的过电压。关键字：无功补偿,低压,控制器,接触器,电力电容器AbstractWhatthisarticlestudiesisbasedonthealterationofreactivepowercompensationoflowvoltage,thendevelopeda360KVARreactivepowercompensationdevice.Thedevicebasedonthemonitoringdataofthegridinrealtime,theuseofdynamiccompensationbasedonthewaywhencutting,subsection,throwinginaccordancewithrelevantstateregulationslimitinrushcurrent,powerfactorcompensationoffpowernotlessthan0.95automaticallycompensatereactivepowerlossinthegrid,improvingpowerfactor,reducelineloss,soastoimprovetheloadcapacityandpowersupplyquality.DeviceusesJKL2B-12seriesofreactivepowerautomaticcompensatingcontroller,samplingparametersforreactivecurrentpowerresistance,acsampleHHGinterference,extractionbasewavepowerparametercontrolelectricpowercapacitortocastcutincreasepowerfactor.CapacitorcontactorhasadoptedCJ19-63/21series,thiscontactorwithrejectinrushcurrentdevice,itcaneffectivelyreducetheimpactofcapacitancegushedoffwhenopencircuitandinhibitionofovervoltage.Keywords:reactivepowercompensation,lowvoltage,controller,contactor,electricpowercapacitor目录摘要1Abstract2目录3第1章绪论41.1研究背景41.2无功补偿的发展状况41.3本文的研究内容6第2章无功补偿的原理82.1无功补偿的原理92.2低压电网中的几种无功补偿方式112.3确定补偿容量的几种方法12从提高功率因数需要确定补偿容量122.3.2从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量122.3.3从提高运行电压需要来确定补偿容量122.4低压无功补偿装置的选择应注意的问题132.4.1按投切方式分类132.4.2控制器的选型16电容器投切开关的选型16电容器的选型17第3章360kVar低压无功功率补偿装置的设计193.1低压无功补偿装置功能要求193.2低压无功补偿装置的原理图193.3控制器213.4接触器233.5电容器253.6电抗器263.7控制策略263.8投切方式273.9装置接线图27总结30致谢31参考文献32第1章绪论1.1研究背景目前,我国的电网,特别是广大的低压电网,普遍存在功率因数较低、电网线损较大的情况。导致此现象的主要原因是众多的感性负载用电设备设计落后,功率因数较低。比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的70%,而由于设计和使用等方面的原因我国电动机的功率因数往往较低,一般约为。在这种情况下,采用无功补偿节能技术,对提高电能质量和挖掘电网潜力是十分必要的,世界各国都把无功补偿作为电网规划的重要组成部分。从我国电网功率因数和补偿深度来看,我国与世界发达国家有不小差距。因此大力推广无功补偿技术是非常必要的,并且从以下数据,我们也能看出发展无功补偿所能带来的巨大经济效益。2007年,我国年总发电量为32559亿千瓦时,统计线损率为8.77%,但是这个数字没有包含相当大的110千伏、35千伏、10千伏的输电线损及0.38千伏的低压电网线损。据报道,估计实际的统计线损率约为15%,即2007年全国年线损量约为4800亿千瓦时。设全国的理论线损与统计线损相一致,其中可变线损约占理论总线损的80%,则年可变线损电量约为3900亿千瓦时。设当前全国电力网总负荷的当前功率因数,采用无功功率补偿后,把电力网总负荷的功率因数提高到,则每年可以降低线损约为390亿千瓦时,按0.5元每千瓦时计,价值约为185亿元。设2007年全国电网的最大负荷利用小时数为5000小时,则电网的最大负荷约为2亿千瓦,当用无功功率补偿法把功率因数,提高到,全国电网需总补偿容量约为0.58亿千瓦。当前无功功率补偿装置设备主要为电力电容器,设无功补偿设备每千瓦的平均综合造价为50元,则全国无功补偿装置的总投资约为29亿元。应当指出,节省240亿千瓦时约相当于一座400万千瓦火电厂的年发电量,而建一座400万千瓦的火电厂需综合费用约为300亿元,同时每年需燃烧煤约为1200万吨,每年产生,等有害物质约为600万吨。由此可见,产生相同的电力,无功补偿的费用约为新建电厂费用10%,而且无功补偿设备的费用仅需两个月的无功功率补偿的将损节电费用即可全部收回。综上所述,无功补偿不仅具有如上所述的节省投资、节省电力、节省燃煤及污染等作用,同时还可以提高电力系统设备的供电能力,改善电压质量,减少用户电费开支,延缓用户的增容改造等作用。1.2无功补偿的发展状况近20年来,世界各地〔包括美国、法国、意大利、英国、俄罗斯、日本等国发生的由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国的高度重视。持续了短短72

小时的8.14

