在用電設備中,存在著大量的感性負載(如
電動機),這些感性負載在消耗有功功率的同時,也占用了大量的感性
無功功率,由于無功功率虛占了設備容量、增大了線路的電流值,而線路的損失與電流的平方成正比。因此,無功功率必須予以補償。為了提高功率因數(shù),一般企事業(yè)單位用
電容器的容性進行
無功補償。在補償?shù)攸c上可采取變電所集中補償、分區(qū)域集中補償、分散
就地補償、分散與集中相結合等,在補償方式上可分為手動補償和自動補償。由于補償?shù)攸c和方式關系到
節(jié)電效果,關系到設備投資,關系到設備運行安全與維護,因此,必須因地制宜地加以選擇。目前,電力電容器的投切
開關有以下3種:
(1)普通接觸器
電容器的電流與電容
電壓對時間的微分成正比,當接觸器投入時,電容器上的初始電壓與電 網電壓在一般情況下不相等,大壓差可達1.4倍的額定電壓以上,當巨大的壓差突然加到電容器兩端使電容器的電壓發(fā)生突變時,則通過接觸器和電容器電流將高達10倍以上的額定電流。這種浪涌電流有多種危害:一方面,在接觸器觸點處產生火花,使觸點粘住、無法分斷而損壞;另一方面,縮短了電容器的使用壽命;再者,對電網的巨大沖擊而產生了干擾,可能使其他電子設備無法正常工作。
(2)帶預投電阻的專用接觸器
這類接觸器整體體積較大,事實上在工作時也沒有真正解決浪涌電流問題,同時,由于與接觸器觸點配合不理想使電阻發(fā)熱而損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生,所以,這類接觸器并不是理想的電容投切接觸器。
交流繼電器的內部往往用2個單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅構成,用于電容投切無功補償時的
工作原理是這樣的:當固態(tài)繼電器接到投切信號時,還要判別觸點兩端的電壓是否接近于零電壓,一旦等待到兩端壓差接近零電壓時,則開關閉合,投入工作;當固態(tài)繼電器接到切斷信號時,則可控硅自然關斷,即電流為零時關斷。從上面的分析可以看出,用于
低壓電容投切的固態(tài)繼電器在投入和切斷時的工作狀態(tài)非常理想,但他存在著一個致命的缺陷工作過程的發(fā)熱和諧波問題,這就限制了他在電容投切領域的進一步推廣。
2復合開關的工作原理
電容無功補償分為單相補償和三相補償,采用的開關相數(shù)也分為兩種。無論是單相投切開關還是三相開關,機械式接觸器不可能較準確地做到開關兩端電壓過零時閉合,在電流過零時切斷,而固態(tài)繼電器卻能做到這一點。相反,在開關閉合工作時,固態(tài)繼電器產生損耗和電壓電流諧波,而機械式接觸器卻能避免這些問題。因此,吸取固態(tài)繼電器和接觸器的優(yōu)點將是佳的選擇。也就是希望電容無功補償?shù)耐肚虚_關在投入和切斷瞬時利用(雙向)可控硅的特性,在平時閉合工作時利用機械觸點接觸電阻極小的特性,構成了可控硅和繼電器(接觸器)并聯(lián)工作的開關即復合開關。
為了達到理想的工作狀況,可控硅和繼電器的開、斷有時序要求,假設復合開關的投入命令高電平為有效,則切斷命令為低電平有效;開關(可控硅、繼電器)閉合用高電平有效表示,則開關斷開用低電平有效表示,其各信號動作時序如圖1所示。
在圖1中T1為復合開關接收到投入命令后等待電壓過零所需的時間T2是繼電器延時閉合設定時間T0為繼電器閉合動作時間Tf為繼電器斷開動作時間T3是可控硅延時斷開設定時間T4可控硅自然關斷所需的時間。
在圖1中UKA,UKB,UKC,UKD,UKE,IKE分別表示投切信號、可控硅通斷、繼電器線圈通斷信號、繼電器通斷、電網電壓、電容(或觸點)電流。當復合開關接收到投入命令時,可控硅的觸發(fā)信號準備就緒,只要電壓過零就立刻觸發(fā)可控硅,而繼電器在接到投入命令后,要延時一段時間,此時間在設計時必須保證:只有當可控硅導通后,才能閉合繼電器。當復合開關接收到切斷命令后,繼電器立即斷開,經過一段時間可控硅觸發(fā)信號消失,據(jù)可控硅關斷特性,只有當通過可控硅陽極電流過零時,才能自然關斷。
