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户外高压动态无功补偿装置的发展

京燕，李进

摘要：

意识到了存在于变电站集中补偿和低压侧分布式配电变压器补偿中的缺陷，我们建议安装在电杆上的自动无功补偿设备采用高压配电网络，以提高功率因数，降低线损，提高电压质量。从工程实际的角度来看，我们提出了整体的设备设计方案和组件选择的原则，以AT89C55单片机为核心设计了一种智能控制器，开发一种新型户外高压自动无功补偿设备。一次侧和二次侧元件集成在一个户外的情况下，该设备特性就为结构简单，性能可靠，损耗低，方便安装和维护。与此同时，通过采用VQC战术，把七区图电压无功水平作为电容器切换准则，可以有效地避免切换振荡。

关键词：无功补偿，并联电容器，VQC，控制器

1.引言

配电系统的负荷增加和供电质量要求的升级导致无功补偿的需求增加。目前,中国配电的无功补偿通常是在配电变压器的低压侧(0.4 kv侧)来实现。这种方法的缺点在于高投资和电力转换、分配时补偿无功的能力。至于变电站集中补偿模型，整体的无功缺乏是相对比较高的,负载每个季节、每天都存在相当大的变化,补偿在高峰期是严重不足的。因此,执行高压配电网的无功补偿已经是非常必要的了。

高压配电网上并联电容器的安装是简单又方便执行的,有助于改善电压分布,提高功率因数,降低线路损失。安装在电杆上的自动无功补偿设备开发的研究是免费维护,并且不占据任何的土地空间。一旦安装在网络,它可以功能显著地成为变电站无功集中补偿的补充。这种类型的高压配电网补偿是通过在杆塔上用以进一步提高功率因数,降低线损,提高电压的高架网络上安装户外并联电容器来实现的。与公共配电变压器低压侧分配补偿相比较,这种无功补偿模式流程的优点在于补偿单元的集中,更高的设备利用率,管理和维护的便利。

基于理论分析的基础上和从工程实际的角度来看,本文致力于一种新型户外高压自动无功补偿设备的发展。一次侧和二次侧元件集成在一个户外的情况下，该设备特性就为结构简单，性能可靠，损耗低，方便安装和维护。它有助于有效地提高功率因数,降低线损,提高电压质量。

2.设备的总体设计

在这个研究中，户外自动高压无功补偿设备设计和开发的主要电气接线图如图1所示。它由一个三相星形连接的高压并联电容器、一个真空接触器、两个变压器、六个电流互感器、三个避雷器、一个电路控制器和一个低压控制回路组成。 这个设备,结合了电气主回路和控制回路，并集高、低压组件在一个户外的情况下,所以它的结构紧凑,便于安装和维护。 此外,它有助于保护其内部组件不受不良户外情况的影响。这种设备尤其适合在电杆上的应用。

根据国家标准,单星型连接应优先采用高压并联电容器电线,第二点对于双星型连接来说,用三角形连接是被禁止的。BAM11-200-3W电容器,它是被用于我们的采用三相Y连接的设备上。内部有放电电阻器,它能够在断电5分钟内，将残余电压降至低于50 V。在中国大多数的3-66KV配电网络采用中性点非有效性地接地系统，单星型连接的电容器中性点是不接地的。

负责补偿电容器开关的电路是这个补偿系统的重要组成部分,并且它可以直接影响整个设备功能的可靠性。有了晶闸管切换电容器,TSC不会引起的机械磨损,并且具有相对高的响应速度。然而,其控制系统复杂,还需要引入晶闸管串并联连接技术在高压系统中。此外,晶闸管的隔离的激活是很难实现的。 所以它减少了系统的可靠性,也增加了成本。

尽管六氟化硫断路器可以作为开关电路来使用,然而国内这种类型的产品有着不稳定的生产性能。有着天然气泄漏的问题,使他们不符合环境保护的要求。 此外,一次性的投资是巨大的,因为它们都很昂贵。与他们相比,真空接触器有较低的成本,方便控制且适合频繁操作。它还具备高可靠性,灭弧室从检验到维修都是免费的。在适当的处理后的情况下他们可以在户外使用,尽管他们通常在室内使用。事实上,采用真空接触器开关电容也存在一些缺点,如再触发率高,由电容器介质击穿、爆炸、转接器崩溃、三相短路等带来的短路的高可能性。“老化”的CKG4真空接触器,我们会选择再触发率非常低的,并会设置电压保护。

根据国家标准,电容器允许工作于它正常电流的1.3倍,他们的能力和谐波电流分量偏差不超过 10%。基于这一点,可以得出结论，保险丝在熔断器的正常电流是电容器正常电流的1.43至1.55倍。

10KV电容器的绝缘水平类似于电力网络。虽然不论安装在电源侧还是中性点侧，熔断器的保护功能都是防止电容器的极间击穿,但是它还是应该安装在电源侧。这是由于,在杆子和外壳之间发生闪络和击穿时,故障电流流经电源侧而非中性点侧，当这种故障发生，熔断器肯定会失去保护功能。