美加大停电给美国造成了巨大的经济损失和社会影响,这次事故提醒人们,电网运行要有足够的无功备用容量,无功不能靠远距离传输,在电力市场环境下,必须制定统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供充足的无功备用。在我国也曾多次发生电压崩溃事故,如1993

年和1996

年南方电网的几次事故,这些事故都促使人们采取各种措施以维持电网稳定。早期的无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器,多用在系统的高压侧进行集中补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式,应用范围广泛,只是控制器在不断的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机,当励磁电流发生改变时,电动机可随之平滑的改变输出无功电流的大小和方向,对电力系统的稳定运行有好处。但同步补偿器成本高,安装复杂,维护困难,使其推广使用受到限制。随着近代电力电子技术的出现和发展,无功补偿技术也随之发展。在第一个工业用晶闸管出现之前,电子半导体由于功率过小,在直流传动,交流传动,电磁合闸,交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用。晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生,并以此为起点,随着半导体制造技术和变流技术的发展,新型的电力电子器件不断问世,由此引发了众多行业的变革,如交流变频调速技术的蓬勃发展。同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展锲机。无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面：1．是作为投切电容器的开关。因为电力半导体开关的响应时间短<PS级>,所以能够选择电容的投切角度,实现零电压投切,避免了涌流的产生,提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性。现代并联电容器补偿装置中的输出回路就引进了该项技术。2．是作为无功输出的调节开关。由于电力电子器件的高开关频率,使其能够方便地控制电容器电流的导通角,从而实现无功的连续调节,快速跟踪负载无功的变化。静止型无功补偿器是其中的代表。3．是引入电力电子变流技术,将变流器作为无功电源来调节无功的输入和输出,起到补偿负载无功的作用。经常用的是静止调相机和有源滤波器。由无功补偿源在主电路回路中连接方式的不同,无功补偿器可分为并联型和串联型两种结构。依据电力电子技术在无功补偿中应用的方式不同,现代无功补偿装置大致可分为以下几种类型：1．TSC<ThyristorSwitchedCpacitor>型无功补偿装置,它属于并联型无功补偿装置。主回路如图1-1所示,是由多台电力电容器并联以及由可控硅构成的执行机构组成。装置根据无功电流的大小来决定投入电容组数。由此可见TSC的无功调节是有级的,它无法连续的输出无功,这使其在使用中存在合理选择电容,适当分级的问题。但它的优点也明显,即结构简单,控制方便,电容器利用率高,使用中不存在谐波污染等。2．FC-TCR<Fixedcapacitor-ThyristorControlledReactor>型无功补偿装置,它属于并联型无功补偿装置。其主回路如图1-2所示。FC-TCR方式是用双相可控硅的相位控制,调整电抗器的电流,从而调整无功功率的方式。当以电压零相位为基准时,调节TCR中的可控硅的引燃角。可以从到范围内变化。补偿器的电流,此电流可随角的变化而变化为感性或容性,这样就改变了FC-TCR的无功功率,并可连续均匀的调节。由于TCR中除可控硅全导通或关断之外器电流都是非正弦的,所以它是一个电流谐波源,对电网有一定的危害。该装置在电容和电感之间形成无功损耗,电容利用率低并且电抗器体积较大,成本高。图1.1TSC型无功补偿装置主回路图1.2FC-TCR型无功补偿器的主回路3．静止调相机ASVC<AdvantageStaticVarCompensator>,属于串联型补偿器。它由于输出电压可超前或滞后系统电压,因此可以和系统进行有功、无功之间的交换。它可以连续调节无功,并且能够抑制谐波,补偿特性较好。但该系统存在结构复杂,控制难度大,制造和维护都不便,成本高等问题,不便在全国推广使用。1.3本文的研究内容当前,在农网、城网改造建设中都需要无功补偿装置,无功补偿更广泛地应用于工矿、医疗、科研、企业、油田、煤矿、港口、居民小区、公用设施等需要低压无功快速补偿的电力用户。采用电力电容器进行无功补偿是节能降损、改善电网电压质量最方便、最经济有效的方法之一,这种方法安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小。本文正是基于马钢耐火材料公司的供电系统的特点和改造工程低压无功补偿电控柜项目的技术要求,设计一种以接触器为投切开关的低压无功补偿装置,该装置具有较高的经济适用性。根据采用接触器投切的方法,并设计出低压无功补偿器的电容器和电抗器,设计三相电容器保护,设计出电容器、限流电抗器参数等。本文的结构安排如下:第一章是绪论部分,对该课题的研究背景和低压无功功率补偿装置的发展应用现状作一概括性的介绍；第二章介绍了无功功率补偿的相关理论,包括无功功率补偿的几种基本方式,确定补偿容量的方法以及低压无功功率装置的选择等等；第三章给出了低压无功功率装置的整体设计方案,并对各个功能模块所实现的功能和设计方案作详细的介绍。第2章无功补偿的原理电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工做的。磁场所具有的磁场能是由电源供给的。电动机和变压器在能量转换过程中建立交变磁场,在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等,这种功率称为感性无功功率。