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1、概述 近年來(lái)，隨著(zhù)城鄉電網(wǎng)改造的實(shí)施和深入，在0.4kV級電網(wǎng)上安裝低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置，可以提高供電質(zhì)量、挖掘供電設備的潛力、降低線(xiàn)損等越來(lái)越被大家所共識。低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置一般由微控制器、投切電容器用開(kāi)關(guān)、電容器組、空氣開(kāi)關(guān)、熔斷器、不銹鋼殼體等組成。其結構簡(jiǎn)單、投切方便靈活、節能效果顯著(zhù)，因而全國大約300多家企業(yè)生產(chǎn)無(wú)功補償裝置。但其中多數是技術(shù)水平低，缺乏較齊全的檢測設備，生產(chǎn)量小，質(zhì)量難以保證。尤其作為無(wú)功補償裝置關(guān)鍵單元的控制器和投切電容器的開(kāi)關(guān)更是差異懸殊。本文就無(wú)功補償裝置的一些核心單元進(jìn)行了重點(diǎn)剖析，并記錄了一臺森寶電氣公司生產(chǎn)的無(wú)功補償裝置在西安供電局掛網(wǎng)運行情況數據。 信息來(lái)源:http://www.tede.cn 2、無(wú)功補償的意義和原理 配電網(wǎng)中負荷無(wú)論是工業(yè)負荷還是民用負荷，大部分是感性負荷。它們運行時(shí)需從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功功率，致使電網(wǎng)功率因數、電能質(zhì)量降低，電網(wǎng)"技術(shù)損耗電能"增加。電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器補償裝置后，它可以減少電源向感性負荷經(jīng)由輸電線(xiàn)路輸送的無(wú)功功率。由于減少了無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，故可以降低輸電線(xiàn)路和變壓器因輸送無(wú)功功率而造成的電能損耗，從而提高電網(wǎng)功率因數、減少線(xiàn)損、電能質(zhì)量得到明顯改善。 電網(wǎng)中感性負荷等效電路可看作電阻R和電感L串聯(lián)的電路，功率因數 式中 XL=WL 將R、L串聯(lián)電路與電容C并聯(lián)之后，電路如圖1-a所示，該電路電流方程為： 圖1 并聯(lián)電容補償無(wú)功功率的電路和向量圖 a)補償電路 b)相量圖(欠補償) c)相量圖(過(guò)補償) 由圖1-b的相量圖可知，并聯(lián)電容后，電壓 與 的相位差變小，即供電回路的功率因數提高了。此時(shí)供電電流的相位滯后電壓，這種情況稱(chēng)欠補償;若電容C的容量過(guò)大，使供電電流的相位超前于電壓，這種情況稱(chēng)為過(guò)補償，其向量圖如1-c所示。這會(huì )引起變壓器二次側電壓抬升;電容器溫升升高，電容器本身的功率損耗增大，電容器使用壽命縮短;容性無(wú)功在線(xiàn)路上傳輸也會(huì )增加電能損耗。故此種情況應避免。 3、無(wú)功補償裝置結構和主電路 補償裝置主要由柜體、控制器、空氣開(kāi)關(guān)、避雷器、電容器、熔斷器和復合開(kāi)關(guān)等組成。其主電路圖如下(方框內部是補償裝置主電路;方框外部是低壓配電網(wǎng))： 圖2 無(wú)功補償裝置主電路 4、智能控制器 現在多數廠(chǎng)家的控制器，運算單元多以51系列單片機為主，其缺點(diǎn)是：①硬件資源有限，指令功能、運算能力弱。要將信號采樣，電量計算，電網(wǎng)諧波分析，電容器投切，RS-485遠程通訊和近距離RS-232無(wú)線(xiàn)通訊功能都由51單片機來(lái)完成，存在很多困難;②其外擴芯片多，控制器整體結構復雜，可靠性降低;③控制策略單一，遙信能力弱：控制器控制策略是以功率因數為依據，或以無(wú)功控制為依據，這種簡(jiǎn)單控制策略容易導致電網(wǎng)輕載時(shí)控制器誤動(dòng)作，使線(xiàn)路過(guò)補;④控制器保護功能不完善，達不到電力行業(yè)標準DL/T597-1996＜＜低壓無(wú)功補償控制器訂貨技術(shù)條件＞＞中所規定的功能。(即控制器應具有過(guò)壓、欠壓、投切延時(shí)保護功能，電容器投入、切除門(mén)限功能，循環(huán)投切功能，面板應具有硬件或軟件閉鎖功能，防止小負載時(shí)電容器投切振蕩功能，抗干擾功能 。) 鑒于目前無(wú)功補償裝置的現狀，本文在比較了多種無(wú)功補償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)后，研制了一種基于數字信號處理器為核心的智能低壓無(wú)功補償裝置控制器。 控制器采用TMS320LF2407A芯片，該芯片是定點(diǎn)16位控制器中功能最全而又性能最好的。