此外,在闪络和击穿发生时,有两个点接地连接，包括中性点的接地端。如果是安装在中性点一侧,熔断器没有预防功能，因为在这种情况下它已经短路。操作电容器的过电压,这主要是在关闭操作时的过电压,通常发生在单相击穿。直流操作期间双相击穿和三相击穿，发生的几率都是相当低的。只有在单相击穿时我们需要考虑过电压,我们采用单相接地的避雷器接线方式。在我们的发展中，我们选择连续金属氧化物避雷器、i.e红锌矿避雷器。

3.电气控制电路的设计

图2展示了户外自动高压无功补偿设备的电气控制电路。如控制电路所示,设备特性为手动切换电容器和自动切换。与此同时,电压指示灯和开关指示灯也表示在图中。

设备的活动状态为当电源指示灯将亮起，断路器关闭与其相连的控制器使电源供应。在电容器开启之前,真空接触器的常闭触点关闭来点亮电容器关闸指示灯。控制开关SA来使设备在自动控制和人工控制模式之间的切换。

当转换开关SA(1-2)相连时,设备操作处于人工控制下的切换模式:把按钮SB2按下,使循环SA(1-2)-SB1-SB2-KM处于导电状态。与此同时,真空接触器KM开关来控制电容器。常开触点关闭,使循环SA(1-2)-SB1-KM-KM处于导电状态,从而实现自锁,并点亮电容器开关指示灯LD。一旦SB2重置开放常开触点,KM的线圈将会因为电力故障关掉电容器。

当将开关SA(3-4)连接,设备运行在自动控制切换模式:当控制器给出电容器打开指令，电容器开关信号继电器KZQ1的常开触点关闭，使循环SA(3-4)-KZQ1-ZJ-KZQ2处于导电状态,连接继电器ZJ的线圈到电源，关闭继电器的二次侧的常开触点来保持自锁。

同时,继电器ZJ的主要接触将会断开，使循环SA(3-4)-ZJ-KM处于导电状态,把真空接触器KM的线圈连接到电源，关闭接触器的主触点来打开电容器。

电容器切断信号由控制器给出，电容器切断信号继电器KZQ2的常开触点关闭，使回路的SA(3-4)-KZQI-ZJ-KZQ2断开,从而切断继电器ZJ的线圈关闭电源,打开它的主控点，断开KM的线圈来切断电容器。即使常开触点KZQ1的开关关闭信号存在,电容器要保持关闭状态也需要K7ZQ2的常开触点关闭。

4.自动控制策略

本文采用VQC策略,针对线路电压和无功功率为控制目标。结合基于电压和无功功率的规定标准，实现在保证电压在可接受范围内的同时，保障一个总体的稳定无功电压。 因此,这种设计方案克服了无功补偿以电压为唯一的监管标准和电压不足时以功率因数和无功功率为控制标准的缺陷的影响。

VQC战术状态如下:电压低于下限,电容器将开启；电压高于上限,电容器将关闭。当电压允许,电容器将关闭与无功功率低于下限和开启与无功功率高于上限，当无功功率低于下限电容器将会关闭，当无功功率高于上限电容器将会开启。当电压和无功功率都在所允许的范围,设备将不会运行。在这种控制方式下,电压控制和无功功率的两个目标函数可能相互矛盾,导致在大负载情况下频繁切换电容。根据电压和无功功率的上下限,二维平面电压无功分为7地区编号从0到6(如图3)。在2区,电压是合适的，无功功率高于上限，采用的控制策略是打开电容器来降低无功功率，提高电压，使操作点迁移至1区内，其控制策略是关掉电容器，将操作点在送回2区。一个开关切换的振动将导致电容器的开关,采取措施解决这个问题是非常需要的。

本文中采用的控制策略如下:

1.在0区，电压和无功功率都在容许范围,设备不运行;

2.在1区，电压高于上限,电容器将关闭;

3.在2区，电压接近上限但低于Uc且无功功率高于上限,设备不会运行;

4.在3区，电压保持远低于上限并且无功功率高于上限,功率因数将会被考虑。当功率因数低于下限(无功功率越高,功率因数越低),电容器将会开启。否则,电容器将关闭。这个设计,类似于无功和功率因数控制相结合,是为了防止在负载较大的情况下频繁切换。

5.在4区，电压低于下限,电容器将开启;

6.在5区，电压极其接近下限，并且无功功率低于下限,设备不会运行;