接在交流电网中的电容器,在一个周期内上半周的充电功率与下半周的放电功率相等,这种充电功率叫做容性无功功率。所以无功功率被使用于建立磁场和静电场,它存储于电感和电容中,通过电力网往返于电源和电感、电容之间。无功功率在电力网元件中流动,将会在电力网元件中引起电压损耗和功率损耗,降低电网的电压质量,增加电网的线损率。图2.1局部电力网的等值电路图由局部电力网的等效电路图2．1可知,电力网中由于无功负荷而带来的电压损耗的计算公式为：式中：——电网的额定电压——元件的末端电压——电网中的电压和电流的差角RX——电网中元件的等效电阻和电抗——元件末端的有功负载和无功负载由上式可知由负荷的无功功率在元件引起的损耗的计算公式为:而由负荷的有功功率在元件中引起的电压损耗的计算公式为：可见的元件电阻小于电抗的电网中,无功引起的电压损耗占主要部分。 电网中的线损公式如下：式中：,,其中有功线损的计算公式为：R,这其中由于无功功率在电网中流动而引起的有功线损的计算公式为：由上述分析可见,要减少电力网中的电压损耗和电网的线损率,提高用户端的电压质量的重要措施之一,是减少电力网元件中的无功传输,可以从提高负荷的自然功率因数和进行无功补偿两方面来解决这个问题。2.1无功补偿的原理将电容器和电感并连在同一电路中,电感吸收能量时,正好电容器释放能量,而电感放出能量时,电容器却在吸收能量。能量就在它们之间交换,即感性负荷<电动机、变压器等>所吸收的无功功率,可由电容器所输出的无功功率中得到补偿。因此,把由电容器组成的装置称为无功补偿装置。此外,同步电动机等也可以作为无功补偿装置。无功补偿的作用和原理可由图2．2来解释：设电感性负荷需要从电源吸取的无功功率为,装设无功补偿装置后,补偿无功功率为,使电源输出的无功功率减少为,功率因数由提高到,视在功率减少到。图2.2无功补偿原理示意图视在功率的减少可相应减少供电线路的截面和变压器的容量,降低供用电设备的投资。例如一台1000千伏安的变压器,当负荷的功率因数为0.7时,可供700千瓦的有功负荷,当负荷的功率因数提高到0.9时,可供900千瓦的有功功率。同一台变压器,因为负荷的功率因数的提高而可多供200千瓦负荷,是相当可观的。可见,因采用无功补偿措施后,电源输送的无功功率减少了,相应的也使电网和变压器中的功率损耗的下降,从而提高了供电效率。由电压损耗计算公式可知,采用无功补偿措施后,因通过电力网无功功率的减少,降低了电力网中的电压损耗,提高了用户处的电压质量。并联电容器的无功补偿作用和原理,也可以用图2.3加以说明。图2.3并联电容器的补偿电流向量图图中的用电负荷总电流可以分解为有功电流分量,和无功电流分量<电感性的>。当并联电容器投入运行时,流入电容器的容性电流与方向相反,故可抵消一部分使电感性电流分量降低为,总电流由降为,功率因数也由提高到。这时,负荷所需的无功功率全部由补偿电容供给,电网只需供给有功功率。根据第一章的有功电流与无功电流的定义,还可以用图2.4理解电力系统中无功补偿的作用与原理。设负荷实际吸收的电流为,为了使输电线路上流过纯有功电流,则需要在负荷端接入一个无功补偿器,补偿器提供的电流为,则这里的就是无功电流,这就是电力系统中进行无功补偿的要点。这是完全的补偿,线路上的电流是为产生负载实际功率<平均功率>而携带能量最小的电流,因而在线路上造成的损失是最小的。此时,的波形和相同,即电压和电流的相位相同。图2.4电力系统无功补偿原理图2.2低压电网中的几种无功补偿方式广大市电低压电网处于电网的最末端,因此补偿低压无功负荷是电网补偿的关键。搞好低压补偿,不但可以减轻上一级电网补偿的压力,而且可以提高用户配电变压器的利用率,改善用户功率因数和电压质量,并有效降低电能损失。低压补偿对用户及供电部门都有利。低压无功补偿的目标是实现无功的就地平衡,通常采用地方式有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。随机补偿就是将低压电容器组与电动机并联,通过控制、保护装置与电机共同投切。随机补偿地优点是：用电设备运行时,无功补偿投入,用电设备停止运补偿装置也退出,不需要频繁调整补偿容量。且具有投资少,配置灵活,维修简单等优点。为防止电机推出时产生自激过电压,补偿容量一般不大于电机的空载无功。随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧,以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。有很多的低压配电网中的变压器,尤其是农网配电变压器,普遍存在负荷轻的现象。在负荷时接近空载,此时配电变压器的空载无功是电网无功负荷的主要部分。随器补偿由于补在低压侧,可有效地补偿配变空载无功,且连线简单,做到无功地就地补偿。跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置,将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。补偿电容器组的固定连接可起到相当于随器补偿的作用,补偿用户的固定无功基荷；可投电容器组用于补偿无功峰荷部分。由于用户负荷有一定的波动性,故推荐选用自动投切方式。此法对电容器的保护比前二种要更可靠。上述三种补偿方式均可对特定种类无功负荷实现"就地平衡"的无功补偿,降损节能效果好。2.3确定补偿容量的几种方法从提高功率因数需要确定补偿容量设电网的最大负荷月的平均有功功率为,补偿前的功率因数为,补偿后的功率因数为,则所需要的补偿容量的计算公式为:若要求将功率因数由提高的而小于,则补偿容量计算为：从降低线路有功损耗需要来确定补偿容量设补偿前线路中的电流为,相应的有功电流为,无功电流为,补偿无功后线路中的电流为,相应的有功电流为,无功电流为,则补偿前的线路损耗为：补偿后的线路损耗为：则补偿后线损降低的百分值为：若根据要求已经确定,则可求得：则补偿容量可以按来计算。从提高运行电压需要来确定补偿容量配电线路末端电压较低,通常是通过无功补偿来提高供电电压的,因此,有时要从提高线路电压来确定补偿容量。 设补偿前线路电源电压为,线路末端电压为,线路输送的有功功率为,无功功率为,电阻为,电抗为,则补偿无功后,线路末端电压升为则所以投入无功补偿后末端电压增量为故补偿容量若为三相线路,则所需的补偿容量为式中——三相线路的线电压增量,KV——三相线路的线电压,KV2.4低压无功补偿装置的选择应注意的问题无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数,降低供电变压器及输送线路的损耗,提高供电效率,改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置,可以做到最大限度的减少网络的损耗,使电网质量提高。反之,如选择或使用不当,可能造成供电系统,电压波动,谐波增大等诸多因素。按投切方式分类1.延时投切方式