①其內部包含硬件乘法器、累加器、算術(shù)邏輯單元、輔助算術(shù)單元等多個(gè)處理單元，這些單元可以并列同時(shí)在一個(gè)指令周期內完成計劃任務(wù);②可獨立訪(fǎng)問(wèn)64K字節的程序存儲器與數據存儲器空間;③內部總線(xiàn)采用并行體系結構，系統中設置了程序讀總線(xiàn)、程序地址總線(xiàn)、數據讀總線(xiàn)、數據寫(xiě)總線(xiàn)，由于總線(xiàn)是獨立的，故可以同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)程序和數據存儲器，同時(shí)為處理器提供數據和指令，從而提高了數據吞吐量;④特殊的DSP指令具有單周期乘、加運算;⑤FFT倒位序變址尋址能力以及單周期指令執行時(shí)間為25nS和豐富的集成外設接口，這些豐富的資源可以很好地解決51系列單片機難以解決的問(wèn)題。 控制器通過(guò)采集三相電壓、電流，利用FFT變換算法，得到電網(wǎng)三相功率因數、電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、2到13次諧波含量、有功電度、無(wú)功電度、電壓，電流畸變率;具有存儲每日整點(diǎn)功率因數、電壓，電流最大值、停電，來(lái)電時(shí)刻及累計停電時(shí)間功能;整點(diǎn)指定日諧波數據;數據存儲期為2個(gè)月;128X64大屏幕液晶顯示全中文操作界面、數據，便于用戶(hù)操作;具有RS-232、RS-485通訊物理接口，可實(shí)現遙信或近距離無(wú)線(xiàn)通訊，真正做到了無(wú)功補償自動(dòng)控制與配電參數綜合測控一體化，為城網(wǎng)改造提出的配網(wǎng)自動(dòng)化、遠程通訊、無(wú)人值守等奠定了軟、硬件基礎。 控制器硬件結構框圖如圖： 圖3 控制器硬件結構原理圖 軟件編制總體結構框圖和部分模塊流程圖如下 圖4 軟件總體結構框圖 圖5 底層驅動(dòng)模塊流程圖 5、并聯(lián)電容器用的投切開(kāi)關(guān) 在0.4kV級的配電網(wǎng)中，目前無(wú)功補償裝置投切電容器開(kāi)關(guān)是用接觸器或晶閘管實(shí)現的。若用接觸器投切電容器，缺點(diǎn)是：①投入電容時(shí)，由于很難控制在電壓過(guò)零時(shí)投入，因此易產(chǎn)生涌流、觸點(diǎn)間打火、燒損觸頭;②切除電容器時(shí)又不易控制在電流過(guò)零切除，使觸頭粘聯(lián)、拉弧;③過(guò)大的涌流還會(huì )對電容器造成損害，縮短電容器使用壽命。若采用晶閘管(又稱(chēng)固態(tài)繼電器)來(lái)投切電容器，其優(yōu)點(diǎn)是電壓過(guò)零觸發(fā)導通主回路、無(wú)拉弧、動(dòng)作響應快、可大幅度限制投切涌流，特別適合頻繁投切。其缺點(diǎn)是：①功耗大，且隨電容電流的增大而增大;②晶閘管電路本身是諧波源，大量使用對低壓電網(wǎng)易造成諧波污染。 基于以上情況，西安森寶公司研制出了一種新型開(kāi)關(guān)-復合開(kāi) 。復合開(kāi)關(guān)主要有控制板，晶閘管與磁保持繼電器組成，原理框圖如圖3-1所示： 圖6 復合開(kāi)關(guān)模塊原理框圖 復合開(kāi)關(guān)投入電容器過(guò)程：配電綜合控制器發(fā)出觸發(fā)信號給復合開(kāi)關(guān)，復合開(kāi)關(guān)控制板接到信號后，開(kāi)始檢測電壓過(guò)零點(diǎn)，并在電壓過(guò)零時(shí)使晶閘管接通主回路，磁保持繼電器經(jīng)一定延時(shí)后，在等電勢情況下吸合。由于晶閘管是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，且零電位投入，正常工作后，由于繼電器觸點(diǎn)電阻遠小于晶閘管電阻，電容電流經(jīng)過(guò)磁保持繼電器觸頭進(jìn)入電網(wǎng)。因而，避免了投電容器時(shí)的涌流、拉弧、打火，減小了晶閘管工作損耗。 信息來(lái)自:輸配電設備網(wǎng) 復合開(kāi)關(guān)切除電容器過(guò)程：控制器輸出的觸發(fā)信號消失后，磁保持繼電器在等電位情況下先斷開(kāi)，晶閘管經(jīng)延時(shí)后，在電流過(guò)零時(shí)斷開(kāi)。 這種投切開(kāi)關(guān)是充分吸收了無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)晶閘管和繼電器各自的優(yōu)點(diǎn)，因而開(kāi)關(guān)使用壽命長(cháng)，功耗低。是投切電容器的理想開(kāi)關(guān)。 6、運行情況 利用以上相關(guān)技術(shù)，西安森寶公司先后設計并生產(chǎn)了四百多臺低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置，產(chǎn)品分別在西安、新疆、青海、河南、東北等地掛網(wǎng)運行。產(chǎn)品投入市場(chǎng)2年來(lái)，現場(chǎng)運行情況一切正常，受到了用戶(hù)一至好評。下面是西安市供電局在幸福路10#桿掛網(wǎng)的一臺無(wú)功補償裝置運行情況記錄。 表1：幸福路10#桿無(wú)功補償裝置運行情況
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