7.在6区，电压是允许的并远高于下限，而且无功功率低于下限,电容器将会关闭。

5.控制器设计

控制器的性能是一个设备的核心组成部分,是整个设备的可靠性、控制和保护功能的决定性因素。

A.硬件设计

控制器需要检测和处理各种数据,系统正常工作时,可以控制和保护整个设备。因此,控制器需要以下功能:(1)测量和计算:为了检测和计算电路和电容器等的电流、电压、有功功率和无功功率;(2)保护:包括过压保护、欠压、失压、过流、短路、断相等等，以确保设备的安全运行;(3)执行控制:通过激活继电器开关量的输出,从而控制电容器的开关;(4)交流:通过现场总线或通信网络传输操作指令和工作状到计算机远程控制中心，同时接收计算机上和控制中心的数据和命令来监视和控制现场设备;(5)人机交互:它的执行是依靠键盘和监视器的合作完成。一组参数的设置功能是通过键盘输入到控制器的,控制器是根据一组信息(因素)和显示参数设置和操作结果等来工作的。根据上述功能,控制器的硬件电路可以分为几个模块的功能配置,如图4所示:

信号调节和数据采集模块是访问测量区域的参数,将测量区域参数转换为能与中央控制模块联系的功能信息单元。在本文中，智能电表集成电路,CS5460A,用于进行数据采集。作为智能控制器的核心模块，中央控制模块需要处理和分析操作参数并给出操作命令。它由单片机AT89C55和基本的外围电路组成部分。开关量输出模块从中央控制模块接收到命令并在电容器上执行控制操作。执行网络的通信模块是至关重要的功能,是用于实现现场设备与电脑之间的信息交换。人机交换是在本地设置功能参数和检测操作模式之间的一个关键链接。

B.软件设计

控制器的硬件功能的性能取决于软件设计的合理性,因此,软件需要具备高效率、准确性、简单的函数表达式、高运行速度、可靠性和管理方便的特性。根据控制器的硬件结构,本文相应的软件设计实现合理控制补偿电容器，显示和存储必要的信息来实现人机交互。

采用模块化结构设计方案的软件设计,程序清晰、方便维护。下面的模块设计:(1)数据采集模块:数据采集是通过控制CS5460A执行的;(2)计算和处理模块:用于计算和处理获得的信号来得到理想的电量数据;(3)控制和保护模块:用于执行的合理地控制切换电容器，并在各种故障状态下提供必要的保护;(4)人机界面模块:用于为用户显示电力数据。其功能结构和参数可以由用户设置;(5)通信和传输模块:通过串行总线数据和控制指令执行可靠的电力传输。软件的总体结构如图5所示。

采用C语言和汇编语言混合编程来为软件编写程序。C语言编程的程序用于主要结构以及代码可读且方便维护,其驱动程序,直接与硬件相关,汇编语言编程是来提高其执行效率。

6.结论

在本文中，户外高压自动无功补偿设备在工程实际中已得到成功的开发。一次侧和二次侧元件集成在一个户外的情况下,该设备具有了便于安装和维护的特性。同时,通过采用VQC策略,补偿能力可以根据负荷的变化自动调整以提高配电网的功率因数,降低线路损失的能量,提高电压质量,促进供应能力,提高网络的稳定裕度。随着控制器特别发达,整体设备的性能的控制和保护功能都是十分可靠安全的。这个设备已经在电网的某些领域投入运行并取得了有目共睹的有利影响。

7.实际工程应用注意的重要因素

随着安装在电杆上的并联电容器远离变电站,往往会遇到不便保护配置,控制成本高,维护起来较重的工作负荷,安装环境和空间限制等工程问题。因此,安装在电杆上的自动无功补偿设备的设计和应用必须遵循现实和工程实际的需要。

1.最好拥有更少的补偿点。适当使用单点补偿配电线路。一般来说,多点补偿比单点补偿降低损耗更有效力,但其安装成本和工作量维护上升与补偿点的增加直接成正比。先前的研究已经证明,采用单点补偿每年赚取大部分利润并取得了最好的综合效益。

2.控制模式应遵循“简单”的原则。既不容易控制出口在负载端功率因数的配电线路,也不容易通过改变电压和时间合理的执行控制。为了避免由补偿后电路负载不足造成的过电压、过补偿等现象,应该为软件上限限制的补偿容量设置补偿点实来现在过压或欠载期间过度补偿不会发生。

3.应该避免过高的补偿能力。过高补偿的能力肯定会导致配电线路在欠载期间过电压和过补偿;此外,旗杆上的空间是有限的,如果太多电容器是共同使用，它既不安全也不有利于消除热量。

4.连接应该简化。每一相应只有一个电容器设备应使用。作为电路的谐波量,最好不要使用限流电抗器,以防止电容器设备的过压和电容器无功输出的减少。 在电容器投入运营后,如果一个10KV电网谐波电压的总失真系数小于4%,那么这个限流电抗器就可以拆除了。

5.采用星形连接的电容器其中性点应接地。星形连接的电容器接收相电压的电力网络,当电容器发生短路故障,故障点的电流是相对较低,这有利于防止电容器爆炸。单相电容器的故障不会导致相间短路。这更容易决定一个良好的保护模式。虽然三角形接法可以减少侵入

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