延时投切方式即人们熟称的"静态"补偿方式。这种投切依靠于传统的接触器的动作,当然用于投切电容的接触器专用的,它具有抑制电容的涌流作用,延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作时,电容器造成损坏,更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统振荡,这是很危险的。当电网的负荷呈感性时,如电动机、电焊机等负载,这时电网的电流滞带后电压一个角度,当负荷呈容性时,如过量的补偿装置的控制器,这是电网的电流超前于电压的一个角度,即功率因数超前或滞后是指电流与电压的相位关系。通过补偿装置的控制器检测供电系统的物理量,来决定电容器的投切,这个物理量可以是功率因数或无功电流或无功功率。

下面就功率因数型举例说明。当这个物理量满足要求时,如cosΦ超前且>0.98,滞后且>0.95,在这个范围内,此时控制器没有控制信号发出,这时已投入的电容器组不退出,没投入的电容器组也不投入。当检测到cosΦ不满足要求时,如cosΦ滞后且<0.95,那么将一组电容器投入,并继续监测cosΦ如还不满足要求,控制器则延时一段时间〔延时时间可整定,再投入一组电容器,直到全部投入为止。当检测到超前信号如cosΦ<0.98,即呈容性载荷时,那么控制器就逐一切除电容器组。要遵循的原则就是：先投入的那组电容器组在切除时就要先切除。如果把延时时间整定为300s,而这套补偿装置有十路电容器组,那么全部投入的时间就为30分钟,切除也这样。在这段时间内无功损失补只能是逐步到位。如果将延时时间整定的很短,或没有设定延时时间,就可能会出现这样的情况。当控制器监测到cosΦ〈0.95,迅速将电容器组逐一投入,而在投入期间,此时电网可能已是容性负载即过补偿了,控制器则控制电容器组逐一切除,周而复始,形成震荡,导致系统崩溃。是否能形成振荡与负载的性质有密切关系,所以说这个参数需要根据现场情况整定,要在保证系统安全的情况下,再考虑补偿效果。2.瞬时投切方式

瞬时投切方式即人们熟称的"动态"补偿方式,应该说它是半导体电力器件与数字技术综合的技术结晶,实际就是一套快速随动系统,控制器一般能在半个周波至1个周波内完成采样、计算,在2个周期到来时,控制器已经发出控制信号了。通过脉冲信号使晶闸管导通,投切电容器组大约20-30毫秒内就完成一个全部动作,这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的。动态补偿方式作为新一代的补偿装置有着广泛的应用前景。现在很多开关行业厂都试图生产、制造这类装置且有的生产厂已经生产出很不错的装置。当然与国外同类产品相比从性能上、元器件的质量、产品结构上还有一定的差距。动态补偿的线路方式:<1>LC串接法原理如图2.5所示,这种方式采用电感与电容的串联接法,调节电抗以达到补偿无功损耗的目的。从原理上分析,这种方式响应速度快,闭环使用时,可做到无差调节,使无功损耗降为零。从元件的选择上来说,根据补偿量选择1组电容器即可,不需要再分成多路。既然有这么多的优点,应该是非常理想的补偿装置了。但由于要求选用的电感量值大,要在很大的动态范围内调节,所以体积也相对较大,价格也要高一些,再加一些技术的原因,这项技术到目前来说还没有被广泛采用或使用者很少。<2>采用电力半导体器件作为电容器组的投切开关,较常采用的接线方式如图2.6图中BK为半导体器件,C1为电容器组。这种接线方式采用2组开关,另一相直接接电网省去一组开关,有很多优越性。图2.5LC串联法图2.6采用电力半导体器件作为电容器组的投切开关作为补偿装置所采用的半导体器件一般都采用晶闸管,其优点是选材方便,电路成熟又很经济。其不足之处是元件本身不能快速关断,在意外情况下容易烧毁,所以保护措施要完善。当解决了保护问题,作为电容器组投切开关应该是较理想的器件。动态补偿的补偿效果还要看控制器是否有较高的性能及参数。很重要的一项就是要求控制器要有良好的动态响应时间,准确的投切功率,还要有较高的自识别能力,这样才能达到最佳的补偿效果。

当控制器采集到需要补偿的信号发出一个指令〔投入一组或多组电容器的指令,此时由触发脉冲去触发晶闸管导通,相应的电容器组也就并人线路运行。需要强调的是晶闸管导通的条件必须满足其所在相的电容器的端电压为零,以避免涌流造成元件的损坏,半导体器件应该是无涌流投切。当控制指令撤消时,触发脉冲随即消失,晶闸管零电流自然关断。关断后的电容器电压为线路电压交流峰值,必须由放电电阻尽快放电,以备电容器再次投入。

元器件可以选单项晶闸管反并联或是双向晶闸管,也可选适合容性负载的固态接触器,这样可以省去过零触发的脉冲电路,从而简化线路,元件的耐压及电流要合理选择,散热器及冷却方式也要考虑周全。3.混合投切方式

