1、10kV 柱上无功补偿器及阻抗角相关问题探讨摘要：本文对 10kV 补偿无功方案、投（切）信号的获取、主电路等问题进行了介绍。 关键词： 10kV 柱 无功补偿器 阻抗角 中图分类号：TM531.4 文献标识码： A 文章编号： 1 概述 线损率是电业部门的重要经济技术指标。降低线损是节省电能的重要措施。我们知道, 线路在输电中的有功损失为 P = 3I 2R 10- 3 (kW ) 其中: I线路中的线电流;R线路电阻.由上式可得: 由上式说明,当线路输送的有功功率和电压不变的情况下,线路的损失与功率因数的平方成正比。提高功率因数也就是说降低无功传送就能使线路损失大幅度下降。 无功被偿的实质
2、就是要避免或尽量减少这些无功在输电网络中的传送, 设法就地设立无功电源。比如安装并联电容器, 装设调相器等。用来提供用户及配、变电元件对无功的需要, 达到减少电力在传送过程中的线损。 采用并联电容进行无功补偿,不但简单可靠,而且设备投资小,这是电力系统最常用的办法。 210kV 补偿无功方案 目前,农业用电大都采用 10kV 供电,随着乡镇企业的兴起农村用电量日益增加,线损加大,同时供电质量, 达不到国家规定的用电标准。因此,10kV 供电线路的无功补偿已变得刻不容缓。 若采用就地低压补偿,总投资高,也难于推广。同时,对变、配电的无功也得不到补偿。如果在 10kV 柱上直接进行无功补偿, 可收
3、到事半功倍的效果。图 1 给出了 10kV 柱上无功补偿器装设位置示意图。 电容补偿的无功功率为: 由上式可知电容器的出力是与所接电网运行电压的平方成正比;然而电容器的使用年限却与电压的 78 次方成反比。如电压提高 15%,则使用年限就要降低 2/3,这样电容器就要损坏。故国际电工委员会(IEC) 规定: 电压升高 1.10 倍,允许长期运行; 电压升高 1.15 倍,允许运行 30min; 电压升高 1.20 倍,允许运行 5min 电压升高 1.30 倍,允许运行 1min 我国规定:当电容器工作电压超过额定电压的 1.1 倍,便要自动切除退出运行。无功补偿本是降损的有力措施之一,如果过
4、补偿,不仅其经济当量低(即投资 1kvar 电容器降损作用的大小),且会造成电压提高过多,将使得补偿电容器及其他设备很快被损坏,因此,自动进行无功补偿具有十分重要的意义。 自动补偿的工作过程应该是这样的:补偿器不间断地采集电路的功率因数和电压的高低,并判断功率因数的大小及电压。当功率因数低到某一规定值,或线路的电压低到某一规定值时,补偿器自动将补偿电容器投入网路以补偿无功功率;当功率因数超过某一规定值,或线路的电压超过某一规定值时,补偿器将自动切除偿电容器。此外,因为 10kV 柱上无功功率自动补偿器直接用于户外,因此补偿器的各种元、部件均要慎重选择。 3 投、切信号的获取 为了进行无功补偿,
5、获取投切的信号是关键。前面已讨论过,一个信号是线路上的功率因数, 另一个是线路上的电压。如何从线路上获取这两个信号,下面分别进行讨论。 3.1 线路阻抗角的获取 可以采用相敏检波的方法获取功率因数。图 2 给出了相敏检波的实际电路。 RL 相敏检波负载电阻 与检波二极管特性有关系数 为 U 与 I 的相位角, 即阻抗角。 这种相敏检波电路具有电路信号获取容易简单, 输出与成正比的特点。但是其输出还与 U1m 和 U2m 有关。由于电压有波动,负载电流大小变化, 会使检测有较大的误差, 用于补偿电容器的投切显然是不理想的。 当然也可以通过测出阻抗角, 然后再求出功率因数。 下面介绍求阻抗角 U
6、的原理电路(见图 3),可以克服电网电压及负载变化对测量的影响。 由电压互感器和电流互感器经上升过 0 鉴别器获得电压和电流上升过 0 脉冲信号, 该脉冲信号每周期出现一次。 18k 脉冲信号发生器不断产生周期为 1/18k 秒方波脉冲。工频(50Hz) 一个周期产生 360 个脉冲(18k/50= 60)。一个工频周期为 360 度, 则一个方波脉冲相应为 1 度。 三级串行的十进制计数器由 18k 脉冲信号发生器的输出作为输入 cp,每来一个方波脉冲计数一次, 利用电压上升过 0 脉冲作为清 0 端,也就是说,三级串行计数器每一工频周期内清 0 一次,清 0 的时间为线路电压上升过 0时,