3基于PIC16C61的復合開關 復合開關的工作原理完全可以用分立元件來實現(xiàn),其中的時序配合關系可以用電阻電容的 延時電路完成其功能。但是,由于分立元件的參數(shù)分散性以及可靠性差將會影響整個復合開關長期正常的工作,因此,通過方案比較,采用了PIC16C61單片機來實現(xiàn)復合開關的邏輯及控制時序。如圖2所示。
圖2中,合閘、分閘信號輸入到單片機的RB1,RB0接收過零信號,只有當合閘指令有效時,在過零時刻,通過“過零處理”程序,RA1就輸出可控硅觸發(fā)信號,使可控硅導通。延時二個周期(40 ms)后,即通過“低高電平延時”程序處理,RA2輸出閉合信號有效,繼電器閉合導通,完成了復合開關一次合閘的動作;當分閘信號有效時,單片機RA2輸出斷開信號使繼電器立刻分斷,同樣延時二個周期(40 ms)后,通過“高低電平延時”程序處理,RA1輸出低電平信號,使可控硅關斷,完成了一次分閘動作。
以上是單相復合開關的單片機實現(xiàn)情況。對于三相復合開關:為了分析方便起見,假設開 關閉合的順序為A→B→C,如圖3所示。當合閘指令有效時,由于此時B,C相的K2,K3斷開,A相可控硅可以立刻施以導通信號而不需要檢測電壓過零點,接著檢測B相的K2開關兩端的電壓過零點,在過零時刻,使B相的可控硅導通;然后檢測C相的K3開關兩端的過零點,在過零時刻,使C相的可控硅導通;后,延時二個周期(40 ms)后,即通過“低高電平延時”程序處理,輸出繼電器的閉合信號,繼電器閉合導通,完成了復合開關一次合閘的動作。三相復合開關的分閘過程與單相復合開關類似,當所有的繼電器斷開并延時二個周期(40 ms)后,通過“高低電平延時”程序處理,使可控硅關斷,完成了一次分閘動作。
由上述可知:三相復合開關用PIC16C61實現(xiàn)時,增加一個過零輸入信號、2個可控硅控制信號和2個繼電器控制信號即可。整個動作過程由軟件實現(xiàn)。
某廠配電房低壓總電流為600 A,有功功率350 kW,電壓0.4 kV,要求功率因數(shù)提高到0.95~0.99,那么其
視在功率:
5實驗結果
(1)開通時間。
(2)關斷時間。
(3)控制電路功耗。
(4)開關接觸電阻≤0.02歐姆。
(5)開關在額定電流負載下溫升≤25℃。
(6)系統(tǒng)電壓處于額定電壓的±20%范圍內,開關能正常工作;若系統(tǒng)電壓超過額定電壓 的±20%時,開關強行跳閘。
(7)開關投入時涌流不大于2倍電容器額定電流。
(8)在電容器端子間的殘余電壓不大于額定電壓的100%時可再次電壓過零投入。
(9)以動態(tài)電壓過零方式投入。
(10)缺相時開關拒合閘。
(11)正常運行時,出現(xiàn)缺相自動跳閘,響應時間≤0.2 s。
(12)系統(tǒng)停電時,開關自動跳閘響應時間≤0.2 s。
(13)開關工作電源異常時,開關自動跳閘。
(14)采用LED指示,指示項目有:開關合閘位置指示;開關跳閘位置指示;缺相故障指示;系統(tǒng)電壓異常指示。
6結語
復合開關工作時損耗小,不增加電網諧波。并且使用復合開關可以增加投切電容器組數(shù),提高功率因數(shù)的步級精度,提高電網質量。具有功能齊全,保護完備,不需外加電源,使用方便的特點。
由于采用了復合開關,投切時的浪涌電流小,無觸點粘住之虞,可以較頻繁地投、切,因此,可以增加投切電容器的組數(shù)以提高補償精度。在實際應用中用了12組15 kVA的
電容柜,通過控制器精確控制投切,可使功率因數(shù)保持在0.96~0.99之間。也就是說,使用復合開關不僅僅提高了可靠性,還提高了電能質量。