实际上就是静态与动态补偿的混合,一部分电容器组使用接触器投切,而另一部分电容器组使用电力半导体器件。这种方式在一定程度上可做到优势互补,但就其控制技术,目前还见到完善的控制软件,该方式用于通常的网络如工矿、小区、域网改造,比起单一的投切方式拓宽了应用范围,节能效果更好。补偿装置选择非等容电容器组,这种方式补偿效果更加细致,更为理想。还可采用分相补偿方式,可以解决由于线路三相不平行造成的损失。在无功功率补偿装置的应用方面,选择那一种补偿方式,还要依电网的状况而定,首先对所补偿的线路要有所了解,对于负荷较大且变化较快的工况,电焊机、电动机的线路采用动态补偿,节能效果明显。对于负荷相对平稳的线路应采用静态补偿方式,也可使用动态补偿装置。对于一些特殊的工作环境就要慎重选择补偿方式,尤其线路中含有瞬变高电压、大电流冲击的场合是不能采用动态补偿的。一般电焊工作时间均在几秒钟以上,电动机启动也在几秒钟以上,而动态补偿的响应时间在几十毫秒,按40毫秒考虑则从40毫秒到5秒钟之内是一个相对的稳态过程,动态补偿装置能完成这个过程。如果线路中没有出现这么一段相对的稳态过程并能量又有较大的变化,我们把它称为瞬变或闪变,采用动态补偿就要出问题并可能引发事故。低压无功补偿装置的功能主要是减少线损、稳定电压质量、提高变电设备的负载能力。低压无功补偿装置的主要元件包括控制器,电容器投切开关,电容器等。在这3个元件中,都相应地存在着一些值得注意的问题,这些问题是目前低压无功补偿装置损坏率高,运行效果不佳的主要原因。随着人们对配电网建设的重视和无功补偿技术的发展,低压侧无功补偿技术在配电系统中得到了广泛的应用。目前我国城镇低压用户的用电量大幅增长,企业、厂矿和小区等对无功功率的需求都很大。在配变低压侧直接进行无功补偿,可有效提高配变利用率,降低网损,具有较高的经济价值；且低压无功补偿装置接线简单、运行维护工作量小,因此在低压侧进行无功补偿是目前无功补偿中常用的手段之一。本文从低压无功补偿装置的控制条件入手,对装置的三大主要部件的性能进行了分析。控制器的选型无功功率补偿控制器,即无功补偿装置的指挥系统,它首先要对电网的电压、电流量进行采集,通过中央处理器的快速运算,得到电网的有功功率、无功功率、无功电流、功率因数等参数,经计算再根据参数设定值发出投切指令,控制投切开关的动作,从而控制电容器组的投切。同时采样方式的选择、参数的设定、装置器件的保护等均通过控制器来实现。无功补偿控制器的种类很多,有些只能进行一般的控制,不能存储数据和通信,从而不能很好地了解装置的投运情况,如投切前的数据和投切后的数据、电容的投切情况等,JKWD型无功控制器除具有无功补偿功能以及过压、过流、失压、断相、过热保护功能外,还具有测量、查询、数据存储、通信等功能,而且还配套数据分析管理软件。为保证无功补偿控制器正常地进行控制、测量、存储、通信和保护,必须注意以下几点：①装置时钟必须正确。②采样TV变比的正确性。③通信波特率的正确性。④投切条件的限值设置的正确性。⑤保护条件的限值设置的正确性。控制器是无功补偿装置的核心元件,已经历了十几代产品,目前几乎每一代产品在市场上都有销售。早期的产品只采集一相电流,以功率因数为判据,在负荷较轻时,会造成电容器投切开关的振荡和频繁投切,致使电容器投切开关在短期内损坏。当三相负荷不平衡时,又会造成欠补偿或过补偿现象,不能真正达到节能与稳定电压质量的目的&过补偿时,甚至会对电网安全运行造成不良影响。近两年来,采集三相电压、电流,分相分级采用综合判据来控制投切的控制器开始陆续推向市场,且增加了配电监测功能、该产品设计出发点较好,但大多制造厂家仅仅重视了配电监测的功能,忽视了该产品控制电容器投切这一核心功能&控制产品与检测显示仪表的设计思想与技术侧重点是有根本区别的。控制产品非常重视产品的抗电磁干扰性能,以及在极端环境中工作控制性能的稳定性&而检测显示仪表则讲究体积精巧、外观漂亮、成本低。同类产品大部分因体积太小,散热效果不好,以致于高温季节烧毁控制器的现象时有发生。由于市场的无序竞争,致使产品在设计中为了降低造价,不得不以降低产品的抗电磁干扰性能为代价,采用塑料外壳,使用商业级元件,甚至有些制造厂降低技术标准,割舍一些必要的后备保护功能。电子产品制造过程中元件老化筛选、工艺处理以及成品高温状态通电老化是非常专业的,要求非常严格,一些非正规的厂家根本就没有做这方面的工作。如果这些偷工减料的劣质产品在电网中运行,将会带来严重的后果&无功补偿控制器是无功补偿装置的核心元件,无功补偿装置能不能正常工作,补偿效果如何,与控制器的内在质量关系很大,选型时应首先考虑控制器产品的特点,将可靠性放在第一位,在满足控制可靠性前提下再选外观、价格,否则将得不偿失。电容器投切开关的选型投切开关是低压无功补偿装置中最容易损坏的关键元器件,投切开关目前有三代产品,分别是交流接触器、晶闸管和复合开关。其中,交流接触器存在投切产生涌流和频繁投切容易烧坏触头的缺点,但其长期运行不发热；晶闸管存在投切产生谐波和长期运行发热烧坏的缺点,但其投切无浪涌且响应速度快；复合开关基本工作原理是将晶闸管与接触器并接,使复合开关在接通和断开的瞬间具有晶闸管过零投切的优点,而在正常接通期间又具有接触器无功耗的优点,同时可扩展很多的保护功能。所以选用复合开关是以后发展的主要趋势,DPFK型智能低压复合开关具有过零投切功能、电压故障缺相保护、电源电压缺相保护、自诊断故障保护、空载保护、停电保护、无谐波注入、功耗小等特点。要保证复合开关长期、可靠的运行,选用时必须注意以下几点：①复合开关的额定电流必须与投切的电容的额定电流匹配。②复合开关的接线端子过流要满足额定电流。③复合开关的端子的接线必须牢固可靠。电容器投切开关是无功补偿的另一个重要器件,早期多采用接触器,在投入过程中涌流大,严重时,会发生触头熔焊现象。投切过程中有电弧,存在触头烧蚀现象,加上控制器质量不好,会产生投切振荡,更加快了接触器损坏的速度&近些年来,一些制造厂开始用可控硅作为电容器投切开关。可控硅可以在电压过零时投入,电流过零时切除,涌流小,无电弧。但其存在两个问题<一是可控硅运行中自身发热,尤其是户外运行的补偿装置,很难在夏季炎热天气中正常运行,节能效果也不好>另外一个问题是,可控硅在电压非过零时误触发,可控硅电流上升率过大也会使其损坏。事实证明,单独用可控硅作为投切电容器的开关是不太理想的。具体投切开关的选型要针对所设计的补偿装置,只有这样才能最大发挥所选投切开关的性能。如果电网电压波动不大,负载较平稳,动态补偿要求不太高不需要快速反应,则选择接触器投切便可。对于投切开关的涌流保护则加电抗器便可。电容器的选型补偿装置要长期、可靠运行,必须选用质量良好的电容器,电容器接入电力系统中使用,总是在满载荷下运行,仅在电压或频率波动时,载荷才有变动。