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复合型投切开关低压无功补偿装置

2020-11-16

复合开关低压无功补偿装置的开发和应用

复合开关核心部分是控制单元,由正反向并联晶闸管开关、阻容能量吸收元件和机电一体开关控制电路组成,这些元器件和电路板装在一个壳体内,组成一个整体,称之为复合开关控制单元,复合开关控制单元控制板的电路组成如图1所示。机电一体开关控制单元接收到控制器的投切命令,12 V直流电压信号经光电耦合器送到单片机进行处理,单片机的输出信号经过功率放大电路和隔离电路,才能去触发相应的晶闸管和继电器。

图2

                                               图1 复合开关控制单元控制板电路组成


复合开关控制单元单片机按照电容器投入时,晶闸管开关先通,然后接触器接通,再断开晶闸管开关;电容器切除时,晶闸管开关先通,然后接触器断开,再断开晶闸管开关的动作时序,经光电耦合器和功率放大电路实现对复合开关的控制。从而使得复合开关在接通和断开的过程中,具有晶闸管开关过零投切的优点;而在正常接通期间又具有接触器无功耗的优点。复合开关控制单元单片机发出的控制信号时序如图2所示。

图2 

图2中的复合开关控制单元采用两只正反向并联晶闸管,没有用B相晶闸管开关。因此,在实际应用中,可采用只控制A、C两相的接线方式,电容器采用三角形接线三相电容器。这种接线方式对每个复合开关来说,不仅可少用一只价格昂贵的正反向并联晶闸管,又可采用最普通的三相电容器组;因此不仅可以降低复合开关的造价,而且用三相电容器组也有利于减小整个无功补偿装置的体积,使得这种接线方式成为最经济、可行的接线方案

补偿容量计算

低压无功补偿装置主要用于10KV线路的配电变压器低压侧,补偿公用变、专用变低压用户设备运行中需要的无功功率。这些公用变、专用变的容量一般在500KVA以下,设计有30KVAR、45KVAR、60KVAR 和90KVAR四种标准无功补偿装置供用户选用,非标准容量的无功补偿装置特殊制造。对四种标准容量的无功补偿装置,大容量的装置按4-2-1分组组合,可对无功功率实现7级阶梯式调节;小容量的装置可采用分组组合。

图4给出的是总容量为60KVAR 无功补偿装置,采用的是固定补偿加2-1分组组合的调节方式。其中,固定补偿容量为20KVAR ,采用BSMJ0.4-20-3型电容器;单元1的补偿容量是20KVAR ,电容器型号与固定补偿电容器相同;单元2的补偿容量也为20KVAR ,用BSMJ0.4-20-3型电容器。

补偿装置分组容量和接线确定之后,依据各回路中的额定电流,主电路设备不难选择和确定,主电路设备、元件选择的原则是保证补偿装置能可靠工作。对本例补偿装置的主开关为DZ20J-200型125A 的空气断路器;与单元1和单元2配合的交流接触器,分别为CJ20-40和CJ20-63型接触器;装置熔断器、避雷器、导体等器件的正确选择,都是保证装置可靠工作的前提。

图3 60KVAR 无功补偿装置主电路接线图


在机电一体开关控制单元的控制板上,设计有一种晶闸管电压过零触发电路,给出的C相电压过零触发电路原理示意图如图4所示。来自补偿装置控制器的投切信号,经光电耦合器送PIC16C54单片机进行处理,给出对应图2所示的时序控制信号,经功率放大送MOC3083光电耦合器。晶闸管无触点开关两端电压经电阻降压也送MOC3083光电耦合器,当系统电压U s(t)与电容器残压U c(t)相等时晶闸管两端电压为零,这时光电耦合器可输出触发信号,触发对应的晶闸管导通,晶闸管一经触发就保持导通,电容器便投入运行。晶闸管导通后两端电压接近为零,只要单片机输出的投入信号存在,光电耦合器就一直有触发信号输出,保证了晶闸管可靠导通。当单片机输出的投入信号撤消时,便停发触发信号,晶闸管则在电流过零时关断,直到单片机下次发出投入指令才选择电压过零点重新投入。

图4  C相晶闸管电压过零触发电路原理示意图

整个无功补偿装置的分组投切控制和对配电变系统的监测,都由安装在补偿装置箱体内的控制器来实现,控制器是保证整个装置正确、可靠运行的核心和关键。根据原电力部的标准[1],无功补偿控制器控制电容器组的投、切依据,可以是某单一物理量,也可以是依据多个物理量。近年,由于对控制和监测功能要求的提高,以及在算法上计算电网的有功功率P和无功功率Q及其符号不难获得,所以依据单一物理量进行无功控制的方法已经很少见了。本文基于机电一体开关的无功补偿装置,采用以电网无功功率Q为基本量,以电网电压高低为参考量的复合控制方法。基本控制策略如下:当电网电压U低于欠电压门限U L时,电容器组快速切除。这主要是考虑到电网电压过低,这一控制原则也包括缺相和控制器允许正常工作的电压范围。

当电网电压U高于过电压门限U H时,电容器组快速切除。这主要是避免电容器组在过高电压下工作,引起电容器组过热和绝缘老化损坏。

当电网电压U高于欠电压门限U L,但低于低电压上限U LM时,表明上级电网的无功缺乏,可采取缺无功则投,少量过补不切的控制策略。

当电网电压U低于过电压门限U H,但高于高电压下限U HM时,表明上级电网不缺无功,可采取少量缺无功不投,过补则切的控制策略。

当电网电压U低于高电压下限U HM,而高于低电压上限U LM时,缺无功则投,过补则切。


实际电网的情况比较复杂,实际应用中可能有特殊情况需要处理,因此在控制器程序设计中,应尽可能按照标准做到各种电压控制门限、无功功率控制门限和投切动作延时时间等定值可调
在电容器补偿装置的投切时间间隔控制上,原电力部标准规定:电容器组投切应满足投切动作时间间隔大于300s[1]。这主要是从机械触电开关控制出发和考虑电容器组放电时间、运行时投切的随机性和循环投切等要求。对本文机电一体开关的无功补偿装置,经试验投切时间间隔可控制在几秒钟以内,装置的投切速度(响应速度)在0.2秒钟以内。但需要说明的是对一般供电系统,投切电容器无功补偿装置应以降低系统网损、提高配电变的利用率、改善电网电压合格率为主要目标,为保证和提高电容器的使用寿命,电容器投切时间间隔不宜过快。另外,控制器初次上电后也需要100s—200s的延时才能进行控制,这种处理对保证装置和电容器的安全、可靠运行是必要的