7、 因此三级串行计数器的状态是从线路电压上升过 0 时为 000,然后逐一增加直到 360,又到线路电压上升过 0 信号被清 0,计数器又重为 000。三级串行十进制计数器周而复始地变换着输出状态。该三级串行十进制计数器实质是一个能计数 360 的旋转计数器。当然当电网的周波变化时, 旋转计数器范围也会有细微变化。 锁存器只要当开启信号 L 出现时才将计数器的值读入。一旦开启信号 L 失效,锁存器中的值保持不变。三级锁存器的开启信号 L 是在线路电流上升过 0 时出现的,这时才将计数器的当前值存入锁存器并显示该值。每个 18k 发生器的方波脉冲为 1 度则显示的数值即为电流滞后电压的阻抗角, 其
8、分辨率为 1 度。图 4 给出了测量阻抗角的过程时序图。 当然当阻抗角超过 180 度时,可以看成电流超前电压,这时要将显示的结果取 360 的互补并使超前标志置位显示。图 5 给出了阻抗角超前处理示意图。例如,测量的结果为 350,超过 180,这时取 360 的互补为 360-350=10 度,并使超前标志置位。说明电流超前电压 10 度。 由理论可知,当电压互感器接三相电路的其中两相,电流互感器对另一相取样时,就可以检测三相电路的阻抗角。从上面对电路的分析知道,其检测到的阻抗角不因电压电流波动而产生测量误差。 3.2 电压采样 为防止由于过补电压过高而损坏补偿电容器及其他设备, 除考虑功
9、率因数外还应考虑线路电压,当线路电压高到某一额定值时,不管功率因数高低,应切除补偿电容器以降低线路电压。线路电压直接由电压互感器的二次获得,经过整流滤波,其输出直接和线路的有效值成正比。再经过A/D 转换、整定,直接将线路电压的有效值求出并显示出来。 图 6 给出电压采样电原理图。 3.3 投切信号 至此,利用电压互感器和电流互感器获得线路上的阻抗角和电压值。当然,有了阻抗角也能求出功率因数,例如采用计算机作为控制机,就可以采用查表的方法得到与阻抗角相对应的功率因数。无论是阻抗角或功率因数及电压均可以获得投切信号。图 7 给出了控制功率补偿器投切的真空接触器线圈通断电原理示意图。 由图 7 可
10、见,当线路中的功率因数低于投给定值(例如 0.85)时,比较器 1 的输出信号使 RS 触发器置 1,真空接触器合上,即投入补偿。当功率因数高于切给定值(例如 0. 95)时,比较器 2 有输出; 同样当线路中的电压超过电压切给定(例如 11kV)时, 比较器 3 有输出;而 RS 触发器置0,即使真空接触器断开的信号是比较器 2、3 相“或”的结果, 这时退出补偿。 3.4 控制系统框图 图 8 给出了控制系统框图 图 8 控制系统框图 4 主电路介绍 自动补偿器与电网之间采用跌落式熔断器相联,这样既可以保证熔断器拉断后补偿器与电网完全隔离,又可以在自动补偿器工作发生意外时起保护作用。补偿电
11、容器采用并联补偿装置用的 BAM112003W 型电容器,电容器为三相, 内接成星形,电容器内部装有放电电阻,能使电容器从线路断开后在 5 分钟内剩余电压自降到 50V 以下。 考虑防雷电,电容器的每相上装有氧化锌避雷器,以保护补偿器。完成补偿电容器向电网投切的开关是设备的关键,直接影响补偿器的可靠性。六氟化硫断路器作为投切开关,考虑该类产品, 国内生产还不很稳定,而且价格高,一次性投资大;而真空接触器属国内老产品,价格低,可靠性高, 易破损, 一般用于户内, 但只要在补偿器的外壳箱体上作适当的处理, 完全可以用于户外。因此采用真空接触器不失为明知之举。 图中 FV 跌落式熔断器 CT 电流互感器 F氧化锌避雷器 QF 真空接触器 PT 电压互感器 C补偿电容器 5 结束语 前面对 10kV 柱上无功补偿器的原理作了较全面的介绍,着重介绍了阻抗角的测量方法和控制原理。主要从由常规电路和组成的原理电路来论述。实际上本补偿器的控制部分是由 MCS51 单片机组成的控制计算机通过软件来实现, 诸如采样、滤波、计数、计算、延时显示等功能,不但运行可靠, 控制精度高, 而且设定值修改容易, 电路简单等优点