在运行中如果电压、电流和温度超过了规定的限度,就会缩短电容器的寿命；同时选用时还要考虑电容器的体积、重量等。电容器在正常运行中,必须注意以下几点：①采用的投切开关的额定电流必须与电容的额定电流匹配。②电容器与投切开关的连接线必须满足额定电流的需要。③固定在电容器上的连接线必须可靠牢固的连接。低压无功补偿装置中已基本淘汰了油浸式电容器,被干式电容器所代替。三角形接法的电容器投切过程中因存在过电压冲击,损坏击穿的概率较高,冲击过电压对于具有可控硅器件的复合开关来讲,也具有较大的影响。所以最好采用星形接法的电容器,这种具有零线引出抽头的电容器,可将电容器电压限制在相电压范围之内。如果控制器及投切开关配合,再将谐波涌流限制好,电容器的使用寿命会大大延长。低压无功自动补偿装置及其元件制造厂家非常多,各种层次的产品质量相差甚远,成本差别极大。无功补偿装置选好了,使用寿命很长,确实能起到节能、稳定电压质量的目的,既有明显的经济效益,又有很好的社会效益。如果选型不好,监管不严,会危及电网的安全运行、所以,低压无功补偿装置要统一规划,统一标准,加强监管,强调实用性,兼顾长远发展,除了节能降耗外,还要为用电管理,配网自动化建设打好基础,确实让无功补偿装置发挥更好的作用。针对本文所要选择的自愈式电容器,其具有绝缘自复机能,且采用耐电压及诱电性良好之金属化塑料腊<MPP>为介质,如发生介质破坏时,此破坏点周围的金属化电极在瞬间即被挥发消失掉,而立即恢复绝缘,使电容器必得正常并继续运转,达到绝缘自复机能。当线路或个体电容器发生异常时,附装保护装置将会立即动作,自动切离电源,以防止二次灾害的发生。附装放电电阻,可确保用电及维护保养之安全。第3章360kVar低压无功功率补偿装置的设计本章主要讲述360kVar低压无功补偿装置的整体设计的思路和具体设计的接线图以及结构及组成。3.1低压无功补偿装置功能要求根据马钢耐火材料公司的供电系统的特点和改造工程低压无功补偿电控柜项目的技术要求,负载较平稳,动态补偿要求不太高,这里采用接触器投切的方法,并设计出低压无功补偿器的电容器和电抗器,设计三相电容器保护,设计出电容器、限流电抗器参数等。根据电网电压和无功功率的大小,采用一套自动投切电容器组的补偿装置的控制回路。采用动态补偿的方式,投切、分断时应按国家有关规定限制涌流；补偿段电源功率因数不低于0.95。将保证功率不罚款和谐波指标满足国家标准GB/T14549-93的要求。每套360kVar无功补偿电控柜采用12路30kVar容量的电容器。功能要求：具有动态无功补偿的功能,采用接触器控制自动投切,可以连续频繁投切电容器组而不影响开关和电容器的寿命；串联电抗器用来限制投切电流、抑制谐波；采用计算机数字化控制技术,实时检测无功功率,动态跟踪补偿,使功率因数始终保持在预先设定的cosφ左右,智能控制器按"顺投倒切"〔从大到小投入,从小到大切除的规则实行自动投切,保证了谐波不放大。3.2低压无功补偿装置的原理图图3.1低压无功补偿装置原理图如图3.1所示为低压无功补偿原理图。主要由控制器、接触器、熔断器、电抗电容器等组成。装置本身产生的容性无功电流实时、快速、准确地抵消电网中的感性无功电流,从而提高了功率因数,保证了用电质量,提高了供电设备的供电能力,并减小了电路中的损耗。装置取A相电流Ia和A、N间的相间电压为检测信号,采集到电压电流信号后,检测出电网电压和无功功率的大小,送至处理器,通过程序计算出无功补偿量,然后发出电容器投切控制信号,自动完成无功补偿。本装置补偿容量由12路30kVar容量的电容器组成。采用了根据无功功率和电网电压大小的综合控制策略,有自动投切电容器组的补偿装置的控制回路。本系统选择了优先满足电压的原则,即先根据电网电压值的高低来决定是否投切电容器,在电压合格的范围内再根据无功功率的大小来控制电容器的投切。这时,在电压变化很大的特殊情况下,电容器仍然能够适当动作以保持合格的电压;在电压合格的范围内,电容器又能根据无功功率大小进行合适的补偿。这样一来,在电压与无功功率的相互配合下,补偿器既能进行无功功率的平衡,又能反映电压的频繁变化,大大提高了控制的可靠性和灵活性。同时,在电压上下限附近设置了回差区间。当电压超限又立即跳至回差区间时电容器不会动作,这样有效地防止了投切振荡。其中无功功率控制是指根据测得的电压、电流和功率因数等参数,计算出应该投入的电容容量,然后在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式,电容器投切一次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量<下限值>,则应保持补偿状态不变。只有当所需容量大于或等于下限值时,才执行相应的投切。本装置中设置的电灯主要用于在电容断开时消耗电容中的电流,为放电指示灯。FV为避雷装置。并设计出了低压无功补偿器的电容器和电抗器。3.3控制器型号JKL2BF<中国.指月集团有限公司生产>.主要用途与适用范围JKL系列无功功率自动控制补偿器采用国内外最先进的单片机控制技术,取样物理量为无功电流,交流采样抗电网高次谐波干扰,提取基波电力参数控制投切电力电容器来提高功率因数.该产品符合JB/T9663-1999行业标准,可广泛适用于不同的电网环境.工作条件电源电压:额定值为交流220V或380V,波动不能超过±10%.环境温度:-25℃相对湿度:最大相对湿度为90%<20℃海拔高度:不超过2000m.环境条件：无爆炸易燃的危险介质,无腐蚀金属的气体及损坏电气绝缘的导电尘埃。型号及含义JKL2BF取样电压为相电压220V,开孔尺寸为162*102mm,整机重量0.95kg。主要技术参数基本技术参数：额定电流：AC0-5A电流输入阻抗：《0.02Ω额定电压：AC220V或380V频率：50Hz/60Hz外壳防护等级：IP40功率：最大8W触电容量：AC220V/7A或AC380V/3A每支路灵敏度：50mA控制参数可调范围及出厂整定值：技术参数参数值出厂设定值过压预值230-300V可调步长1V245V/440V延时预置1-250s可调步长1s30sC/K比值0.00-1.00可调步长0.010.10投入门限0.80-0.99可调步长0.010.95切除门限滞后0.91-超前0.90可调步长0.011.00控制组数1-12回路或1-16回路可设置硬件允许最大值安装使用及维护功能选择:数码管第一位显示功能代码,根据代码表,在自动时若按键少于0.5S则只能在手动和自动之间切换;若超过1S则可以循环选择所有代码.<代码含义说明键代码表>.参数修改：当你选定某种功能代码后,释放键,按键参数增加,按键参数减少,参数修改后,释放按键,30S内操作键切换到自动状态,这时候新参数将自动保存；若是在30S内无按键操作则控制器会返回自动状态,这时候修改的参数停电后将不能保存,控制器按原先设置工作。手动运行：自动时点击可以直接进入手动运行状态第一位LED显示H,按键手动投入；按键手动切除。代码表：代码代码含义数码显示内容操作或A自动运行电网功率因数无效B投入门限功率因数投入点0.80-0.99供选定C时间设置延时时间设置值1-250s供选定D过压设置过压电压设置值230-300V/400-500V供选定EC/K设置电容除以电流变比0.00-1.00供选定F切除门限功率因数切除点0.90--.90供选定L路数设置输出回路数设置值1-12或1-16路供选定U显示电压取样电压值〔伏无效P显示电流取样电流值<安>无效H手动运行电网功率因数电容器组将依次投入或切除检验须知：按接线图示接通电源和取样电流后,LED显示0168延时0.5S后显示功率因数。当电压高于过压设定值时过压指示灯亮,LED交替显示电网电压值和功率因数,并且每5S切除一路电容器。当无取样电流或取样电流小于50mA时,LED只显示数据000.控制器不检验功率因数同时执行切除操作。在不过压,不欠流并处于自动运行状态时,若电网功率因数滞后于投入门限同时无功功率高于C/K设定值时,投入指示灯亮,持续超过延时时间则投入一路,若电网功率因数超前于切入门限时,切除指示灯亮,持续超过延时时间则切除一路；若功率因数大于投入门限而小于切除门限,则不投不切。当低无功指示灯亮时,表示当前功率因数低于投入门限设定值,但是电网的无功功率小于每步电容值这时候将不会投入电容器,以免过补偿。接线图示：图3.2JKL-2BF无功补偿控制器接线图接线说明：1.Ua,Un电压信号输入端,接A相和N线；2.Ia,In电流信号输入端；3.J1-J12为12组接触器线包；4.P、V为接触器电源端子,若接触器为380V,P、V接两根相线；若接触器为220V,P、V接N和一根相线,P、V接线允许相互调换。3.4接触器本装置电容器专用接触器选型为CJ19-63/21。该型号主要用于交流50HZ或60HZ,额定工作电压至380V的电力线路中,供低压无功功率补偿设备投入或切除低压并联电容器之用。接触器带有抑制涌流装置,能抑制接通电容器瞬间所出现的涌流,并能有效的减少合闸涌流对电容的冲击和抑制开断时的过电压。特别适用于带有微机控制的无功功率自动补偿电容器柜中。接触器的结构与特点1.结构：接触器主要由电磁系统、触点系统、灭弧系统及其它部分组成。①电磁系统：电磁系统包括电磁线圈和铁心,是接触器的重要组成部分,依靠它带动触点的闭合与断开。②触点系统：触点是接触器的执行部分,包括主触点和辅助触点。主触点的作用是接通和分断主回路,控制较大的电流,而辅助触点是在控制回路中,以满足各种控制方式的要求。③灭弧系统：灭弧装置用来保证触点断开电路时,产生的电弧可靠的熄灭,减少电弧对触点的损伤。为了迅速熄灭断开时的电弧,通常接触器都装有灭弧装置,一般采用半封式纵缝陶土灭弧罩,并配有强磁吹弧回路。④其它部分：有绝缘外壳、弹簧、短路环、传动机构等。2.特点：接触器为直动式双断点结构,触头系统分上下两层布置,上层有三对限流触头与限流电阻构成抑制涌流装置。当合闸时它先接通经数毫秒滞后工作触头接通,限流触头中永久磁块在弹簧反作用下释放,断开限流电阻,使电容器正常工作。CJ19-63/21的接触器有三对辅助触头。接触器接线端有绝缘罩覆盖,安全可靠。线圈接线端带有标出电压数据,可防止接错。正常工作条件和安装条件周围空气温度为：-5℃-+40℃,24小时内其平均值不超过+海拔高度：不超过2000m；大气条件：在+40℃污染等级：3级；安装条件：安装面与垂直面倾斜度不大于±5°。.主要参数及技术性能参数名称参数电寿命〔万次10额定电流le〔380VA43可控电容器容量〔Kvar220V15380V30额定绝缘电压〔V500抑制涌流能力20le动作条件吸合〔85%-110%Us；释放〔20%-75%Us线圈功率〔VA起动/保持200/20辅助触头控制容量AC15360VA；DC1333W重量<kg>1.4接触器的接线接触器为直动式双断点结构,触头系统分上下两层布置,上层有三对限流触头和限流触头构成抑制涌流装置。当合闸时它先接通数毫秒后工作触头接通,限流触头中永久磁块在弹簧反作用下释放,断开限流电阻,使电容器正常工作,接触器内部电路图如下。CJ19-63接触器有三对辅助触头。图3.3接触器的结构示意图3.5电容器本装置采用电容器BSMJ0.45-30-3,BSMJ0.45-30-3是自愈式低电压并联电容器,主要用于低压电网提高功率因数,减小无功损耗,改善电压质量。根据以下规定要求确定电容器安装组数和容量。B1629-75规定:能在一昼夜中,在最高不超过1.1倍其额定电压<瞬时过电压除外>下运行不超过6小时,"1.1"是额定电压过电压最高值.对与本文中的0.4KV母线电压最高过电压不允许超过0.44kV.电流与过电压和高次谐波造成电器损坏,因此我国规定稳态过电流不超过1.3。于补偿电容的投入很可能造成过补偿,尤其是在全压轻载条件下投入补偿电容,因此规定:Q+≤1.35〔2-6要说明的是由于控制器判断电容投切的主要根据检测到实际电网无功量,与已输入的判据比较输出决策,同时因为实际工作中的负载负荷是不断变化,所以电容容量也只能概算而不可能精确给出,所以补偿容量主要是先确定每1KW的补偿量后再根据实际需要补偿量来共同决定无功无偿容量。电容器特点：1.体积小、重量轻：由于使用金属化聚丙烯薄膜新材料作为介质,体积、重量公为老产品的1/4或1/5。2.损耗低：实际值低于0.10%,所以电容器自身能耗很低,发热小,温升低,工作寿命长,节能效果更佳。3.优良的自愈性能,过电压所造成的介质局部击穿能迅速自愈,恢复正常工作,使可靠性大为提高。4.安全性：内装自放电电阻和保险装置。内装放电阻能使电容器上所储的电能自动泄放掉；当电容器发生故障时,保险装置能及时断开电源,避免故障的进一步发展,确保使用安全。5.不漏油：本电容器采用先进的半固体浸渍剂,滴熔点高于70℃技术指标：额定电压：400VAC额定容量：1-40kvar容量允差：-5～+10%损耗角正切值：低于0.10%极间耐电压：2.15Un.2s极壳间耐压：3kV<AC>10s绝缘性：极壳间500VDC1分钟大于1000MΩ最高过电流：额定电流的130%最高过电压：额定电压的110%自放电特性：断开电源3分钟后,剩余电压降至50V以下补偿装置要长期、可靠运行,必须选用质量良好的电容器,电容器接入电力系统中使用,总是在满载荷下运行,仅在电压或频率波动时,载荷才有变动。在运行中如果电压、电流和温度超过了规定的限度,就会缩短电容器的寿命；同时选用时还要考虑电容器的体积、重量等。电容器在正常运行中,必须注意以下几点：①采用的投切开关的额定电流必须与电容的额定电流匹配。②电容器与投切开关的连接线必须满足额定电流的需要。③固定在电容器上的连接线必须可靠牢固的连接。低压无功补偿装置中已基本淘汰了油浸式电容器,被干式电容器所代替。如果控制器及投切开关配合,再将谐波涌流限制好,电容器的使用寿命会大大延长电容器的接线方式：本补偿装置补偿电容器的接线方式为三角形接法<△接法>。3.6电抗器串联电抗器XD1-30用来限制投切电流、抑制谐波提高了整个装置的可靠性。本装置采用串联电抗器XD1-30〔30为所配电容容量,其用于频率为50Hz,额定电压380V的低压无功补偿装置中。主要作限制电容器投入涌流之用。限流电抗器由绕组和嵌件等主要零件组成,所有零部件经树脂混合料浇注成型于一体,具有防潮等各项性能稳定的优点,安装前应清洁电抗器表面,特别是接线端子和安装。每三台相电容器个相均应配置一台电抗器,当三相并列安装时应注意电抗器进出线方向,其中间相必须和两侧的接线相反,如两侧相首端X1为进线,则中间相末端X2为进线,电抗器相互间中心距离不得小于42mm。电感值〔mH和限流系数〔n为0.025和50。3.7控制策略本装置根据电网电压和无功功率的大小综合控制。电压是线路无功功率的敏感参数,以电压为检测量,这种控制方式简单、可靠、实现起来也比较容易,但这种控制方式在系统大,系统内电抗X较小的情况下,控制灵敏度和精确度就受到了一定的限制；无功功率控制是指根据测得的电压、电流和功率因数等参数,计算出应该投入的电容容量,然后在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式,电容器投切一次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量<下限值>,则应保持补偿状态不变。只有当所需容量大于或等于下限值时,才执行相应的投切。从控制策略来看,采用无功功率控制,由于检测量和控制目标都是同一物理量,技术上合理,但检测难度稍大。首先,本系统选择了优先满足电压的原则,即先根据电网电压值的高低来决定是否投切电容器,在电压合格的范围内再根据无功功率的大小来控制电容器的投切。这时,在电压变化很大的特殊情况下,电容器仍然能够适当动作以保持合格的电压;在电压合格的范围内,电容器又能根据无功功率大小进行合适的补偿。这样一来,在电压与无功功率的相互配合下,补偿器既能进行无功功率的平衡,又能反映电压的频繁变化,大大提高了控制的可靠性和灵活性。同时,我们在电压上下限附近设置了回差区间。当电压超限又立即跳至回差区间时电容器不会动作,这样有效地防止了投切振荡。3.8投切方式本装置采用延时投切方式延时投切方式即人们热称的"静态"补偿方式。这种投切依靠于传统的接触器的动作。延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作时,电容器造成损坏,更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统振荡,造成危险。当电网的负荷旱感性时,如电动机、电焊机等负载,电网的电流滞带后电压一个角度;当负荷呈容性时,如过量的补偿装置的控制器,电网的电流则超前于电压的一个角度即功率因数超前或滞后是指电流与电压的相位关系。通过补偿装置的控制器检测供电系统的物理量,来决定电容器的投切,这个物理量可以是功率因数或无功电流或无功功率、下面就功率因数型举例说明、当这个物理量满足要求时,如超前且>0.98,滞后且>0.95,在这个范围内,此时控制器没有控制信写发出,这时已投入的电容器组不退出,没投入的电容器组也不投入。当检测到中不满足要求时,如滞后且<0.95,那么将一组电容器投入,并继续监测。如还不满足要求,控制器则延时一段时间<延时时间可整定>,再投入一组电容器,直到全部投入为止。当检测到超前信写如。<0.98,即呈容性载荷时,那么控制器就逐一切除电容器组。投切遵循的原则是:先投入的那组电容器组要先切除。如果把延时时间整定为300s,而这套补偿装置有十路电容器组,那么全部投入的时间就为30分钟,切除也这样。在这段时间内无功补偿能是逐步到位。如果将延时时间整定的很短,或没有设定延时时间,就可能会出现这样的情况:控制器监测到<0.95,迅速将电容器组逐一投入,而在投入期间,此时电网可能已是容性负载即过补偿了,控制器则控制电容器组逐一切除,周而复始,形成震荡,导致系统崩溃。是否能形成振荡与负载的性质有密切关系,所以说这个参数需要根抓现场情况整定,要在保证系统安全的情况下,再考虑补偿效果、这种补偿方式适用于电流载荷相对平稳的厂矿及住宅区。3.9装置接线图每台360kVar采用12路30kVar容量的电容器:图3.4补偿装置接线图1图3.5补偿装置接线图2图3.6补偿装置接线图3每个支路补偿装置都有以下主要元件组成。360kVar补偿装置的设备清单序号设备名称规格型号单位数量1电容器专用接触器CJ19-63/21